Apresentação miea anna_final

Dissertação do Mestrado Integrado em Engenhariado Ambiente

Minimização do Consumo Energético e Maximização de Valorização em ETAR Municipal

Anna Carolina Carvalho Valverde 27 de Julho de 2015

Estrutura

Introdução

Enquadramento

Metodologia

Resultados

Conclusões

2

Introdução

3

Objetivo geral

• Elaboração de um sistema de tratamento de águas residuais

domésticas que permita a redução do consumo energético e

da produção de biomassa em excesso.

Motivação

▫ Minimizar os custos energéticos de uma ETAR

▫ Atender aos limites legais de descarga

▫ Maximizar a valorização dos subpordutos

4

Objetivos específicos:

• Elaboração de um sistema de tratamento da ETAR virtual;

• Pré-dimensionamento dos órgãos principais de tratamento e equipamentos essenciais;

• Estimativa do consumo energético global da ETAR;

• Quantificação dos subprodutos e identificação das estratégias de valorização;

• Análise económica.

5

O problema?

• Avaliar a eficiência, em termos de remoção de nutrientes, de um sistema que combina os processos:

▫ Anaeróbio como etapa pricipal

▫ Aeróbio como pós-tratamento

6

Enquadramento

7

Pré-tratamento

• Igualização

Tratamento principal

• Reator UASB

Pós-tratamento

• Lamas Ativadas

Tratamento de Águas Residuais

8

Tratamento Principal – Processo Anaeróbio em Reator UASB

Menor produção de lamas;

Menor necessidade em nutrientes;

Obtenção de um gás combustível (CH4) – energia;

Tolerância a baixas temperaturas (<10 °C);

Cargas aplicadas podem atingir 30 kg CQO/ m3 /dia ou mais(quanto maior a temperatura maior a carga aplica);

Menores necessidades de espaço.

Eficiência em torno de 65% em termos de remoção de CQO

9

Subprodutos – Valorização do Biogás

10

Diagrama dos processos e produtos do aproveitamento do biogás

Subproduto – Valorização das Lamas

As lamas resultantes dos processos de tratamento das águas residuais apresentam elevado potencial de:

valorização energética;

Incineração;

valorização agrícola (como corretivo agrícola).

11

Metodologia

12

Elaboração do sistema de tratamento da ETAR virtual

Capacidade: 200.00

habitantes

Caudal médio afluente:

36.000 m3/dia

Tanque Igualização

Tanque de Arejamento

Tanque de Arejamento

Decantador

Secundário

Decantador

Secundário

Tanque Igualização

Contentores

Efluente

Recirculação de Lamas

UASB

UASB

13

Pré-dimensionamento dos órgãos principais de tratamento e equipamentos essenciais

Tanque de Igualização

• Volume

Método Gráfico

• Área

• Agitador

• Bombas submersíveis

Reator UASB

• Volume

Carga orgânica volumétrica

Reator Aeróbio

• Volume

Carga orgânica mássica (A/M)

• Sistema de Arejamento

Reator Anóxico

• Volume

Carga de nitrato

• Agitador


Decantador

• Área

Carga superficial máxima de sólidos


14

Quando existe uma remoção de matéria orgânica (CQO) parte é convertida em biogás e parte será convertida em biomassa.

A produção de metano, expressa em termos de CQO, é determinada pela relação estequiométrica:

𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂

1 g CQO → 0,35 L CH4

No caso da biomassa, a massa de sólidos voláteis suspensos pode relacionar-se com o valor de CQO através da equação de oxidação da biomassa celular:

𝐶5𝐻7𝑁𝑂2(𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠) + 5 𝑂2 + 𝐻+ → 5 𝐶𝑂2 + 2 𝐻2𝑂 + 𝑁𝐻4+

1 g de células → 1,42 g CQO.

Produção de Biogás

15

Demanda teórica de oxigênio determinada a partir da relaçãoestequiométrica das reações bioquímicas de decomposição:

Remoção de CBO = 0,75 g O2 /g CBO removida

Nitrificação = 4,57 g O2/ g N oxidada

Respiração endógena = 0,12 g O2 /g MLVSS/d

Recuperação de oxigênio via desnitrificação = 2,86 g O2 / g N removido

Dimensionamento do Sistema de Arejamento

16

• Tratamento Aeróbio

Produção de lama = 0,64 kg de SSV/kg CBO removida

Carga de CBO removida = eficiência de remoção de CBO do processo de lamas ativadas

Lamas produzidas =

sólidos voláteis (orgânicos) (75%)+

sólidos fixos (inorgânicos)

Em termos de sólidos totais, a produção de lamas é função da relação SSV/SST.

Concentração de sólidos = < 1 %

• Tratamento Anaeróbio

Produção de lama = 0,10 kg SST/kg CQO removida

Carga de CQO removida = eficiência de remoção de CQO do processo UASB

Concentração de sólidos = 5%

Produção de Lamas

17

Resultados

18

Resultados – Dimensão dos reatores

Igualização UASB Aeróbio Anóxico Decantandor Total

Número de reatores 1 6 2 2 2 -

Volume, m3 9100 1190 8658 2867 2180 23995

Tempo de retenção

hidráulica, h- 5 12 4 2 23

UASB: T= 20°C COV= 3 kg CQO/m3/d

Aeróbio: A/M = 0,075 kg CBO/kg MLVSS/d Concentração de MLVSS = 2500 mg/L

Anóxico: Carga de azoto a ser removido do sistema = 1.278 kg/dTaxa específica de desnitificação = 0,09 g N/g MLVSS/d

Decantador: Carga superficial máxima de sólidos = 5 kg//m2/h

19

Estimativa do consumo energético global da ETAR

Etapa/ Equipamento Caudal (m3/h)Consumo energia,

kWh/d

Consumo energético por caudal tratado,

Wh/m3

Igualização

Agitador 31500 2160 60

Bomba 1500 2592 72

Reator Anóxico

Agitador 5733 461 13

Reator Aeróbio

Compressor de ar 7071 5280 147

Bomba recirculação interna 5325 710 20

Decantador

Bomba recirculação 938 720 20

Bomba remoção 13 53 1,5

Total 11976 333

20

Quantificação dos subprodutos - Biogás

Parâmetro Valor

Produção específica de biomassa, kg CQOlama/kg CQOaplic 0,11

Fator de correção p/ temperatura operacional do reator, m3 CH4/kg CQOremovido 0,38

Carga de CQO convertida em metano, kg CQO/d 13813

Produção de biogás, m3/d 3997

Concentração de metano no biogás, % 65

Produção de metano, m3 CH4/ d 2598

Potencial energético, kWh/d 21826

Biogás Calor e Eletricidade

Biometano Calor, Eletricidade e Gás Natural

21

Produção de Lamas

Desidratação

Valorização agrícola

Espessamento e Digestão

Valorização energética

22

Tratamento

Anaeróbio Aeróbio

Produção específica de sólidos 0,1 kg SST/kg CQOremovida 0,47 kg SST/kg CBOremovida

Carga de CQO removida, kg CQO/d

13.813 3.078

Produção de sólidos no sistema, kg SST/d

1.381 2.624

Concentração de sólidos, %

5 1

Carga de lama em excesso, m3/d

27 303

Análise Econômica

Caudal: 1500 m3/hConcentração de

poluente no efluente: 590 mg CQO/L

No caso em análise, o processo anaeróbio é claramente superior.

23

Energia produzida

pelo metano: 21826 kWh/d

Energia consumida

para arejamento:

11976 kWh/d

Resultado global

energético:

9850 kWh/d

• Verifica-se uma vantagem em termos energéticos e de lamas geradas.

• A produção energética a partir das águas residuais, pode assegurar a necessidade energética das instalações.

• Remoção de azoto não foi suficiente para alcançar a qualidade desejada. Uma das condições para que ocorra a desnitrificação é a presença de carbono suficiente que foi praticamente toda consumida na primeira unidade de tratamento UASB. A razão C/N recomendada para que ocorra a desnitrificação é igual ou superior a 4, neste estudo a razão obtida foi de 1,4.

• O biogás natural é uma importante fonte de energia renovável apresentando na sua totalidade mais vantagens do que desvantagens. O conteúdo energético das águas residuais domésticas é bem elevado e portanto existe um potencial muito grande que não está sendo aproveitado.

• Num cenário mais avançado, as próprias ETARs podem assumir o papel de "centros produtores" de energia.

Conclusão

24

A dificuldade de nitrificação no sistema anaeróbio/aeróbio estendeu operíodo de elaboração deste trabalho não sendo possível, nesta fase,aprimorar mais a pesquisa e os conhecimentos sobre o processo emsistemas deste tipo, sendo sugerido um aprofundamento desse aspectonum período posterior.

Salienta-se também as limitações no aproveitamento útil do calor naproximidade do local em que o biogás é produzido, em parte devido àlocalização isolada destas centrais, associadas a Estações de Tratamento deÁguas Residuais (ETAR), sem consumidores próximos que possampotenciar o aproveitamento do calor gerado para a substituição deconsumos térmicos de outras fontes não renováveis. Desta forma, aeficiência deste tipo de valorização pode ser melhor potenciada através daaposta em sistemas de purificação do biogás.

Limitações e trabalhos futuros

25

Obrigada!

Apresentação miea anna_final

Documents