POTENCIALIDADE DO USO DO BIOGÁS GERADO EM REATORES UASB NA SECAGEM DE LODO. Luciana Coêlho Mendonça; José Roberto Campos

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1 POTENCIALIDADE DO USO DO BIOGÁS GERADO EM REATORES UASB NA SECAGEM DE LODO Luciana Coêlho Mendonça; José Roberto Campos Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo Departamento de Hidráulica e Saneamento Av. Dr. Carlos Botelho, Centro CEP: São Carlos SP Brasil Tel.: Fax: (lumendon@sc.usp.br) RESUMO: Apesar de seu alto conteúdo energético, o biogás é geralmente queimado em Estações de Tratamento de Esgotos, não sendo assim aproveitado para geração de energia elétrica ou outro fim benéfico. Visando o aproveitamento do biogás produzido em reatores UASB para secagem do lodo anaeróbio produzido no mesmo, foi realizado estudo teórico para determinar se a temperatura que o lodo pode atingir é suficiente para desidratá-lo, empregando a queima do biogás como fonte de calor. Os dados obtidos indicaram que, teoricamente, a queima do biogás auxilia na desidratação do lodo produzido neste reator. Palavras-Chave: biogás, aproveitamento, secagem, lodo de esgoto, UASB

2 OBJETIVO: Verificar se a queima do biogás produzido em um reator UASB, alimentado com esgoto sanitário, é suficiente para desidratação do lodo produzido neste reator. INTRODUÇÃO: Nos grandes centros urbanos, onde há grande número de Estações de Tratamento de Esgotos (ETEs), a disposição do lodo gerado na depuração dos esgotos é um problema que envolve dificuldades técnicas e pode resultar em custos relativamente elevados. A determinação de seu tratamento e destino final depende, dentre outros fatores, de seu volume, que influi diretamente no custo de transporte (da ETE ao seu destino final), valendo salientar que o lodo bruto possui alto teor de umidade (90 a 99%). Desta forma, o lodo deve ser submetido a algum tipo de desidratação, reduzindo assim o volume a ser transportado e, conseqüentemente, reduzindo o custo de disposição ou reuso. Apesar de os esgotos sanitários brutos serem compostos por cerca de apenas 0,1% de sólidos, a produção de lodo nas ETEs é muito grande, principalmente quando o tratamento utilizado é aeróbio, o qual produz de cerca de três a cinco vezes, ou mais, que o tratamento anaeróbio (CAMPOS, 1994). O uso dos processos de tratamento de esgotos com menor produção de lodo deve ser estimulado. Certamente uma nova filosofia acerca do emprego dos diferentes processos de tratamento de esgotos está se desenvolvendo, visando atingir melhor qualidade e menor quantidade possível de lodo. Pode-se citar o caso dos reatores UASB, cuja utilização vem aumentando devido à sua capacidade de receber elevadas taxas de carregamento orgânico, área de implantação reduzida, economia de energia elétrica, entre outros. Além destas vantagens, ainda apresentam geração muito menor de lodo que os processos aeróbios (PIERRE & DORIA, 1995). Neste tipo de reator há a produção de gases que podem ser aproveitados, sendo proposto, neste trabalho, aproveitá-los para auxiliar na desidratação do lodo nele produzido.

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA: O reator UASB é uma unidade de fluxo ascendente, em que o esgoto passa por uma região de alta concentração de microrganismos anaeróbios, que se agrupam em grânulos ou flocos. Não necessita de qualquer equipamento especial para seu funcionamento, resultando em baixo consumo de energia. A concentração de biomassa no reator é bastante elevada, justificando a denominação de manta de lodo. Devido a esta concentração e a fatores que admitem a aplicação de elevadas taxas de carregamento orgânico, o volume requerido para esses reatores é bastante reduzido, em comparação com o de outros sistemas de tratamento. Como resultado da atividade anaeróbia, são formados gases (principalmente metano e gás carbônico), que são coletados na parte superior do reator, de onde podem ser destinados para aproveitamento ou queima. Segundo VAN HAANDEL & LETTINGA (1994), a produção de biogás é relativamente pequena, quando o afluente é esgoto sanitário, pois a concentração de material biodegradável é relativamente baixa e parte do biogás permanece dissolvida na parte líquida. O lodo, na maioria dos casos, pode ser retirado já estabilizado, podendo ser simplesmente desidratado em leitos de secagem. Na fase de desidratação, observa-se a redução de umidade do lodo digerido (ARCEIVALA, 1986). O lodo desidratado é mais fácil de ser manejado, seus custos de transporte são menores que de um lodo não desidratado e, em alguns casos, a desidratação é feita a fim de reduzir seus odores e sua putrescibilidade (METCALF & EDDY, 1991). Segundo JORDÃO & PESSÔA (1995), tal operação é realizada mediante drenagem e evaporação da água do lodo, com a utilização de processos de secagem natural ao ar livre (leitos de secagem e lagoas de lodo) ou mecânicos (filtros prensas, filtros à vácuo, centrífugas e filtros de esteira). A taxa de evaporação no leito de secagem depende de vários fatores tais como: clima, natureza do lodo e carga do lodo aplicada no leito. Um exemplo disso é o aumento da evaporação, quando a temperatura é alta, a umidade do ar é baixa e há vento suficiente para assegurar uma renovação adequada do ar acima do leito (VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994). JORDÃO & PESSÔA (1995) citam que o período de secagem varia de 12 a 20 dias para que o lodo atinja umidade de 60 a 70%.

4 Segundo METCALF & EDDY (1991), dentre as vantagens do leito de secagem, podem-se citar: baixo custo, quando há terra com disponibilidade acessível; não requer grande atenção e habilidade do operador; baixo consumo de energia e produtos químicos; menos sensível às variações do lodo e maior concentração de sólidos no lodo seco que os métodos mecânicos. E, como desvantagens desse método, citam-se: requer grande quantidade de área; o lodo deve estar digerido; o projeto deve considerar efeitos do clima e remoção é um trabalho intensivo. Segundo CANZIANI et al (1996), para regiões de climas úmidos, os leitos de secagem são inviáveis tecnicamente. ALÉM SOBRINHO & MIRANDA (1996) comentam que a desidratação de lodos de reatores UASB em leito secagem pode ser a solução mais adequada. Neste estudo, os autores chegaram ao resultado de 20% de teor de sólidos, após 16 dias de secagem e, 30% para 30 dias de secagem, para lodo adensado de reator UASB com 3,6% de sólidos. O biogás é também um dos subprodutos gerados no tratamento anaeróbio de esgotos sanitários. É composto, em sua maior parte, por dois gases: o metano (CH 4 ), que é o constituinte energético, e o dióxido de carbono (CO 2 ), visto que cerca de 95% em volume do mesmo é constituído por estes dois gases (AZEVEDO NETTO, 1961). Mas também há pequenas quantidades de nitrogênio (N 2 ), hidrogênio (H 2 ), gás sulfídrico (H 2 S) e vapor de água (VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994; METCALF & EDDY, 1991; AZEVEDO NETTO, 1961). Segundo esses autores, o teor de metano no gás de esgotos varia de 60 a 80%. Sob o ponto de vista térmico, este gás classifica-se pouco acima dos gases combustíveis de poder calorífico médio e, com a remoção do CO 2, o mesmo se aproximaria dos gases de alto poder calorífico (AZEVEDO NETTO, 1961). Segundo JORDÃO & PESSOA (1995), fazendo-se o estudo da viabilidade econômica e operacional, o aproveitamento do gás geralmente é apenas conveniente na caso de estações de grande porte, mas, em países de clima frio, o biogás pode ser aproveitado como combustível para caldeiras ou para aquecimento do próprio reator. Há casos, como o estudado por CARRASCO (1992), em que a produção de metano foi equivalente a apenas 10% da necessária para aquecer os esgotos sanitários de um reator UASB, na Bolívia, onde a temperatura média ambiente era de 10,5 o C. Porém, estudo realizado por PIERRE & DORIA (1995) indica que o aproveitamento do biogás para geração de energia elétrica, em uma indústria de refrigerante, pode ser economicamente viável, dependendo do tipo de tarifa elétrica contratada pela indústria.

5 MATERIAIS E MÉTODOS: Aquecimento do lodo: Neste artigo são apresentados cálculos e considerações para se obter a quantidade de calorias fornecidas pela queima do biogás e a produção per capita de lodo e de biogás, de tal forma que seja determinada a potencialidade de elevação da temperatura do lodo, utilizando a equação a seguir. A utilização da energia e produção de lodo e biogás relacionadas ao número de pessoas contribuintes é feita para estabelecer a relação com um índice prático. E = m.c. T (1) em que: E: energia disponível em função do biogás gerado (J/hab.dia); m: massa de lodo bruto produzida (g/hab.dia); c: calor específico do lodo bruto (J/g. o C); T: variação da temperatura = T f T i ; T f : temperatura final do lodo, após aquecimento ( o C); T i : temperatura inicial do lodo ( o C. Segundo VAN HAANDEL & LETTINGA (1994), a concentração média de sólidos no lodo de reatores UASB varia de 15 a 35gSST/l e a concentração máxima varia de 50 a 100gSST/ l. Esses valores representam lodo com teor de umidade médio de 98,5 a 96,5% e teor de umidade mínimo de 95 a 90%. Com base nestes valores, foi utilizada neste trabalho uma faixa de teor de umidade de 99 a 90%. De posse da variação do teor de umidade do lodo bruto, percebe-se que a maior parte deste resíduo é constituída por água. E, como será a água o elemento a ser aquecido pelo calor produzido pela queima do biogás, a Equação (1) foi adaptada para este trabalho. E = m água c água (T f - T i ) (2) em que: c água : calor específico da água (J/g. o C). Além de ser o elemento de maior parcela no lodo, a água é um dos elementos de maior calor específico, como pode ser verificado em RAZNJEVIC (1976). Desta forma, o uso do calor da água em substituição ao do lodo bruto conduz a um resultado mais desfavorável, ou seja, uma menor temperatura final do lodo, após o aquecimento com a queima do biogás.

6 maneira: A massa da água presente no lodo pode ser determinada da seguinte m água = u. m lodo bruto (3) mlodo seco m lodo bruto = (4) 1 u m m u. lodo seco água = (5) 1 u em que: m água : massa de água presente no lodo (g/hab.dia); m lodo bruto : massa de lodo bruto (g/hab.dia); m lodo seco : massa de lodo seco (g/hab.dia); u: umidade do lodo bruto (adimensional). Secagem do lodo Em leitos de secagem, a redução da umidade do lodo é conseguida pela drenagem e evaporação da água. Como neste trabalho estão sendo consideradas as piores condições, será admitido que não haverá drenagem da água; apenas evaporação pelo calor fornecido pela queima do biogás. Será considerado também que não haverá interferência de ventos, umidade do ar ou qualquer fator externo que favoreça este processo de desidratação do lodo. Neste artigo, a secagem do lodo será dependente unicamente da evaporação da água, sendo que, quanto maior a quantidade de água presente no lodo (maior teor de umidade), menor será a porcentagem de água evaporada. Considerando que a pressão seja constante e igual a 1atm, ou seja, a pressão atmosférica ao nível do mar, quando a temperatura da água atinge 100 o C, uma transferência adicional de calor implica em mudança de fase, isto é, uma parte do líquido torna-se vapor e, durante este processo, a pressão e a temperatura permanecem constantes (VAN WYLEN & SONNTAG, 1976). Quando a energia disponível não for suficiente para evaporar a água presente no lodo, a mesma será utilizada apenas para aquecimento do lodo, sabendo-se que a temperatura final será inferior a 100 o C. Para estes casos, foi utilizada a Equação (2). Assim, quando a energia disponível for suficiente para aquecer a água do lodo até 100 o C e ainda houver uma energia excedente, esta energia adicional será utilizada para vaporização da água.

7 Determinação de E, m lodo seco e T i : Para a determinação de E, m lodo seco e T i, foi necessária a escolha de vários parâmetros, sendo sempre utilizados aqueles relacionados às condições mais desfavoráveis, de forma que os resultados obtidos representassem valores mais confiáveis, para utilização em novos estudos. As condições mais desfavoráveis são aquelas que implicam em maior produção de lodo e menor produção de biogás, resultando na obtenção de uma temperatura mais baixa. No presente trabalho, os parâmetros que resultam nas condições mais desfavoráveis são: menor eficiência do reator UASB, menor produção de biogás por DQO afluente e menor poder calorífico do biogás. Energia disponível. Na determinação da energia disponível, foram necessárias as determinações da produção de biogás, contribuição per capita de DQO, poder calorífico do biogás e outros sub-itens que são apresentados a seguir. a- Produção de biogás em reatores UASB em termos de DQO removida Segundo DROSTE (1997), a produção de biogás em reator UASB varia de 100 a 350l/kgDQO removida, enquanto que METCALF & EDDY (1991) comentam que é de 341l/kgDQO removida e OLIVA (1997) obteve o valor de 150l/kgDQO removida. Desta forma, foi adotada uma produção de apenas 100l/kgDQO removida, a favor da segurança. b- DQO afluente per capita O procedimento para determinar a quantidade de DQO gerada por cada habitante diariamente é apresentado a seguir. Contribuição diária per capita de DBO aos esgotos: 54gDBO/hab.dia Relação DBO/DQO: Considerando que os esgotos sanitários em estudo são biologicamente tratáveis, a relação DBO/DQO é maior ou igual a 0,6. O caso mais desfavorável, para o presente estudo, é aquele em que toda a matéria orgânica é biologicamente degradável, ou seja, a relação DBO/DQO igual a 1,0. Este valor foi também assim adotado, considerandose um extremo teórico, a favor da segurança. Contribuição diária per capita de DQO afluente aos esgotos: 54gDBO/hab.dia : 1,0 = 54gDQO afluente /hab.dia c- DQO removida per capita O cálculo da DQO removida per capita envolve as considerações acerca do valor de sua contribuição aos esgotos e da eficiência do reator.

8 Eficiência do UASB: Segundo DROSTE (1997), VAN HAANDEL & LETTINGA (1994) e METCALF & EDDY (1991), a eficiência de reatores UASB, em termos de DQO, varia de 60 a 90%. Para este trabalho, considerou-se eficiência de 60% em termos de remoção de DQO, a qual implicará em menor produção de biogás. Contribuição diária per capita de DQO aos esgotos: 54gDQO/hab.dia Quantidade diária de DQO removida per capita no reator: 54gDQO afluente /hab.dia x 0,60 = 32,4gDQO removida /hab.dia d- Produção per capita de biogás (P biogás ) Produção de biogás:100l/kgdqo removida DQO removida per capita no reator: 32,4gDQO removida /hab.dia Assim, 1000gDQO removida - 100lbiogás 32,4gDQO removida /hab.dia - P biogás P biogás = 3,3lbiogás/hab.dia Este valor resultou bastante pequeno em relação ao usualmente adotado na bibliografia, porém foi adotado para se ter mais segurança neste trabalho. e- Poder calorífico do biogás Segundo DROSTE, 1997; JORDÃO & PESSOA, 1995; VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994; METCALF & EDDY, 1991; BATISTA, 1981; AZEVEDO NETTO, 1961), o poder calorífico do biogás varia de a kcal/m 3. Assim, foi adotado o poder calorífico do biogás é 5.000kcal/m 3 biogás, que é o valor mais desfavorável para este estudo. f- Determinação da energia diária disponível per capita E: poder calorífico do biogás (kcal/m 3 ) x volume diário de biogás produzido (m 3 /hab.dia) E = (kcal/m 3 biogás) x 3,3(lbiogás/hab.dia) x 0,001(m 3 /l) E = 16,5kcal/hab.dia E = 16,5(kcal/hab.dia) x 1.000(cal/kcal) x 4,1833(J/cal) E = J/hab.dia Produção de lodo seco. Na determinação da massa de lodo produzida diariamente per capita, são envolvidos o coeficiente de produção celular e a quantidade de DQO removida.

9 O coeficiente de produção celular (produção de lodo) em reatores UASB em termos de DQO removida varia de 0,1 a 0,2gSST/gDQO removida. O coeficiente que representa uma maior produção de lodo é 0,2gSST/gDQO removida. m lodo seco = coeficiente de produção celular x DQO removida per capita m lodo seco = 0,2(gSST/gDQO removida ) x 32,4(gDQO removida /hab.dia) m lodo seco = 6,5gSST/hab.dia Calor específico da água. Segundo PERRY & CHILTON (1986), o calor específico da água é de 1cal/g. o C = 4,1833J/g. o C. Temperatura inicial do lodo. A temperatura inicial do lodo, T i = 20 o C, foi medida durante a coleta do lodo bruto do reator UASB que está instalado na Escola de Engenharia de São Carlos, na Universidade de São Paulo. Esta é a temperatura da água que foi considerada nos cálculos. Temperatura final do lodo. De posse dos valores da energia disponível (E), massa de lodo seco (m lodo seco ), calor específico da água (c água ) e temperatura inicial da água (T i ), foi possível determinar a temperatura final do lodo, após seu aquecimento, devido à queima do biogás, utilizando as Equações (2) e (5). RESULTADOS E DISCUSSÃO: Para as situações mais desfavoráveis, foram obtidos os seguintes valores: E = J/hab.dia; m lodo seco = 6,5gSST/hab.dia; c = 4,1833J/g o C. Com estes resultados, foi possível determinar a temperatura final do lodo para cada teor de umidade usual de lodo descartado. Tabela 1 Temperatura final do lodo decorrente do aquecimento com a queima do biogás para diversos teores de umidade do lodo bruto Umidade do lodo Temperatura ( o C) 99% 45 98% 71 97% a 90% 100

10 Observando a Tabela 1, pode-se perceber que a energia resultante da queima do biogás gerado por uma pessoa é suficiente para aquecer o lodo produzido pela mesma. Verifica-se também que, com a queima do biogás, é possível manter a temperatura em 45 o C, para lodo com teor de umidade de 99%; em 71 o C, para lodo com teor de umidade de 98%; em 96 o C, para lodo com teor de umidade de 97%; e em 100 o C, para lodo com teor de umidade na faixa de 96 a 90%, demonstrando a potencialidade do uso do biogás na secagem do lodo anaeróbio. Mantendo essas temperaturas no lodo, o processo de desidratação do mesmo seria bastante acelerado, pois 105 o C é a temperatura utilizada nos procedimentos de determinação de sólidos da APHA (1995), secando totalmente os sólidos presentes no esgoto, em apenas 2 horas. No caso da determinação de sólidos em lodos, recomenda-se um tempo de secagem de 24 horas. Assim, com o aproveitamento do biogás, o tempo de secagem dos lodos com teor de umidade na faixa de 96 a 90% seria de apenas 1 dia, e, para lodos com teor de umidade de 99 a 97%, com a temperaturas obtidas, o tempo de secagem seria em torno de 5 dias. Esses valores são bastante satisfatórios, visto que em leitos de secagem convencionais, o tempo de secagem varia de 20 a 30 dias. CONCLUSÃO: Analisando os resultados obtidos, verificou-se que, teoricamente, o lodo de um reator UASB pode ser total ou parcialmente seco mediante queima do biogás produzido, induzindo na redução do tempo de secagem. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: ALÉM SOBRINHO, P. & MIRANDA, S. E. M. (1996), Desidratação de Lodos de Reator UASB em Leito de Secagem - Determinação de Parâmetros, in: XXV Congresso AIDIS, México, D.F. APHA, (1995), Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19 a ed., American Public Health Association, Washington, D.C., Estados Unidos

11 AZEVEDO NETTO, J. M. (1961), Aproveitamento do Gás de Esgotos, Revista DAE, ano XXII, n o 41, p , jun e n o 42, p , set BATISTA, L. F. (1981), Construção e Operação de Biodigestores Manual Técnico, Empresa Brasileira de Assistência Técnica e Extensão Rural, 54 p., Brasília, DF CAMPOS, J. R. (1994), Alternativas para Tratamento de Esgotos - Pré-Tratamento de Águas para Abastecimento, publicação n. 09, Consórcio Intermunicipal das Bacias dos Rios Piracicaba e Capivari, Americana, SP CANZIANI, J. R. et al (1996), Economicidade do Uso Agrícola do Lodo de Esgoto na Região Metropolitana de Curitiba, in: II Seminário de Integração do Projeto Interdisciplinar para o Desenvolvimento de Critérios Sanitários, Ambientais e Agronômicos para Reciclagem Agrícola do Lodo, 15p., nov, Curitiba, PR CARRASCO, K. I. A. (1992), Balanço de Massa e Energia: Aplicação ao Tratamento de Esgotos Sanitários com Reatores Anaeróbios de Manta de Lodo (UASB) à Temperatura de 20 o C, Dissertação de Mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 212p., São Carlos, SP DROSTE, R. L. (1997), Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, cap. 18 Anaerobic Wastewater Treatment, p , John Wiley & Sons, Inc, Estados Unidos JORDÃO, E. P. & PESSÔA, C. A. (1995), Tratamento de Esgotos Domésticos, 3 a edição, ABES, 681p., Rio de Janeiro, RJ METCALF & EDDY (1991), Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse, 3 a edição, McGraw-Hill, cap. 12, p , Nova York, Estados Unidos OLIVA, L. C..H. V. (1997), Tratamento de Esgotos Sanitários com Reator Anaeróbio de Manta de Lodo (UASB) Protótipo: Desempenho e Respostas Dinâmicas às Sobrecargas Hidráulicas, Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo, 218 p., São Carlos, SP PERRY, R. H. & CHILTON, C. H. (1986), Manual de Engenharia Química, 5 a edição, Ed. Guanabara, Rio de Janeiro, RJ PIERRE, C. V. & DORIA, R. A. Q. (1995), Análise de Viabilidade Econômica do Aproveitamento de Biogás Gerado em um Reator Anaeróbio, in: 18 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, ABES, 11 p., Salvador, BA RAZNJEVIC, K. (1976), Handbook of Thermodynamic: Tables and Charts, McGraw-Hill, 391p.

12 VAN HAANDEL, A. C. & LETTINGA, G. (1994), Tratamento Anaeróbio de Esgotos Um Manual para Regiões de Clima Quente, Epgraf, 239 p., Campina Grande PB VAN WYLEN, G. J. & SONNTAG, R. E. (1976), Fundamentos da Termodinâmica Clássica, 2 a edição, Edgard Blücher Ltda, 565p., São Paulo, SP