Estimativa de geração de energia e emissão evitada de gás de efeito estufa na recuperação de biogás produzido em estação de tratamento de esgotos

Estimate of energy generation and of greenhouse gas emission on biogas recovery from wastewater treatment plant

RESUMO:

O aproveitamento do biogás proveniente do tratamento de esgoto doméstico, de dejetos animais e da disposição de resíduos sólidos é uma alternativa de geração de energia elétrica com grande potencial de expansão no Brasil. O objetivo deste trabalho foi quantificar a energia fornecida pelo biogás gerado em uma estação de tratamento de esgotos (ETE) e estimar a emissão evitada de gases de efeito estufa (GEEs) com a recuperação do biogás. A ETE analisada possui vazão 33.220,8 m³.d^-1 e DQO afluente 14.617,1 kg.d^-1 e atende a cerca de 190.000 habitantes. Foram utilizados dados de monitoramento de agosto de 2012 a março de 2013 para quantificar os seguintes parâmetros: demanda química de oxigênio (DQO) convertida em biomassa; sulfato convertido em sulfeto; DQO convertida em metano; perdas de metano (fase líquida e gasosa); potencial energético disponível; potência elétrica disponível; emissão evitada de metano. Os seguintes resultados foram obtidos: eficiência média de tratamento de 65,6%; produção de metano de 1.427,2 m³.d^-1; energia elétrica média disponível de 65.280,3 kWh.mês^-1 (59% da demanda média mensal de energia da estação); emissão real evitada de metano de 946,2 kgCH₄.d^-1 e 17.192,6 kgCO_{2 eq}.d^-1 (potencial de aquecimento global - PAG - do CH₄=21). Pode-se concluir que a recuperação do biogás na ETE Santa Quitéria resultaria em benefícios econômicos e ambientais.

Palavras-chave: biogás; tratamento de esgoto; energia; gases de efeito estufa

ABSTRACT:

The use of biogas from treatment of domestic sewage, animal waste and solid waste disposal is an alternative to generate electricity with great potential for expansion in Brazil. The aim of this paper is quantifying the energy from the biogas produced in a wastewater treatment plant (WWTP) and estimating the greenhouse gas emission avoided with the biogas recovery. The WWTP evaluated has flow 33,220.8 m³.d^-1 and COD 14,617.1 kg.d^-1 and serves about 190,000 inhabitants. It was used monitoring data from August/2012 to March/2013 to quantify the following parameters: COD converted into biomass; sulfate converted to sulfide; COD converted to methane; methane loss (liquid and gas); potential energy available; electrical power available; avoided emissions of methane. The following results were obtained: average treatment efficiency of 65.6%; methane production of 1,427.2 m³.d^-1; average electricity available of 65,280.3 kWh.month^-1 (59% of the average monthly energy demand of the WWTP); avoided emissions of 941.9 kgCH₄.d^-1 and 17,189.7 kgCO_{2 eq}.d^-1. Therefore, it can be concluded that the biogas recovery of in Santa Quitéria WWTP can result in economic and environmental benefits.

Keywords: biogas; wastewater treatment; energy; greenhouse gas

INTRODUÇÃO

De acordo com o último balanço energético nacional, publicado pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), o consumo de energia primária aumentou cerca de 72% nos últimos 10 anos no Brasil (EPE, 2013a). Além disso, em termos de energia elétrica, foi registrado um aumento em torno de 87% no consumo nacional no período de 2008 a 2012 (EPE, 2013b). Para atender à demanda crescente, outras fontes renováveis têm sido incorporadas à matriz energética brasileira, como eólica, biomassa, centrais hidrelétricas de pequeno porte e biogás (EPE, 2013a).

O gás metano (CH₄), responsável pela capacidade calorífica do biogás, é produzido na degradação biológica anaeróbia da matéria orgânica, com a formação de amônia, dióxido de carbono, hidrogênio, monóxido de carbono, nitrogênio, compostos orgânicos voláteis, sulfetos e fosfatos (COSTA, 2006; GARCILASSO et al., 2008a). A proporção entre esses componentes depende do tipo de tratamento biológico e do substrato utilizado, que pode ser resíduo sólido urbano, esgoto doméstico, lodo de tratamento de esgoto, dejeto animal, dentre outros (GARCILASSO et al., 2008a; VENKATESCH & ELMI, 2013).

No caso do esgoto sanitário, quanto maior a eficiência do tratamento biológico, maior será a produção de CH₄ pelo sistema e maior será a capacidade de obtenção de energia (JIANG et al., 2013; DENG et al., 2014). Segundo Tchobanoglous et al. (2003), o metano pode ser obtido em diferentes configurações de tratamento anaeróbio de esgoto, como reator de manta de lodo, reator de leito fluidizado, filtro biológico, entre outras.

Alguns fatores podem interferir no poder calorífico inferior (PCI) do biogás, como: temperatura ambiente (faixa ideal 32 a 37^oC), qualidade do esgoto sanitário (biodegradabilidade dos compostos orgânicos, presença de nitrogênio, enxofre, fósforo, pH entre 6,0 e 8,0) e quantidade de vapor de água e CO₂ (quanto maior a parcela de vapor de água e CO₂, menor o poder calorífico) (COSTA, 2006; FARIA, 2012). Segundo Zilotti (2012), o PCI do metano pode passar de 465 para 11.661 kcal.kg^-1 quando a concentração de CO₂ é reduzida de 90 para 10% no biogás.

A legislação brasileira prevê a concessão de direito de exploração da eletricidade proveniente do biogás, seja para autoprodutores (energia destinada ao consumo próprio) ou produtores independentes (energia excedente comercializada). A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) autoriza essas ações nos termos das Leis n° 9.427/96 e n° 9.074/95, bem como da Resolução n° 390/09 (BRASIL, 1995; BRASIL, 1996; ANEEL, 2009; MMA, 2010).

A geração de energia elétrica a partir do biogás é uma alternativa com grande potencial de expansão no Brasil. Isso se deve a alguns fatores, como: ampliação nos serviços de coleta e tratamento de esgoto sanitário no território nacional (atualmente apenas cerca de 25% da população brasileira é beneficiada por esses serviços) e de coleta e destinação adequada de resíduos sólidos urbanos (SNIS, 2012); aumento da fiscalização por parte dos órgãos ambientais para o cumprimento da legislação de descarte de efluentes domésticos e industriais em cursos d'água (BRASIL, 2011); aumento do consumo de energia elétrica no país nos próximos anos, aumentando a pressão sobre a oferta nacional e sobre o custo da energia elétrica fornecida (EPE, 2013b).

Nesse contexto, foi investigada neste trabalho a capacidade de geração de energia elétrica a partir do gás metano produzido em estação de tratamento de esgotos (ETE), bem como foi estimada a emissão evitada de gases de efeito estufa (GEEs) com a recuperação do biogás.

A pesquisa foi realizada na ETE Santa Quitéria, localizada na região metropolitana de Curitiba, cuja instalação atende a uma população de aproximadamente 190.000 habitantes. Para alcançar o objetivo geral proposto, foram definidos os seguintes objetivos específicos:

• • quantificar a geração de metano na ETE Santa Quitéria;

• • calcular a energia disponibilizada pela ETE Santa Quitéria;

• • estimar a redução no consumo de energia com o aproveitamento do biogás;

• • calcular a emissão de metano evitada pela recuperação do biogás.

A justificativa para a realização deste estudo se apoia em três aspectos principais:

• 1. crescente demanda urbana por energia elétrica, que requer fontes alternativas;

• 2. potencial energético intrínseco do biogás gerado em ETEs anaeróbias, ainda pouco aproveitado no Brasil;

• 3. possibilidade de atender às demandas urbanas de energia elétrica localizadas nas proximidades da fonte geradora.

CONTEXTUALIZAÇÃO

O biogás é uma mistura de gases resultantes das reações bioquímicas de decomposição anaeróbia da matéria orgânica presente no esgoto doméstico. Sua composição é: CH₄ (40 a 90%), CO₂ (10 a 50%), H₂ (0 a 3%), N₂ (0 a 2,5%), O₂ (0 a 1%), H₂S (0 a 3%), NH₃ (1 a 0,5%) e CO (0 a 0,1%). A quantidade de cada componente depende das condições de operação da ETE e das características físico-químicas do esgoto bruto, como tempo de retenção, temperatura, pH e relação carbono-nitrogênio-fósforo (COELHO et al., 2004; COSTA, 2006; LOBATO, 2011).

Chernicharo (2007) afirma que no tratamento anaeróbio a carga orgânica afluente é convertida nas seguintes parcelas: biogás (50 a 80%), efluente (0 a 30%) e lodo (10 a 20%). Farias (2012) relata que, na prática, a relação máxima é 0,25 kg CH₄ por 1 kg de demanda biológica de oxigênio (DBO_5,20) removida. Lobato (2011) destaca que a perda de CH₄ no efluente e para a atmosfera pode variar de 20 a 50% do metano total. Essas informações auxiliam na estimativa da produção de metano de uma ETE quando não há dados de medição.

Para aumentar o rendimento energético e a vida útil do sistema de conversão do CH₄ em energia elétrica é necessário instalar filtros purificadores de biogás na saída de gás do reator biológico. Os filtros removem umidade (vapor de água que absorve parte da energia gerada na combustão do CH₄), H₂S (responsável por corrosão no sistema) e CO₂ (gás inerte que reduz o poder calorífico do biogás) (COELHO et al., 2004; COELHO et al., 2006; FRANÇA JUNIOR, 2008; VARNERO et al., 2012). Em seu estudo, Zilotti (2012) mostra que a combustão de 1 Nm³ de biogás, com 65% de CH₄ na mistura, libera 23.400 kJ de calor, enquanto 1 Nm³ de CH₄ produz 36.000 kJ.

Vários trabalhos relatam os benefícios econômicos da utilização de biogás na geração de energia em pequenas e grandes cidades (FRANÇA JUNIOR, 2008; GARCILASSO et al., 2008a; GARCILASSO et al., 2008b; DENG et al., 2014). Na ETE Barueri (São Paulo), o aproveitamento do biogás responde por 25% da demanda mensal de energia para o funcionamento da estação (COSTA, 2006). Na ETE Rio das Antas (Cascavel, Paraná), a geração de energia elétrica pelo biogás foi estimada em 35.459 kWh mensal, valor suficiente para atender à demanda elétrica da estação de tratamento de água do município (ZILOTTI, 2012).

O aproveitamento energético do biogás também promove a redução de emissão GEEs. O potencial de aquecimento global (PAG) do CH₄ é 21 vezes superior ao CO₂; assim, a combustão do CH₄ para produzir energia pode reduzir a tonelada de CO_2eq lançado para a atmosfera (IPCC, 2013). Dessa forma, é possível adquirir certificados de redução de emissão de GEEs (RCEs), comercializados de acordo com os critérios do Protocolo de Quioto (GARCILASSO et al., 2008b), muito embora o valor dos RCEs esteja em baixa no mercado de carbono (preço mínimo 2,70 €/tCO₂ no último leilão da BM&F BOVESPA em 2012), o que torna sua comercialização, no momento, pouco atrativa.

METODOLOGIA

Este trabalho apresenta uma abordagem de estudo de caso e foi organizado em duas etapas:

• 1. estimativa da produção de metano e da energia disponibilizada pela ETE Santa Quitéria;

• 2. cálculo da emissão evitada de metano.

Caracterização do local de estudo

A ETE Santa Quitéria está localizada no bairro Campo Comprido (Curitiba), nas coordenadas 25°27'46"S e 49°19'14"W, e ocupa uma área de 10.000 m². A estação atende a cerca de 190.000 habitantes e opera com vazão média de 420 L.s^-1. Sua configuração é composta por tratamento preliminar (remoção de sólidos grosseiros - resíduos sólidos e areia) e tratamento secundário (remoção de carga orgânica), como mostra a Figura 1. O lodo removido dos reatores biológicos é encaminhado para secagem em adensador e centrífuga, enquanto o biogás é coletado em tubulações e levado aos queimadores abertos. O tratamento secundário consiste na distribuição do esgoto por seis reatores anaeróbios de leite fluidizado (RALFs), com volume de 2.000 m³ e capacidade para tratar 70 L.s^-1 cada. O efluente dos RALFs é bombeado para quatro flotadores, para remoção de sólidos suspensos, e o efluente final é descartado no Rio Barigui. O tempo de detenção hidráulica nos RALFs é de 8 h e não há recirculação de lodo biológico.

Figura 1:
Fluxograma das unidades de tratamento da estação de tratamento de esgotos Santa Quitéria

Metodologia adotada

A produção de metano foi estimada a partir do relatório de monitoramento de vazão (afluente), DQO (afluente e efluente) e temperatura ambiente entre os meses de agosto de 2012 e março de 2013. Os dados foram disponibilizados pela Companhia de Saneamento do Paraná (Sanepar).

Nos cálculos de produção de metano e estimativa de geração de energia foram adotadas as metodologias descritas por Lobato (2011) e Zilotti (2012), já a emissão de metano evitada foi determinada pelo método do Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2006). Na Tabela 1 são relacionadas as equações utilizadas nos cálculos.

Tabela 1:
Equações utilizadas nos cálculos de produção de metano, geração de energia e emissão de metano evitada.

• DQO: demanda química de oxigênio. Fonte: Adaptado de Lobato (2011), Zilotti (2012) e IPCC (2006).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Produção de metano e energia disponibilizada

Algumas variáveis necessárias para se estimar a produção de metano e o potencial energético disponibilizado por ETEs não são monitoradas pela ETE Santa Quitéria; nesse caso, foram adotados valores médios obtidos da literatura (Tabela 2).

Tabela 2:
Variáveis não monitoradas pela estação de tratamento de esgotos Santa Quitéria.

• DQO: demanda química de oxigênio. Fonte: Valores obtidos a partir de estudos realizados por Lobato (2011).

As variáveis monitoradas pela ETE Santa Quitéria, e seus respectivos valores médios, são apresentadas na Tabela 3. O cálculo de produção de metano e estimativa energética se baseia no levantamento de dados da estação de tratamento entre os meses de agosto de 2012 e março de 2013.

Tabela 3:
Variáveis monitoradas pela estação de tratamento de esgotos Santa Quitéria.

• DQO: demanda química de oxigênio. Fonte: Sanepar.

Utilizando-se as Equações da Tabela 1 e as informações indicadas nas Tabelas 2 e 3 foi possível calcular as variáveis requeridas na estimativa da produção de metano e da energia disponibilizada pela ETE Santa Quitéria.

A Tabela 4 mostra o resultado do cálculo das variáveis utilizadas nesta etapa da pesquisa. A parcela que corresponde à DQO removida (DQO_Remov) nos reatores upflow anaerobic sludge blanket (UASB) foi determinada subtraindo-se a DQO média efluente (DQO_s) da DQO média afluente (DQO_e).

Tabela 4:
Resultado das variáveis calculadas.

• Os valores são resultado da aplicação das equações indicadas na Tabela 1. *Considerando 65% de CH₄ no biogás: PE_CH4=1,1518 kg.Nm^‑3; PCI_CH4=4.831,1 kcal.kg^‑1. DQO: demanda química de oxigênio.

A eficiência média de remoção da matéria orgânica presente no esgoto bruto foi calculada em 65,6%, considerando-se os dados de monitoramento da estação. A partir do valor médio de DQO removida do afluente de 9.594,7 kgDQO_Remov.d^-1 foi possível estimar a produção de metano em 1.427,2 m³.d^-1 e o potencial de geração de energia elétrica na ETE Santa Quitéria em 65.280,3 kWh.mês^-1. Nos cálculos foi considerado: 1 mês=30,4167 dias.

Para o cálculo do poder calorífico inferior disponibilizado pelo CH₄ (PCI_D), foi adotada a parcela de 65% de metano no biogás (ZILOTTI, 2012), assumindo-se uma baixa conversão da matéria orgânica em metano. Todavia, quanto maior a parcela de metano na mistura gasosa, maior será a capacidade calorífica do biogás, e maior será a potência elétrica (P_E) disponibilizada pela estação.

Portanto, se a parcela de CH₄ for elevada de 65 para 75%, a P_E disponível passaria de 65.280,3 para 75.252,9 kWh.mês^-1, o que representa um acréscimo de 13,2% na quantidade de energia disponibilizada pela estação.

Consumo de energia

O consumo mensal de energia elétrica na ETE Santa Quitéria durante o período de investigação foi obtido a partir de dados fornecidos pela Sanepar. O resultado do levantamento dessas informações está indicado na Tabela 5.

Tabela 5:
Consumo mensal de energia elétrica na estação de tratamento de esgotos Santa Quitéria.

• *Considerando-se: 1 mês=30,4167 d (valor médio no período de 1 ano).

Visto que a potência elétrica média disponibilizada pela ETE Santa Quitéria foi estimada em 65.280,3 kWh.mês^-1 (65% de metano no biogás) e que o consumo médio mensal de energia na ETE foi medido em 110.405 kWh.mês^-1, é possível concluir que a energia proveniente do metano gerado na estação corresponde a aproximadamente 59% do consumo médio mensal da unidade.

Esse valor representa uma redução significativa na demanda externa de energia elétrica para o funcionamento das instalações da ETE Santa Quitéria, resultando em benefício econômico direto para a companhia de saneamento.

Emissão de metano evitada

Para calcular a emissão de metano evitada na ETE Santa Quitéria com o aproveitamento energético do biogás, foram utilizados o resultado do cálculo de produção de metano (descrito acima), a Equação 1, e os dados apresentados nas Tabelas 3 e 4. O resultado dos cálculos das variáveis consideradas neste estudo está indicado na Tabela 6.

Onde:

• E_CH4  emissão de CH₄ (kgCH₄.d^-1)
• F_E  fator de emissão calculado (kgCH₄.kgDQO_Remov ^-1)
• R_CH4  CH₄ removido no aproveitamento energético (kgCH₄.d^-1)
• DQO_Lodo  DQO convertida em biomassa (kgDQO_Lodo.d^-1)
• DQO_Remov  DQO removida do afluente (kgDQO_Remov.d^-1)

Tabela 6:
Resultado das variáveis calculadas.

• Os valores são resultado da aplicação das equações indicadas na Tabela 1. DQO: demanda química de oxigênio.

O fator de emissão (F_E) foi calculado a partir da produção mássica máxima de metano (Q_CH4 em kg.d^-1) dividida pela DQO removida no tratamento (DQO_Remov.d^-1). O valor obtido para F_E é coerente com o que outros trabalhos têm reportado na literatura (0,19 a 0,22 kgCH₄.kgDQO_Remov ^-1) (TCHOBANOGLOUS et al., 2003; LOBATO, 2011; ZINOTTI, 2012).

Para calcular a parcela de metano removido no aproveitamento energético do biogás (R_CH4 teórico), foi utilizada a equação dos gases ideais (Equação 2), considerando-se: P=1 atm (pressão ambiente); V=2.699,4 m³ (produção volumétrica teórica máxima de CH₄ em 1 dia, Q_CH4); MM_CH4=16 g.mol^-1 (massa molecular do CH₄); R=0,08206 atm.L.mol.K^-1 (constante dos gases); T=21,1^oC (temperatura operacional do reator biológico).

Onde:

• V  produção volumétrica diária deCH₄ (m³.d^-1)
• m  produção mássica diária de CH₄ (KgCH₄.d^-1)
• MM_CH4  massa molecular de CH₄ (16 g.mol^-1)
• R  constante dos gases (0,08206 atm.L.mol^-1.K^-1)
• T  temperatura operacional do reator ^(oC)
• P  pressão atmosférica (atm)

Ao substituir o volume correspondente a Q_CH4 (valor teórico) por Q_Real-CH4 (valor real calculado), na Equação 2, verificou-se que a emissão efetivamente evitada de metano pela implantação do sistema de recuperação do biogás na ETE Santa Quitéria seria de 946,2 kgCH₄.d^-1 (R_CH4 calculado), isso significa cerca de 52,9% menor que o valor teórico.

A diferença entre o valor teórico e o valor real se deve às perdas de metano nas fases líquida e gasosa, bem como à parcela consumida na conversão do sulfato em sulfeto durante o tratamento, as quais não são consideradas no cálculo de R_CH4 teórico. Dessa forma, o R_CH4 calculado fornece uma resposta mais precisa.

Sendo assim, os resultados obtidos mostram que a recuperação do biogás pode reduzir a emissão total de metano (E_CH4) de 1.549,5 para 603,3 kgCH₄.d^-1 na ETE Santa Quitéria (cerca de 220,2 tonCH₄ evitada por ano).

Porém, pela estequiometria da reação de combustão do CH₄ (Equação 3) é possível observar que 16 gCH₄.mol^-1 são consumidos, enquanto 44 gCO₂.mol^-1 são liberados. Com isso, estima-se que a queima de 942,6 kgCH₄.d^-1 (R_CH4 real calculado) resulte na formação de 2.602,0 kgCO₂.d^-1.

Sabendo-se que o PAG do CH₄ é 21 vezes o valor do CO₂, tem-se que a massa correspondente à emissão evitada de metano (R_CH4 real calculado) seria igual a 19.794,6 kgCO_{2 eq}.d^-1. Subtraindo-se desse valor a massa de CO₂ formada na reação de combustão do CH₄ (Equação 3), tem-se que a redução estimada na emissão de GEEs seria de 17.192,6 kgCO_{2 eq}.d^-1ou 522,9 tonCO_{2 eq} evitada por mês com a recuperação do biogás.

Assim, o aproveitamento do gás metano na ETE Santa Quitéria representa um benefício ambiental efetivo, vindo ao encontro das diretrizes estabelecidas pela Política Nacional de Mudanças do Clima (Lei nº 12.187/2009) para a mitigação de emissões de GEEs decorrentes do processo biológico de decomposição da matéria orgânica presente no esgoto bruto.

CONCLUSÕES

A partir dos resultados obtidos neste estudo, pode-se concluir que:

• • a produção média de metano disponível para o aproveitamento energético na ETE Santa Quitéria foi estimada em 1.427,2 m³.d^-1;

• • o potencial de geração de energia elétrica na ETE Santa Quitéria foi calculado em 65.280,3 kWh.mês^-1. Esse valor representa cerca de 59% da demanda média de energia elétrica mensal na estação entre os meses de agosto de 2012 e março de 2013.

• • a recuperação do biogás nessa estação de tratamento pode reduzir a emissão total de metano (E_CH4) de 1.549,5 para 603,3 kgCH₄.d^-1, considerando-se o F_E de 0,19 kgCH₄.kgDQO_Remov ^-1 calculado a partir de dados de monitoramento da ETE Santa Quitéria;

• • com a recuperação do biogás estima-se a redução de 17.192,6 kgCO_{2 eq}.d^-1 ou 522,9 tonCO_{2 eq} evitada por mês na emissão de GEEs a partir do sistema de tratamento de esgoto utilizado na estação;

• • os autores sugerem ainda um estudo econômico para identificar o investimento necessário para a implantação do sistema de aproveitamento do biogás na geração de energia elétrica e o tempo de retorno desse investimento, considerando despesas (aquisição de tecnologias) e receita (redução do consumo de energia).

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• Errata
  No artigo "Estimativa de geração de energia e emissão evitada de gás de efeito estufa na recuperação de biogás produzido em estação de tratamento de esgotos", com número de DOI: 10.1590/S1413-41522016141477, publicado no periódico Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, 21(2):275-282, na página 280:
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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  20 Jun 2016
• Data do Fascículo
  Apr-Jun 2016

Histórico

• Recebido
  08 Out 2014
• Aceito
  22 Jul 2015