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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