II-068 EMISSÃO ZERO EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO

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1 II-068 EMISSÃO ZERO EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO Natal de Avila Antonini (1) Engenheiro Mecânico e Mestre na área de Energia pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Engenheiro da divisão de planejamento do Departamento Municipal de Água e Esgoto (DMAE) de Porto Alegre-RS. Evelise Segatto Engenheira Civil e pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e mestranda na área de recursos hidricos e saneamento ambiental no Instituto de Pesquisas Hidraulica (IPH) da mesma instituição. Engenheira da divisão de planejamento do Departamento Municipal de Água e Esgototo (DMAE) de Porto Alegre-RS. Clarice Nascimento Nunes Biologa formada pela PUC-RS, especialista em zoologia pela mesma instituição. Biologa da divisão de tratamento e responsável pela operação da ETE São João-Navegantes do Departamento Municipal de Água e Esgototo (DMAE) de Porto Alegre-RS. Endereço (1) : Rua Gastão Rhodes, Santana Porto Alegre - RS - CEP: Brasil - Tel: (51) navila@dmae.prefpoa.com.br RESUMO A necessidade de coleta e tratamento dos esgotos sanitários gerados nas cidades é imperativo para a manutenção dos recursos hídricos. Na cidade de Porto Alegre, os esgotos gerados no Sistema Navegantes (aproximadamente 13% dos esgotos de Porto Alegre) são tratados na ETE São João/Navegantes por processo de lodos ativados. Este sistema de tratamento gera resíduos como o biogás, o lodo estabilizado nos digestores anaeróbios, areia, sólidos grosseiros e o próprio efluente tratado. Este tipo de estação de tratamento apresenta uma ótima relação esgoto tratado por área ocupada, porém possui um alto custo operacional. Uma possibilidade para a diminuição destes custos é o aproveitamento dos resíduos gerados. O biogás e os sólidos grosseiros seriam utilizados como combustível para geradores de energia elétrica e fonte de calor para a estabilização da temperatura do processo de digestão anaeróbia do lodo e posterior desinfecção do lodo e da areia; estes, após serem desinfetados poderiam ser usados como fertilizante na agricultura; além disto, o efluente produzido poderia ser aproveitado em indústrias próximas, em processos que admitam as restrições apresentadas por um esgoto tratado. PALAVRAS-CHAVE: Produção de Energia, Emissão Zero, Cogeração, Aproveitamento do Biogás, Gaseificação, Lodo, Desinfecção, Reuso de Efluente Tratado. INTRODUÇÃO Os grandes aglomerados urbanos geram uma quantidade significativa de detritos que se não forem devidamente tratados são focos potenciais de poluição e doença. Dentre estes detritos gerados o esgoto sanitário doméstico ocupa uma posição bastante relevante. O esgoto doméstico pode ser tratado de diversas formas. Uma das formas mais difundidas é o tratamento aeróbio por lodos ativados com pós-tratamento do lodo excedente por digestão anaeróbia e que está sendo usado na nova Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) São João/Navegantes pelo Departamento Municipal de Águas e Esgotos (DMAE) de Porto Alegre. Este tratamento gera resíduos como o biogás, o lodo estabilizado, areia e sólidos grosseiros e o próprio efluente tratado. O biogás é normalmente queimado, o lodo, areia e sólidos grosseiros, dispostos em aterros sanitários e o esgoto após o tratamento é encaminhado novamente ao curso d água. A proposta deste estudo é o aproveitamento de todos os resíduos gerados nesta ETE. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 METODOLOGIA A ETE São João/Navegantes está dimensionada para tratar 400L/s de esgoto doméstico e funciona com o sistema convencional de Lodos Ativados, porém sem o decantador primário. Uma das características deste processo é a alta produção de lodo que necessita ser estabilizada e disposta. O processo de estabilização do lodo descartado por digestão anaeróbia, gerará como subprodutos, para a vazão de projeto, 2250m3/dia de biogás e 80,2m3/dia de lodo digerido. Este lodo será desidratado mecanicamente tendo seu volume reduzido para 12,8m3/dia, sendo então, enviado para um aterro sanitário, junto com 2 toneladas de sólidos grosseiros e 8 toneladas de material retido na caixa de areia provenientes do tratamento preliminar. O efluente tratado passará por uma etapa de desinfecção e após será lançado no Rio Guaíba. A proposta para o aproveitamento total dos resíduos gerados na ETE centra-se no fato que todos os resíduos gerados podem ser transformados em produtos úteis a preços competitivos. BIOGÁS E SOLIDOS GROSSEIROS Os motores de combustão interna ciclo Otto podem ser alimentados por um variado número de combustíveis, líquidos ou gasosos, sendo necessário apenas algumas adaptações para adequá-los ao combustível escolhido. O biogás produzido no processo de estabilização de lodo, que em principio será queimado para o ambiente, é um ótimo combustível e mediante a um tratamento simples para a retirada de dos compostos de enxofre pode ser usado para alimentar diretamente um motor de combustão interna ciclo Otto de um gerador elétrico. Outro resíduo produzido na ETE que pode tornar-se um combustível com características semelhantes ao biogás são os sólidos grosseiros retidos no gradeamento. Este tipo de resíduo após passar por um processo de gaseificação transforma-se em gás de baixo poder calorífico e reduz seu volume a 5% do inicial. O processo de gaseificação está sendo amplamente utilizado em toda a Europa em substituição à incineração com grandes vantagens em termos de emissões nocivas e custos operacionais. Já existem no mercado vários equipamentos com capacidades variando de menos uma a centenas de toneladas diárias de resíduo (InterAmerican Technology Service, Inc.,2001). O volume de biogás gerado no digestor anaeróbio será de 2250m3/dia (e possui aproximadamente 65% de gás metano, CH4, o que equivale a uma produção de 1400m3/dia) e o volume gerado pela gaseificação dos sólidos grosseiros em torno de 230m³/dia. Considerando que o calor especifico inferior do Biogás e do gás gerado pela gaseificação é de 5500Kcal/m3 e a da gasolina comum de 10500Kcal/Kg podemos considerar que se o consumo especifico de um motor de combustão interna a gasolina é da ordem de 250g/Kw.h o mesmo motor movido a CH4 terá um consumo especifico de 0,480 m3/kw.h. Com isso tem-se a possibilidade de acionar um motor de aproximadamente 220Kw médios 24 horas por dia. Um motor que produza 220 Kw de energia mecânica pode acionar um gerador elétrico de 220 KVA o que é suficiente para reduzir em quase 35% o consumo diário de energia elétrica previsto para a ETE, que será de Kwh. O mesmo motor produzirá ainda energia térmica equivalente ao dobro do produzido em energia mecânica; para cada quilowatt mecânico extraído será produzido em torno de 1Kw térmico no sistema de refrigeração e outro no de escape (TAYLOR, 1988).. LODO E MATERIAL DA CAIXA DE DESARENAÇÃO A energia térmica produzida no motor de combustão interna que aciona o gerador elétrico pode, em grande parte, ser armazenada em tanques e/ou transferida. Neste estudo é proposto que ela seja fornecida ao lodo através de trocadores de calor. A energia térmica servirá, então, para estabilizar em 35 C a temperatura de funcionamento do digestor anaeróbio, o que é de fundamental importância em locais de grande amplitude térmica como a cidade de Porto Alegre; servirá ainda para elevar a temperatura do lodo desidratado a 70 C pelo tempo necessário para desinfetar os 12,8m3 que serão diariamente produzidos na ETE o que possibilitaria a sua utilização direta como fertilizante para o solo e reduziria o seu volume final devido a desidratação provocada pelo seu aquecimento. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 O material retirado das caixas de areia, 8 toneladas diárias em média, pode ser compostado separadamente ou ser misturado ao lodo digerido para posterior desinfecção por processo térmico. As características e a destinação final deste rejeito devem, porém, ser melhor estudadas para determinar o tratamento mais adequado. EFLUENTE TRATADO O uso de águas de qualidade inferior em atividades menos exigentes, já é um procedimento bastante difundido, principalmente em locais com escassez de água. O reuso da água para fins não potáveis é uma forma de preservar as águas de melhor qualidade para o consumo humano e também minimizar a contaminação dos corpos receptores. Os custos elevados da água industrial, associado às demandas crescentes, têm levado as indústrias a avaliar as possibilidades internas de reuso e a considerar ofertas das companhias de saneamento para a compra de efluentes tratados, a preços inferiores ao da água potável dos sistemas públicos de abastecimento. A água produzida através de tratamento de efluentes secundários e distribuída por adutoras que servem um agrupamento significativo de indústrias, se constitui, atualmente, em um grande atrativo para abastecimento industrial a preços razoáveis.(hespanhol, 2001). Nas indústrias o efluente tratado pode ser usado em torres de resfriamento, caldeiras, construção civil, incluindo preparação e cura de concreto e para compactação do solo, irrigação de áreas verdes de instalações industriais, lavagem de pisos, veículos e alguns tipos de peças, principalmente na industria mecânica e processos industriais. Também são usos potenciais de esgotos tratados a irrigação de parques e jardins públicos, centros esportivos, campos de futebol, quadras de golfe, reserva e proteção contra incêndio, sistemas decorativos aquáticos como fontes e chafarizes, espelhos e quedas d água, descargas de banheiros em edifícios comerciais e industriais e lavagem de trens e ônibus públicos (HESPANHOL, 2001). A região onde está localizada a Estação de Tratamento de Esgotos São João/Navegantes é ocupada predominantemente por indústrias que são potenciais consumidores de água para fins não potáveis. O efluente líquido tratado passará por um processo de desinfecção (cloração) e terá como características médias DBO5 20mg/L, DQO 30mg/L, Coliformes Fecais 10³ nmp e SST 20mg/L. Após a desinfecção o efluente parte será bombeada para os usuários finais e parte será lançado no Canal Sul (de onde seguirá para o lago Guaíba). RESULTADOS E DISCUSSÕES O sistema proposto nesse estudo pressupõe a utilização de trocadores de calor para transferir o rejeito térmico do gerador para o lodo e assim manter a temperatura do digestor anaeróbio dentro da sua faixa ótima (mesofílica) de operação. Na ETE São João/Navegantes, em princípio, estava prevista a disposição em aterros sanitários do lodo digerido. Com a implantação do sistema de aproveitamento do biogás produzido para a desinfecção do lodo, será possível, elevar a temperatura do lodo a 70 C por pelo menos 30 minutos proporcionando a pasteurização deste lodo e viabilizando sua utilização, pois este deve apresentar parâmetros mais favoráveis que o simples processo de higienização. O material retido na caixa de areia pode por sua vez ser compostado ou misturado e desinfetado junto com o lodo. O efluente final após passar pelo processo de cloração irá em parte para um reservatório na própria ETE (100m³) e servirá para a irrigação de jardins, lavagem de pisos e equipamentos; e outra parte será bombeada para as indústrias interessadas na sua utilização. A ETE São João/Navegantes está dimensionada para tratar 400L/s de esgoto doméstico e funciona com o sistema convencional de Lodos Ativados, porém sem o decantador primário. Uma das características deste processo é a alta produção de lodo que necessita ser estabilizada e disposta. A Tabela 1 contém o estudo econômico da implementação do sistema ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Tabela 1: estudo econômico da implementação do sistema. Descrição Valor em R$ a Custo de implementação sistema de geração energia ,00 b Custo de implementação sistema de distribuição de água ,00 c Custo da energia elétrica consumida pela ETE por ano ,00 d Custo operacional ,00 e Economia anual de energia ,00 f Economia anual com disposição do lodo, areia e sólidos grosseiros ,00 g Venda de esgoto tratado (anual) ,00 h Economia total por ano (f+e+d-c) ,00 i Tempo de retorno do investimento em meses 27 O estudo econômico da implementação do sistema baseia-se nos seguintes itens: - Demanda atual contratada: fora de ponta 800 KVA e fora de ponta 600 KVA - Demanda proposta de 1000 KVA fora de ponta e 400 KVA na ponta através do deslocamento de processos para fora do horário de ponta; - A parte operacional da ETE funcionará no horário de ponta usando apenas a energia fornecida pelos dois geradores de 200 KVA. Fora do horário de ponta será acionado apenas um gerador para uma potência de no máximo 200 KVA, que serão usados para abastecer apenas parte da ETE e gerar calor para o digestor anaeróbio e a desidratação do lodo; - O preço do Kwh é o usado pela CEEE-RS tendo como base à tarifa de setembro de 2001; - O preço de R$ 16,00 pela disposição da tonelada de resíduo em aterro sanitário foi fornecido pelo Departamento Municipal de Limpeza Urbana de Porto Alegre; - No item custos de implementação estão incluídos os grupos geradores, o sistema de trocadores de calor e de gaseificação, sistema de bombeamento, 5000 metros de linhas de recalque e os demais acessórios necessários para sua operação e controle; - Será usada uma taxa de R$ 0,06/KWh como custo operacional. - Foi considerado que apenas 20% do volume total de efluente seja comercializado com o valor estimado para a venda de R$ 0,40/m³ (50% do valor comercial atual) obedecendo, porém, a tabela progressiva usada pelo departamento para grandes consumidores. CONCLUSÕES O método proposto, que se baseia fundamentalmente no reaproveitamento de descartes do processo de tratamento de esgotos domésticos, apresenta diversas vantagens em relação a operação convencional do sistema. O gasto de energia elétrica poderia ser reduzido em aproximadamente 35% com o uso do gerador proposto. A energia térmica gerada pelo do motor do gerador elétrico que é normalmente descartada, proporcionará um aumento da confiabilidade e eficiência do sistema através da estabilização da temperatura do digestor anaeróbio o que consequentemente incrementará a produção de biogás. Além disto possibilita a utilização direta do material retido nas caixas de areia e do lodo produzido como fertilizante para o solo e dos sólidos grosseiros como combustível, eliminando assim o custo de disposição final dos mesmos, o que junto com a economia de energia elétrica e, principalmente, a venda do esgoto tratado tornaria possível o retorno do investimento em pouco mais de dois anos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANDREOLI. C.V.;SOUZA. M.L.P.;J.J. et al. Bases para o uso agrícola do lodo de esgoto da ETE Belém. In: SIMPÓSIO LUSO-BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL (6.:1994 : Florianópolis). Anais. Rio de Janeiro: ABES. P , NOGUEIRA, Luiz A Horta. Biodigestão a alternativa energética. Nobel. São Paulo,1992. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 3. SOUZA. M.E.. Fatores que influenciam a digestão anaeróbia. Revista DAE v.44 n 137, InterAmerican Technology Service, Inc. Waste Gasification / Thermal Oxidation. Disponível na internet site acessado em 15/11/ TAYLOR, Charles F. Motores de combustão interna. Editora Edgarg Blücher. São Paulo, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5