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Esgotamento Sanitário- Tecnologias e Inovações –

Cooperação entre Universidade e Empresa de Saneamento na Perspectiva de Implantação

das Inovações Tecnológicas

Carlos Augusto de Lemos Chernicharo

IV Seminário Internacional de Engenharia de Saúde Pública

- Desenvolvimento sustentável, demandas contemporâneas e responsabilidade socioambiental -

Março de 2013

Carlos Augusto de Lemos ChernicharoDepartamento de Engenharia Sanitária e Ambiental

Universidade Federal de Minas Gerais

Sumário

Tratamento de Esgotos no Brasil: Breve Contextualização

Pesquisa e desenvolvimento da tecnologia anaeróbia no Brasil

Desafios e implantação de inovações tecnológicas

Tratamento de Esgoto no Brasil:

Breve contextualização

Principais processos de tratamento de esgoto empregados, por porte (amostra em 3 estados)

0 0 0

34

14

1 12

5

15

25

0

5

10

15

20

25

30

Dec. Prim. Dec. Prim. + Disp. Ocean.

Trat. Prel. + Disp. Ocean.

Lagoas Lodos Ativados UASB + Pós-tratamento

Nú

mero

de E

TEs

Processo de tratamento empregado

ETEs < 100 L/s ETEs > 100 L/s

Tecnologia UASB

• Tecnologia consolidada

• Apresenta diversas vantagens e grande

aplicação, todavia algumas limitações ainda

existem

• Uma etapa de pós-tratamento é usualmente

necessária visando a:

• Complementação de remoção de matéria orgânica

• Remoção de nutrientes

• Remoção de patógenos

Pesquisa e Desenvolvimento:

O legado deixado pelo PROSAB

O período PROSAB: 1996 - 2008

• Formação de redes cooperativas de pesquisa:

- Envolvimento de diversas instituições de pesquisa em todo o Brasil

(Universidades, Centros de Pesquisa, Companhias de Saneamento)

- Participação de instituições consolidadas e instituições emergentes

- Reuniões sistemáticas de acompanhamento e avaliação

- Criação de diversos centros de pesquisa aplicada em todo o Brasil

- Pesquisas focadas no desenvolvimento e aprimoramento de tecnologias

simplificadas de tratamento de esgoto

• Legado:

- Disponibilização de diversos produtos, a exemplo de livros, vídeos e

coletâneas de artigos (download gratuito no site da FINEP)

- Criação de diversos centros de pesquisa aplicada no Brasil, a maioria

funcionando como plataformas permanentes de pesquisa e demonstração

- Contribuição efetiva para a revisão da Norma Brasileira de Tratamento de

Esgoto

- Influência decisiva no modelo tecnológico brasileiro para tratamento de

esgoto

Centro de Pesquisa e Treinamento em Saneamento - CePTS

• Localização:

- ETE Arrudas – Belo Horizonte – Minas Gerais – Brasil (Capacidade: 4.5 m3/s)

• Principais características:

- Estações experimentais de tratamento de esgoto (escalas piloto e

demonstração), todas alimentadas com esgoto real, tomado da ETE Arrudas

- Mini-redes de distribuição de água, de coleta de esgoto e de águas pluviais

- Unidades administrativas e de controle

• Objetivos:

- Pesquisa, demonstração e treinamento em saneamento (água e esgoto)

- Atividades focadas principalmente em pesquisa aplicada

- Desenvolvimento e otimização de configurações de reatores

- Determinação e otimização de critérios de projeto e de operação

Vista das unidades experimentais

Vista das unidades experimentais

Vista das unidades experimentais

• Configuração: Reator UASB + Filtro Biológico Percolador

• População de projeto: 500 habitantes

• Vazão de projeto: 3,2 m3/h

Sistema compato reator UASB + FBP

Compartimentos individualizados

• Configuração: Filtros Percoladores com diferentes tipos de meio suporte

• População de projeto: 400 habitantes

• Vazão de projeto: 2,6 m3/h

Pós-tratamento: Filtros Biológicos Percoladores

Desafios e implantação de inovações tecnológicas

Biogás e

Gás residual

- Emissão de odor

- Emissão de GEE

- Recuperação de energia

- Corrosão

- Toxicidade

Efluente

líquido

- Carbono residual

- Nutrientes

- Patógenos

- Microcontaminantes

- Emissão de odor

- Emissão de GEE

Reator

Escuma -

Corrosão-

Sistema alimentação -

Separador trifásico -

Pré-tratamento e

elevatória chegada

- Emissão de odor

- Variação da vazão afluente

- Passagem de detritos

- Passagem de óleo e graxa

Lodo

- Recuperação nutrientes

- Higienização

- Presença detritos

-Desidratação

- Recuperação de energia

Reatores UASB: desafios e inovações

Sistemas anaeróbios: desafios e inovações

Emissões de

metanoEmissões de

H2S

Recuperação

de energia

Remoção de

amônia

Controle

operacional

Desafio 1:

Controle operacional: gerenciamento

do lodo

ETE Laboreaux – Itabira

Fluxograma do processo de tratamento

Legenda

Tratamento preliminar

Tratamento biológico (Reatores UASB)

Pós-tratamento (Filtros Biológicos Percoladores)

Tratamento do lodo e da escuma (desidratação)

Esquema geral da ETE Laboreaux

Vista Aérea da ETE

Hidrograma das vazões médias diárias afluentes à ETE

0

20

40

60

80

100

120

36

66

96

126

156

186

216

246

276

306

336

366

396

426

456

486

516

546

576

606

636

666

696

726

756

786

816

846

876

906

936

966

996

1026

1056

1086

1116

1146

Va

zã

o m

éd

ia d

iária

(L

/s)

Dias operacionais (dias)

Vazão média afluente

20092008 2010 2011

Fases operacionais da ETE

(*) decantadores em manutenção

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

1 20 51 76 90 107 125 136 153 167 178 195

SS

T (m

g/L

)

Mas

sa S

T (

kg)

Dias operacionais

ST

SST

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

209 235 262 287 318 342 365 392 415 440 468 493 520

SS

T (m

g/L

)

Mas

sa S

T (

kg)

Dias operacionais

ST

SST

Relação entre massa de lodo e concentração de SST no efluente do reator

Série temporal - DBO

0

100

200

300

400

500

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

Con

ce

ntr

açã

o D

BO

(m

g/L

)

Dias operacionais (d)

Esg. Bruto Esg. Bruto + Lodo retorno Efl. UASBEfl. FBP Efl. final Padrão6 por Média Móvel (Esg. Bruto) 6 por Média Móvel (Efl. UASB)

20092008 2010 2011

1 2 3 4 6 7 8 95

Gráficos Box Plot dos resultados de DBO

Períodos operacionais 7 e 8

Período 7 Período 8

(sem retorno de lodo) (com retorno de lodo)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

EB EB + Lodo Retorno

Efl. UASB Efl. FBP Efl. Final

Concentr

ação d

e D

BO

(m

g/L

)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

EB EB + Lodo Retorno

Efl. UASB Efl. FBP Efl. Final

Concentr

ação d

e D

BO

(m

g/L

)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

EB EB + Lodo Retorno

Efl. UASB Efl. FBP Efl. Final

Concentr

ação d

e S

ST

(m

g/L

)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

EB EB + Lodo Retorno

Efl. UASB Efl. FBP Efl. FinalC

oncentr

ação d

e S

ST

(m

g/L

)

Gráficos Box Plot dos resultados de SST

Períodos operacionais 7 e 8

Período 7 Período 8

(sem retorno de lodo) (com retorno de lodo)

Pontos-chave para o gerenciamento do lodo:

• Manutenção da massa de lodo no interior do reator UASB

entre a massa mínima e a massa máxima. Necessidade dedescartes mais frequentes;

• Favorecer a manutenção da camada mais densa de lodo (leito)

no fundo do reator, pois esta melhora as condições de

retenção, adensamento e digestão do lodo aeróbio de retorno(não praticar descarte de lodo apenas do fundo do reator);

• Bombeamento do lodo aeróbio de retorno de forma contínua

ou semi-contínua, ao longo de todo o dia. O bombeamento em

bateladas dificulta a retenção do lodo no interior do reator

UASB e induz a saída dos sólidos mais finos.

Desafio 2:

Redução das emissões metano

Elevadas perdas de metano dissolvido no efluente líquido

Emissões de metano

30

DQO solúvel no ef luente

35%

Conversão em metano recuperado

no biogás29%

Perda como metano

dissolvido

13%

Perda como metano na

fase gasosa

3%

Utilizada na redução de

sulfato

5%

Conversão em

biomassa

14%

DQO solúvel no ef luente

40%

Conversão em metano recuperado

no biogás19%

Perda como metano

dissolvido

17%

Perda como metano na

fase gasosa

3%

Utilizada na redução de

sulfato

7%

Conversão em

biomassa

13%

DQO solúvel no ef luente

30%

Conversão em metano recuperado

no biogás39%

Perda como metano

dissolvido

11%

Perda como metano na

fase gasosa

2%

Utilizada na redução de

sulfato

3%

Conversão em

biomassa

15%

Pior cenário Cenário típico

Melhor cenário

Estimativas das perdas de metano, de acordo com diferentes cenários

31

Aderência das medições de biogás em campo às faixas estimadas pelo modelo

0

200

400

600

800

1000

0 20 40 60 80 100

Pro

du

ção e

sper

ada

de

bio

gás

(m3.d

-1)

Vazão contribuinte de esgoto (L.s -1)ETE Laboreaux

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

0 200 400 600 800 1.000

Pro

du

ção e

sper

ada

de

bio

gás

(m3.d

-1)

Vazão contribuinte de esgoto (L.s -1)

ETE Onça

32

Relações unitárias de produção de metano, de biogás ede energia em reatores UASB tratando esgoto doméstico

Relação

unitáriaUnidade

Pior situação Situação típica Melhor situação

Máx. Mín. Média Máx. Mín. Média Máx. Mín. Média

Volume

unitário de

CH4 produzido

NL.hab-1.dia-1 9,9 3,6 6,8 13,3 7,4 10,2 16,7 11,1 13,7

NL.m-3 esgoto 81,7 16,7 42,2 103,7 34,8 64,2 134,6 51,8 81,3

NL.kgDQOremov-1 154,1 66,0 113,4 185,8 124,2 158,3 219,1 173,9 196,0

Volume

unitário de

biogás

produzido

NL.hab-1.dia-1 14,1 5,2 9,8 17,7 9,9 13,6 20,8 13,9 17,1

NL.m-3 esgoto 116,7 23,8 60,3 138,3 46,4 85,6 168,3 64,8 101,6

NL.kgDQOremov-1 220,1 94,3 162,0 247,8 165,6 211,1 273,9 217,4 245,0

Potencial

energético

unitário

MJ.m-3 esgoto 2,9 0,6 1,5 3,7 1,2 2,3 4,8 1,9 2,9

MJ.kgDQOremov-1 5,5 2,4 4,1 6,7 4,5 5,7 7,9 6,2 7,0

MJ.Nm-3 biogás 25,1 25,1 25,1 26,9 26,9 26,9 28,7 28,7 28,7

MJ.hab-1.dia-1 0,4 0,1 0,2 0,5 0,3 0,4 0,6 0,4 0,5

Medições e simulações confirmam as elevadas perdas de metano e de potencial energético

Emissões de metano: possível solução

Gases residuais do decantador

Efluente Desgaseificado

Biogás

Eflu

ente

con

tend

o su

lfeto

e m

etan

o

Gas

es r

esid

uais

do

trat

amen

to

prel

imin

ar e

ele

vató

ria d

e ch

egad

a

Exaustor Biofiltro para remoção

combinada de sulfeto e metano

Unidade de

dissipação

Flare

Metano removido devido a turbulência

Emissões de metano: possível solução

Desafio 3:

Controle das emissões H2S

Principais problemas: Corrosão e odor

Emissões de H2S

H2S

Geração de sulfetos pela

ação microbiana SO4 S-

S- + 2H+ H2S

Nível d’águaO2

Absorção de O2

na superfície

H2S disponível na atmosfera se a

produção sulfetos excede a

absorção de O2

H2S

H2S H2S

O2

Absorção de O2

na superfície

H2S

H2S

H2S + O2H2SO4 (pela ação microbiana)

Corrosão resultante

Corrosão em estruturas de aço

IV Seminário Internacional de Engenharia de Saúde Pública – Esgotamento Sanitário: Tecnologias e Inovações – Prof. Carlos Chernicharo

Corrosão em estruturas de concreto

Exposição da armadura da laje

Corrosão em estruturas de concreto

Antes da limpeza

Depois da limpeza com jato de água

Gases residuais do decantador

Efluente Desgaseificado

Biogás

Eflu

ente

con

tend

o su

lfeto

e m

etan

o

Gas

es r

esid

uais

do

trat

amen

to

prel

imin

ar e

ele

vató

ria d

e ch

egad

a

Exaustor Biofiltro para remoção

combinada de sulfeto e metano

Unidade de

dissipação

Flare

Emissões de H2S: possível solução

> 80% remoção devido a turbulência

Liberação do sulfeto dissolvido no efluente líquido

Emissões de H2S: possível solução

Remoção biológica de sulfeto de hidrogênio visando a recuperação de enxofre elementar

Emissões de H2S: possível solução

Microrganismo Função

Chlorobium ferrooxidans Oxidação biológica de sulfeto

Thiomonas sp. Oxidação biológica de sulfeto,estritamente aeróbias.

Thiorhodovibrio sp Oxidação biológica de sulfeto

Thiomonas cuprinaOxidação biológica de sulfeto e tiossulfato, estritamente aeróbia.

Lamprocystis purpureaOxidação biológica de sulfeto e tiossulfato,sobcondições microóxicas no escuro.

Thiobacillus sp. Oxidação biológica de sulfeto,estritamente aeróbia.

Microrganismos encontrados na escuma utilizada como inóculo nos biorreatores

Após um mês de operação dos biorreatores

Remoção biológica de sulfeto de hidrogênio

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

21 28 35 49 58 63 70 91 99 105 112 119 133 140 147 153

Concentr

ação d

e H

2S (

mg/L

)

Período operacional (d)

Afluente

Efluente BR1

Desafio 4:

Recuperação de energia a partir dos

subprodutos do tratamento: biogás e

lodo

Estudo de Caso: ETE Laboreaux – Itabira

Cenário atual

Condicionantes

Cal + FeCl3

Caçamba

Aterro Sanitário

Filtro Prensa

Tanque de lodo

Linha de lodo

Linha de biogásLeito de secagem

Tanque corta-chama

Reator UASB

Queima do biogás

(flare)

Potencial energético da ETE

LodoCHTotal PEPEPE 4

PElodo-MJ = Potencial energético do lodo (MJ.d-1);

PCI = Potencial calorífico inferior (MJ.kg-1);

Mlodo = Massa de lodo gerada (kg.d-1).

PCIPPE LodoLodo

Poder calorífico do lodo

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

PCS PCI

Pote

nci

al

Calo

rífi

co T

eóri

co

(MJ/k

g)

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

PCS PCI

Pote

nci

al C

alo

rífi

co R

eal (M

J/k

g)

Demanda energética da ETE Laboreaux

5 m

4,8 m3,9 m

11,5 mEEE-1

EEE-2

CDV-1

8 reatores

Desarenador Calha Parshall

Grades

Esquema ilustrativo da localização das EEE-1 e EEE-2 e

suas alturas de recalque

0

300

600

900

1.200

1.500

1.800

jan/10 abr/10 jul/10 out/10 jan/11 abr/11 jul/11 out/11

Dem

an

da d

e e

nerg

ia n

a E

TE

Lab

ore

au

x (

kW

h.d

-1)

Período (meses)

Demanda de energia da ETE Laboreaux nos anos de 2010 e 2011

6.481 MJ.d-1

Balanço de massa e energia para o aproveitamento energéticodo biogás para a secagem térmico do lodo desidratado –Cenário 1

- Biogás para combustão: Secagem (a 10% umidade) e higienizaçãodo lodo

- Biogás para geração de energia elétrica: 2.132 MJ/d (40% dademanda da ETE)

Tanque de lodo

Reator UASB

Combustível

Lodo seco e higienizadoSecagem de lodo

Câmara de combustão

Filtro Prensa

3.759 kg.d-1

Ui= 58,7 %

7.518 MJ.d-1

542 m3.d-1

15.284 MJ.d-1

7.764 MJ.d-1

1.725 kg.d-1

Uf =10%

7.932 MJ.d-1

Evaporação: 2.034 kg.d-1

Legenda

Motor

EP2.132 MJ.d-1

η= 30%

252 m3.d-1

7.106 MJ.d-1

290 m3.d-1

Gases exaustão

Perdas = 3.731 MJ.d-1

Energia útil = 1.244 MJ.d-1

η= 85%

linha de lodo

linha de biogás

purificação do biogás

geração de energia térmica

eletricidade

detalhamento de alternativas

η Eficiência de conversão

Ui,f Umidade (inicial, final)

P

E

Balanço de massa e energia para o aproveitamento energéticodo biogás para a geração de eletricidade seguida de secagemtérmico do lodo com os gases de exaustão – Cenário 2

- Biogás para geração de energia elétrica: 4.485 MJ/d (85% dademanda da ETE)

- Secagem térmica do lodo com gases de exaustão: Secagem de todoo lodo a 49% umidade ou parte a 10% umidade

3.759 kg.d-1

Ui= 58,7 %

7.518 MJ.d-1

Legenda

Secador

Motor

E

Gases de exaustão

Reator UASB

PFiltro Prensa

Tanque de lodo

542 m3.d-1

15.284 MJ.d-1

4.585 MJ.d-1

η= 30%

3.020 MJ.d-1

η= 80%4.498 MJ.d-1

3.040 kg.d-1

Uf= 48,9 %

654 kg.d-1

Uf= 10 %

2.332 kg.d-1

58,7 %+

Evaporação: 719 kg.d-1

linha de lodo

linha de biogás

purificação do biogás

geração de energia térmica

eletricidade

detalhamento de alternativas

η Eficiência de conversão

Ui,f Umidade (inicial, final)

P

E

Desafio 5:

Remoção de amônia em filtros

biológicos percoladores pós UASB

Configuração esquemática de um FBP

Vista aérea de uma ETE com FBP pós-UASB e detalhe do FBP

• Simplicidade operacional e de manutenção

• Baixo consumo energético (aeração natural)

• Menor complexidade em termos de equipamentos

• Robustez a choques de carga e toxicidade

• Processo compacto de pós-tratamento

(adaptado de VON SPERLING, 2005 )

Vantagens de utilização da tecnologia

• Principal desvantagem: baixa capacidade de nitrificação

Concentrações de DBO total (mg/L) - efluente UASB e decantadores FBP

UASB Escória anel DHS Conduíte0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Concentrações de SST (mg/L) - efluentes UASB e decantadores FBPs

UASB Escória anel DHS Conduíte0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

Concentrações de DQO total (mg/L) - efluente UASB e decantadores

UASB Escória Anel DHS Conduíte0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

60 mg/L

180 mg/L

60 mg/L

DBO DQO

SST

Desempenho na remoção de matéria orgânica e sólidos

Condições operacionais:• Temperatura média: 250C• TAS: 20 m³.m-2.d• COV 0.43 kgBOD.m-3.d-1

Ammonia concentrations (mg/L)

UASBB.F.slag

RingDHS

Tubing

4

8

12

16

20

24

28

32

36

40

20 mg/L

NH3

Ammonia concentrations (mg/L)

UASBB.F.Slag

RingDHS

Tubing4

8

12

16

20

24

28

32

36

40

20 mg/L

NH3

Desempenho em relação à remoção de amônia

Condições operacionais:• Temperatura média: 250C• TAS: 10 m³.m-2.d• COV 0.24 kgDBO.m-3.d-1

Condições operacionais:• Temperatura média: 230C• TAS: 10 m³.m-2.d• COV 0.38 kgDBO.m-3.d-1

Surfactants concentrations (mgMBAS/L)

InfluentUASB

B.F.slagRing

DHSTubing

0

2

4

6

8

10Surfactants concentrations (mgMBAS/L)

InfluentUASB

B.F.SlagRing

DHSTubing

0

2

4

6

8

10

2 mg/L

LAS

2 mg/L

LAS

Desempenho em relação à remoção de surfactantes

Condições operacionais:• Temperatura média: 250C• TAS: 10 m³.m-2.d• COV 0.24 kgDBO.m-3.d-1

Condições operacionais:• Temperatura média: 230C• TAS: 10 m³.m-2.d• COV 0.38 kgDBO.m-3.d-1

Resultados de outros sistemas

Características Concentrações afluentes Concentrações efluentes

ReferênciasCOV TAS Temp DBO5 SST NH3 DBO5 SST NH3

kgDBO/m³.d m³/m².d ºC (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L)

0,68 13,61 21-23 96 75 29,7 42 34 25,8 Frade (2003)

0,68 13,61 20-26 96 48 29,4 32 22 27,5 Frade (2003)

0,31 13,61 18-27 44 35 22,6 23 14 18,9 Frade (2003)

0,42 21,22 17-21 78 64 21,1 37 26 18,4 Aisse (2002)

0,33 32,14 23-24 40 50 21,3 18 23 17,2 Aisse (2002)

12

3 4

Rotopack

Rotosponge

Organic

matter

removal

Ammonia

removal

UASB

reactor

Final

effluent

Efeito da altura e do tipo de meio suporte

Remoção de DBO

SewageUASB

RotopackRotosponge

0

50

100

150

200

250

300

350

mgB

OD

tota

l.L-1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

BO

D r

emov

al (

%)

Remoção de DQO

SewageUASB

RotopackRotosponge

0

100

200

300

400

500

600

700

mgC

OD

tota

l.L-1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

CO

D r

emov

al (

%)

Integration with Trickling Filters

Remoção de SST

SewageUASB

RotopackRotosponge

0

50

100

150

200

250

300

350

mgT

SS

.L-1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

TS

S r

emov

al (

%)

Integration with Trickling Filters

Esg. bruto

Concentrações de DBO (mg.L-1)Esg. bruto

Concentrações de DQO (mg.L-1)

Remoção de DBO (%) Remoção de DQO (%)

OLR (kgCOD.m-3.d-1)

300-350d350-450d

450-600d0.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1

Ammonium nitrogen Removal (%)

RP RS0

102030405060708090

100

NH4-N Rem NOx-N prod (mgN.L-1)

RP RS0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Rotopack Rotosponge

Rotopack Rotosponge

Efeito da COV e tipo de meio suporte sobre aremoção de nitrogênio

Obrigado pela atenção

Considerações Finais

Possible alternative for combined management of methane and hydrogen sulfide in medium and large size plants

Waste gas

from settlers

Excess biogas

FanB

ioga

s fo

r m

icro

-aer

atio

n

Biogas treatment

Heat to users

Fuel (biogas)

Exhaust

Electricity to plant utility

Compressor Turbine

Biofilter Combined biological oxidation

of sulfide and methane

Dissolved sulfide oxidation in the

liquid-based post-treatment system

Micro-aeration with oxygen

containing biogas

Was

te g

as fr

om p

relim

inar

y tr

eatm

ent a

nd p

umpi

ng s

tatio

n

Energy recovery unit