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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL (POSDEHA) ANDERSON BARBOSA ARAÚJO PANORAMA, ESTIMATIVA E AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE PRODUÇÃO E UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS DE REATORES UASB EM ETES OPERADAS PELA COMPANHIA DE ÁGUA E ESGOTO DO CEARÁ FORTALEZA 2019

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL (POSDEHA)

ANDERSON BARBOSA ARAÚJO

PANORAMA, ESTIMATIVA E AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE PRODUÇÃO E

UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS DE REATORES UASB EM ETES OPERADAS PELA

COMPANHIA DE ÁGUA E ESGOTO DO CEARÁ

FORTALEZA

2019

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ANDERSON BARBOSA ARAÚJO

PANORAMA, ESTIMATIVA E AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE PRODUÇÃO E

UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS DE REATORES UASB EM ETES OPERADAS PELA

COMPANHIA DE ÁGUA E ESGOTO DO CEARÁ

Dissertação apresentada ao Curso de Pós-

Graduação em Engenharia Hidráulica e

Ambiental, da Universidade Federal do Ceará,

ênfase em Saneamento Ambiental, como

requisito parcial para obtenção do título de

Mestre em Engenharia Civil (Recursos

Hídricos).

Orientador: Prof. Dr. André Bezerra dos

Santos.

FORTALEZA

2019

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ANDERSON BARBOSA ARAÚJO

PANORAMA, ESTIMATIVA E AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE PRODUÇÃO E

UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS DE REATORES UASB EM ETES OPERADAS PELA

COMPANHIA DE ÁGUA E ESGOTO DO CEARÁ

Dissertação apresentada ao Curso de Pós-

Graduação em Engenharia Hidráulica e

Ambiental, da Universidade Federal do Ceará,

ênfase em Saneamento Ambiental, como

requisito parcial para obtenção do título de

Mestre em Engenharia Civil (Recursos

Hídricos). Área de concentração: Saneamento

Ambiental.

Aprovado em: 22/11/2019.

BANCA EXAMINADORA

________________________________

Prof. Dr. André Bezerra dos Santos (Orientador)

Universidade Federal do Ceará (UFC)

________________________________

Prof. Dr. Francisco Suetônio Bastos Mota (Examinador interno)

Universidade Federal do Ceará (UFC)

________________________________

Prof. Dr. Marcos Erick Rodrigues da Silva (Examinador externo)

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará (IFCE)

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AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Francisco Josineto e Ana Beatriz, por não terem deixado de

perguntar para mim o que estava faltando para eu defender minha dissertação, ainda que meu

silêncio fosse minha resposta; por não terem me deixado desistir, por estarem sempre

presentes quando eu precisava e por mostrar o significado mais puro do amor.

À minha irmã, Josiana Beatriz, pelas constantes distrações como tentativas de me

fazer desopilar e por mostrar, diariamente, que ser apaixonado pelo que faz é o diferencial

para a qualidade do resultado final.

À Conceição de Maria (in memorian), pelos repetidos exemplos de perseverança e

hombridade e pelas vezes em que botou em prática o clichê de que “quem acredita sempre

alcança”. Que o tempo me permita conservar você e suas lições de vida sempre límpidos na

minha memória e no meu coração.

Ao meu orientador, Prof. Dr. André Bezerra dos Santos, que, mesmo atribulado,

não só aceitou me acompanhar no início do ciclo de mestrado, enquanto eu ainda trabalhava

na CAGECE, mas também permaneceu ao meu lado, com muita paciência, quando a

dissertação era minha última prioridade de vida. Obrigado por ter acreditado e confiado em

mim, por nunca ter duvidado do meu potencial, ainda que eu mesmo questionasse ser

merecedor disso.

Ao Pedro Mouta, graduando em Engenharia Ambiental, também aluno do

professor André, pelas ajudas montando e verificando planilhas, apontando meus erros e me

ajudando a decidir que diretrizes adotar na representação dos resultados.

À banca avaliadora, Prof. Dr. Suetônio Bastos Mota e Prof. Dr. Marcos Erick

Rodrigues da Silva, por disponibilizar tempo para ler a dissertação, questionar e assistir à

defesa, contribuindo para o melhoramento do ambiente acadêmico de discussão e produção

científica, tão minado e renegado, ultimamente, por governantes e ignorantes da sociedade

civil.

Aos meus amigos, Vicente, Karinne, Pedro, Ananda, Lia, Karine, Ana Cléa,

Mariana, Mayla, Tito, Júnior, Dudu, Wescley, Roberto, Breno, Ricarte, Laurentino, Carla,

Virgínia, Anderson, Íkaro, Renata, Carol, Leonardo e tantos outros que me deram dicas, que

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me fizeram rir e criar forças para voltar para casa renovado, preparado para mais uma sessão

de leitura, digitação, análise e manipulação de dados na frente do computador.

À Universidade Federal do Ceará (UFC), ao Departamento de Engenharia

Hidráulica e Ambiental (DEHA), a todos os professores e demais colaboradores do Programa

de Pós-Graduação em Engenharia Civil (Recursos Hídricos), com ênfase em Saneamento

Ambiental, pela oportunidade de promover um ambiente de ensino de altíssima qualidade,

incentivando a produção científica e instigando todos os alunos, sem descriminação, a

fazermos a diferença no mundo, começando pela nossa comunidade, ao nosso redor.

À Companhia de Água e Esgoto do Ceará (CAGECE), por ter me acolhido em

primeiro momento como estagiário e, posteriormente, como engenheiro; por ter me ajudado a

vivenciar os conhecimentos, em sua maioria, teóricos da Universidade de uma maneira prática

e por disponibilizar os dados para levantamentos e estimativas contidos nessa dissertação.

À Secretaria Municipal do Desenvolvimento Habitacional de Fortaleza

(Habitafor), meu atual ambiente de trabalho, pelas vezes em que precisei me ausentar

fisicamente ou ainda por compreender as ocasiões em que estava presente de corpo, mas com

a mente em outro lugar. Em especial, gostaria de agradecer à Salomit, Mariana, Bia, Tânia,

Cadinho, Adna, Carliane, Gorete, Eliene, Claudinha e Geane por conseguirem aliviar o peso

de acordar cedo todos os dias e enfrentar as adversidades do cotidiano laboral.

Ao Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Estações Sustentáveis de

Tratamento de Esgoto – INCT ETEs Sustentáveis, pelo pioneirismo na busca por fontes

renováveis de energia.

Por fim, agradeço a todos os que aqui não foram citados, mas que, pessoalmente

ou por pensamento, direto ou indiretamente, constante ou esporadicamente, torceram por

mim, me apoiaram e me ajudaram a fechar mais um ciclo na minha vida, o qual me permitiu

alcançar o título de Mestre em Engenharia Civil.

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"Como é maravilhoso que ninguém precise esperar um

minuto sequer antes de começar a melhorar o mundo."

Anne Frank, 1947

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RESUMO

Esse trabalho teve como objetivo diagnosticar e avaliar o potencial de aproveitamento

energético do biogás de reatores UASB em ETEs operadas pela CAGECE. Para inventariar

essas estações de esgoto, quantificá-las por tecnologia adotada, classificá-las quanto ao porte

por população e vazão e estimar a eficiência das ETEs com reatores UASB, foram levantadas

planilhas junto à CAGECE e consultada a base de dados da ANA. Adicionalmente,

utilizaram-se literaturas atualizadas para levantamento de taxas de consumo de energia

elétrica e de energia térmica, além de índices de produção de DQO e de biogás. Os resultados

obtidos, após tratamento estatístico adequado e exclusão de outliers, foram representados,

com a ajuda do Excel, em formatos de gráficos, tabelas e quadros. Dessa forma, embora se

tenha notado superioridade numérica da tecnologia decanto-digestor em estações de micro e

pequeno porte, percebeu-se grande viabilidade quanto à utilização da energia térmica do

biogás proveniente das ETEs com reatores UASB para cocção de alimentos em fogões

apropriados. Apreendeu-se também que, durante a análise das eficiências das estações com

reatores UASB, a maioria das ETEs ficou enquadrada nas categorias de pior situação (PS) e

situação típica (ST), bem como foi fácil perceber que aquelas em que a rota tecnológica

contemplava um pós-tratamento apresentaram maior poder de remoção de DQO do que as

sem pós-tratamento. Em relação ao cenário proposto para substituição do previsto no Plano

Municipal de Saneamento Básico de 2014, notou-se grande geração de créditos de carbono e

uma produção energia elétrica suficiente tanto para suprir as demandas internas das ETEs

propostas, como para retornar à rede de abastecimento energético, promovendo lucros para a

CAGECE. Finalmente, o estudo econômico dessa proposição retornou valores de CAPEX e

OPEX que permitiram amortizar os custos desse investimento em curto prazo, diferentemente

do calculado para a previsão do PMSB.

Palavras-chave: Biogás. ETE Sustentável. Reator UASB. Energia. Viabilidade Econômica.

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ABSTRACT

This study aimed to assess and evaluate the energy reuse potential of biogas from UASB

reactors in sewage treatment plants (STP) operated by CAGECE. A STP inventory

concerning the units in Ceara was done in order to quantify its plants by their adopted

technologies, to classify them with regard to their population size and wastewater flow rate,

and to estimate the efficiency of STPs with UASB reactors. CAGECE provided institutional

Excel spreadsheets to be consulted along with the online National Water Agency database. A

big range of updated scientific literature was also consulted in order to gather information

about electric and thermic energy consumption rates, as well as COD and biogas production

indexes. The obtained results, after a thorough statistical analysis and purge of outliers, using

Excel, were then represented in graphics, tables and charts. Hence, although there has been

noticed a numerical superiority of micro and small STPs using septic tank, it was also

possible to realize a great feasibility in regards of reusing biogas from STP with UASB

reactors to produce thermic energy and feed appropriate stoves in order to cook food. During

the STP UASB reactor efficiency analyses, the majority of the STP was placed in the worst

scenario (WS) and typical scenario (TS) categories, and it was easy to notice that those STPs

of which technological route contemplated some kind of effluent post-treatment process also

presented a higher capacity of removing COD than the ones without a post-treatment unit.

Concerning the projected scenario by the 2014 BSMP and the proposed alternative, there was

a large carbon credits generation and a tremendous production of electricity which was

enough not only to supply the STPs internal demands, but also to produce energy credits with

the state energy utility, providing profits to the state water and wastewater utility. Finally, the

economic study performed for the alternative proposal returned CAPEX and OPEX values

that permitted a short-time pay-back of these investments, which did not happen to the 2014

BSMP projected scenario.

Keywords: Biogas. Sustainable STP. Energy. UASB reactor. Economic feasibility.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – (a) Número de ETEs por categoria de município; (b) Número total de ETEs por

tecnologia. ........................................................................................................... 22

Figura 2 – Incremento (em azul) na quantidade de plantas de biogás na Europa. ............... 25

Figura 3 – Processo de digestão anaeróbia e redução de sulfato. ......................................... 30

Figura 4 – Rotas de conversão de DQO e fluxo do metano em reatores UASB. ................. 38

Figura 5 – Simulação do balanço de massa de DQO, no pior cenário. ................................ 39

Figura 6 – Tratamento do biogás conforme seu uso final. .................................................... 42

Figura 7 – Aplicabilidade de diversas tecnologias quanto à vazão de ar e à concentração do

poluente. .............................................................................................................. 43

Figura 8 – Fluxograma da ETE Arrudas. ............................................................................. 49

Figura 9 – Fluxograma conceitual, esquemático e completo de uma ETE sustentável de

pequeno porte. Os losangos representam oportunidades de tomadas de decisão,

com diferentes rotas tecnológicas a serem escolhidas. ....................................... 51

Figura 10 – Esquema de queimador de fogão a biogás. ......................................................... 52

Figura 11 – Fogão a biogás individual doméstico. ................................................................. 53

Figura 12 – Fogão a biogás comunitário. ............................................................................... 53

Figura 13 – Fluxograma das alternativas de aproveitamento do biogás em ETEs operando

com reatores UASB. ............................................................................................ 54

Figura 14 – Mapa das unidades de negócio da CAGECE no interior. ................................... 56

Figura 15 – Foto aérea da Estação de Pré-Condicionamento (EPC) de Fortaleza. ................ 58

Figura 16 – Percentual das tecnologias adotadas em ETEs operadas pela CAGECE. ........... 69

Figura 17 – Representação da quantidade de tecnologias adotadas por unidade administrativa

da CAGECE, em 2018. ....................................................................................... 71

Figura 18 – Quantitativo de ETEs operadas pela CAGECE por unidade administrativa. ..... 73

Figura 19 – Representação do percentual de ETEs operadas pela CAGECE, em 2018. ....... 74

Figura 20 – Quantitativo de ETEs por tecnologia adotada, em cada faixa populacional. ...... 76

Figura 21 – Quantitativo de ETEs por tecnologia adotada, em cada faixa de vazão. ............ 78

Figura 22 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB sem pós-

tratamento. ........................................................................................................... 80

Figura 23 – Eficiências da remoção de DQO das ETEs de reatores UASB com pós-

tratamento. ........................................................................................................... 82

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Figura 24 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB de Fortaleza, no

ano de 2018. ........................................................................................................ 87

Figura 25 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB da Região

Metropolitana de Fortaleza, no ano de 2018. ...................................................... 88

Figura 26 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB do interior do

Ceará, no ano de 2018. ........................................................................................ 91

Figura 27 – Situação atual das ETEs do Ceará, com tecnologia reatores UASB, quanto à

produção de energia. ........................................................................................... 96

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LISTA DE QUADROS

Quadro 1 – Contaminantes comumente presentes no biogás e suas adversidades. .................. 35

Quadro 2 – Estimativa de produção de metano e potencial elétrico do biogás. ....................... 36

Quadro 3 – Classificação de tecnologias para tratamento do biogás quanto a sua natureza. ... 44

Quadro 4 – Correspondência das unidades de negócio por bacia administrativa. ................... 55

Quadro 5 – Classificação das ETEs quanto à tecnologia e à tipologia de tratamento. ............. 57

Quadro 6 – Grupos por intervalo populacional. ....................................................................... 59

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Oferta interna de energia no Brasil e no Mundo (%)........................................... 19

Tabela 2 – Perspectivas de crescimento das diversas fontes energéticas no Brasil. ............. 20

Tabela 3 – Comparação do poder calorífico de alguns combustíveis. .................................. 33

Tabela 4 – Composição do biogás originário de diferentes fontes. ....................................... 34

Tabela 5 – Características das ETEs, produção de biogás e potencial de recuperação

energética obtidos da validação do modelo matemático desenvolvido. .............. 39

Tabela 6 – Parâmetros adotados no cômputo do potencial energético a partir do biogás de

reatores UASB. .................................................................................................... 63

Tabela 7 – Relações unitárias de produção de metano, de biogás e de energia em reatores

UASB tratando esgoto doméstico. ...................................................................... 64

Tabela 8 – Dados das ETEs de Fortaleza de acordo com o PMSB, para o ano de 2033....... 65

Tabela 9 – Quantitativo das tipologias adotadas no estado do Ceará. ................................... 68

Tabela 10 – Quantitativo de ETEs por unidade administrativa e por tecnologia. ................... 72

Tabela 11 – Classificação das ETEs do Ceará por porte, quanto à população atendida. ........ 75

Tabela 12 – Classificação das ETEs do Ceará por porte, quanto à vazão afluente. ................ 77

Tabela 13 – Avaliação da produção de biogás e geração de energia térmica das ETEs de

Fortaleza (UN-MTE). .......................................................................................... 85

Tabela 14 – Avaliação da produção de biogás e geração de energia térmica das ETEs da RMF

(UN-BME). ......................................................................................................... 89

Tabela 15 – Avaliação da produção de biogás e geração de energia térmica das ETEs do

interior do Ceará. ................................................................................................. 92

Tabela 16 – Relações unitárias obtidas e classificação das ETEs quanto ao modelo de Lobato

(2011). ................................................................................................................. 93

Tabela 17 – Previsão de consumo elétrico das ETEs aeróbias em Fortaleza, para 2033. ....... 97

Tabela 18 – Avaliação da previsão de produção de biogás e geração de energia elétrica em

Fortaleza, no ano de 2033. .................................................................................. 99

Tabela 19 – Análise financeira da alternativa prevista para Fortaleza, pelo PMSB (2014), em

2033. .................................................................................................................. 104

Tabela 20 – Análise financeira da alternativa proposta para Fortaleza, em 2033. ................ 104

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 16 1

OBJETIVOS ............................................................................................................... 18 2

2.1 Objetivo Geral ............................................................................................................. 18

2.2 Objetivos Específicos .................................................................................................. 18

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 19 3

3.1 As motivações e perspectivas do biogás no cenário energético do Brasil e do

mundo .......................................................................................................................... 19

3.2 A digestão anaeróbia em reatores UASB e a origem do biogás .............................. 28

3.3 Composição, potencial energético e estimativa de perda do biogás oriundo de

reatores UASB ............................................................................................................. 32

3.4 Alternativas de tratamento e análises das aplicações do biogás de ETEs para fins

energéticos ................................................................................................................... 41

MATERIAL E MÉTODOS ....................................................................................... 55 4

4.1 Informações gerais da pesquisa ................................................................................. 55

4.2 Levantamento, quantificação e organização dos dados .......................................... 56

4.3 Estimativas do potencial energético do Ceará ......................................................... 61

4.4 Análise financeira dos cenários avaliados ................................................................ 67

RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................ 68 5

5.1 Das quantidades, tipologias e tecnologias adotadas no Ceará ................................ 68

5.2 Dos portes das estações de tratamento de esgoto ..................................................... 74

5.3 Da capacidade de tratamento das ETEs com tecnologia reatores UASB .............. 80

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5.4 Do potencial atual de produção de biogás no Ceará ............................................... 83

5.5 Do prognóstico energético para as ETEs de Fortaleza ............................................ 96

5.6 Da avaliação econômica das ETEs propostas ........................................................ 102

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ............................................................... 106 6

REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 108

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INTRODUÇÃO 1

Atualmente, já é consenso que água, alimento e energia são três dos recursos que

mais preocupam o mundo quanto à disponibilidade de fontes úteis para benefício da

população. Por causa disso, efluentes domésticos começaram a ser considerados, mais

preferencialmente, como uma fonte desses recursos do que meramente como um rejeito

líquido (McCARTY et al., 2011). Aliado a isso, o aumento dos preços do barril de petróleo, a

possibilidade de desabastecimento energético e o maior crescimento da preocupação

ambiental da população vêm forçando uma mudança na forma de pensar dos grandes

exploradores de fontes energéticas não-renováveis, para que seja dada maior ênfase à

prospecção de tecnologias renováveis, como a solar, a eólica, a marítima e a biomassa

(DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2011).

Essa mudança de paradigma, no que se refere à nova imagem do efluente de

estações de tratamento de esgoto (ETEs), já é uma realidade cada vez mais praticada no

século XXI, pelo menos em países cujos governantes demonstram maior interesse com a

qualidade ambiental e maior conhecimento a respeito da interveniência desse fator aos índices

de qualidade de vida da população regional e global (METCALF e EDDY, 2016). De fato,

sabe-se que, hoje em dia, podem-se recuperar, por meio da utilização de esgotos, nutrientes e

fertilizantes de culturas agrícolas, como nitrogênio (N) e fósforo (P); recursos hídricos, posto

que os efluentes domésticos são compostos de aproximadamente 99,9% de H2O (VON

SPERLING, 1995); e energia, como pela utilização do metano (CH4) contido no biogás,

componente responsável pelo seu poder de queima.

Entretanto, para Makropolus et al. (2018) apud Bressani-Ribeiro et al. (2019), a

recuperação desses recursos geralmente acontece, quando muito, somente em situações

específicas, com motivações extras, por exemplo: condições de seca na região, legislações

e/ou incentivos especiais e posicionamentos favoráveis ao meio ambiente em escala local.

Contudo, no Brasil, principalmente na região Nordeste, a qual convive constantemente com

longas crises hídricas, pouco se investe em práticas voltadas para a recuperação de recursos

oriundos do tratamento de efluentes domésticos.

No âmbito do estado do Ceará, apenas 39% das cidades contemplam sistemas

coletivos de esgotamento sanitário (SES) (CAGECE, 2019). De acordo com Bressani-Ribeiro

et al. (2019), em se tratando das cidades brasileiras, a crítica infraestrutura do saneamento

ambiental é um cenário comum, além de ser amplamente afetado pela falta de interesse de

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mobilização de recursos financeiros para a área, impedindo a concepção de SES baseados nos

princípios de sustentabilidades supracitados, ou seja, de sistemas capazes de promover uma

abordagem integrada para o gerenciamento das fases líquidas, sólidas e gasosas do tratamento

de efluentes domésticos, a fim de se promover a preservação de recursos naturais.

Nesse contexto, a digestão anaeróbia das frações orgânicas de resíduos sólidos

municipais (OFMSW, do inglês Organic Fraction Municipal Solid Waste) tem sido alvo de

estudos nas últimas décadas, a fim de se conceber uma tecnologia que consiga aliar a

estabilização desses resíduos e a recuperação de recursos energéticos em nível mundial

(BALAT e BALAT, 2009). Adicionalmente, para o tratamento anaeróbio de efluentes

domésticos naquelas regiões menos economicamente desenvolvidas e de clima mais tropical,

i.e., no Brasil, Metcalf e Eddy (2016) indicam, fortemente, que a utilização de reatores UASB

é uma alternativa atraente devido aos baixos pré-requisitos de área, baixos custos de

instalação, manutenção e operação, condições climáticas favoráveis para otimização da

geração de biogás e reduzida produção de biomassa (lodo), o que, por conseguinte,

impulsiona a escolha dessa tecnologia de tratamento de efluentes domésticos nessas

localidades.

Estudos em diversas escalas (bancada, piloto e real) e em diferentes localidades

nacionais (regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste) e internacionais (EUA, Colômbia, Alemanha,

entre outros) verificaram que o biogás proveniente de ETEs pode ser aproveitado de inúmeras

maneiras, apresentando versatilidades que permitem a adoção da prática mais apropriada, a

depender da análise das peculiaridades de cada local, tais como recurso financeiro disponível,

temperatura ambiente, porte da ETE, tecnologia de tratamento instalada, concentração de

constituintes no efluente e a finalidade a que o biogás gerado servirá.

Contudo, desconhece-se de um estudo mais detalhado sobre o diagnóstico e

avaliação do potencial de aproveitamento energético do biogás de reatores UASB em ETEs

operadas pela CAGECE, assim como dos benefícios da inclusão de reatores UASB como

opção de rota tecnológica para os sistemas centralizados de tratamento para Fortaleza que a

CAGECE planeja para o futuro.

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OBJETIVOS 2

2.1 Objetivo Geral

Diagnosticar e avaliar o potencial de aproveitamento energético do biogás de

reatores UASB em ETEs operadas pela CAGECE.

2.2 Objetivos Específicos

Estimar e comparar a perda energética do Ceará pelo não aproveitamento do biogás de

reatores UASB;

Classificar as ETEs operadas pela CAGECE quanto ao porte, à capacidade de

tratamento de efluentes e à situação de produção de metano, biogás e energia;

Expor o panorama da CAGECE quanto à utilização de reatores UASB e demais

tecnologias de tratamento de esgotos;

Contribuir para a concepção de ETEs sustentáveis na CAGECE, por meio do

aperfeiçoamento da geração de energia pelo aproveitamento do biogás, sugerindo a

substituição de tecnologias de tratamento de esgoto obsoletas ou que não favoreçam a

produção desse gás;

Promover uma análise econômica da previsão para as estações de tratamento de esgoto

de Fortaleza, contempladas no Plano Municipal de Saneamento Básico, bem como

sugerir uma alternativa mais atraente;

Calcular a geração de créditos de carbono dessas alternativas.

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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3

3.1 As motivações e perspectivas do biogás no cenário energético do Brasil e do

mundo

De acordo com o Ministério de Minas e Energia (MME) (BRASIL, 2018), em seu

estudo intitulado de “Resenha Energética Brasileira”, que avaliou e comparou as matrizes

energéticas do Brasil, dos países componentes da Organização para a Cooperação e

Desenvolvimento Econômico (OCDE) e de outras unidades federativas, percebeu-se que, nos

últimos 45 anos, houve uma significativa mudança no que se refere à oferta energética interna

desses países, como pode ser percebido na Tabela 1. Entretanto, de uma forma geral, foi

notória a redução de 14,4% do consumo de derivados de petróleo para produção de energia,

acompanhado por um discreto aumento de 5,9% e 1,1% de oferta de energia por fontes

renováveis, na OCDE e no mundo, respectivamente.

Vale ressaltar que figuram, na OCDE, 36 países, dentre os quais, os maiores

investidores em energias renováveis, como a Alemanha, além de França, Coreia do Sul,

Estados Unidos, Canadá, Portugal, Israel, Japão e Reino Unido.

Tabela 1 – Oferta interna de energia no Brasil e no Mundo (%).

Fonte Brasil OCDE Outros Mundo

1973 2018 1973 2018 1973 2018 1973 2018

Derivados do

petróleo

45,6 34,4 52,6 35,4 29,9 25,8 46,1 31,7

Gás Natural 0,4 12,5 18,9 27,6 12,9 20,9 16,0 22,7

Carvão Mineral 3,2 5,8 22,6 16,6 31,1 34,4 24,6 26,1

Hidráulica 6,1 12,6 2,1 2,2 1,2 2,6 1,8 2,6

Outras Renováveis 44,8 32,6 2,5 8,4 24,7 13,7 10,6 11,7

Fonte: O autor (2019), adaptado de BRASIL (2018).

Contudo, ao avaliar exclusivamente o Brasil, pode-se perceber que o país foi de

encontro à tendência mundial, visto que se constatou um decréscimo de 12,2% na oferta de

energia por fontes renováveis, bem como um acréscimo no consumo de energia de fonte

hidráulica e de gás natural. Esse fato reflete o esforço (ou a falta dele) quanto à substituição

da matriz de produção de energia brasileira para uma mais limpa e sustentável, significando

uma perda de potencial energético.

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Ainda de acordo com o MME (BRASIL, 2007), em seu estudo quanto à matriz

energética de 2030 do Brasil, a taxa de crescimento dos recursos energéticos para a categoria

“outras fontes primárias renováveis” (biodiesel, biogás e energia eólica), após análise das

perspectivas nos anos de 2005 a 2030, apresentou valor total igual a 8,67% ao ano, cerca de

3,5 vezes superior à taxa para petróleo e derivados (Tabela 2). Isso corrobora o fato de que,

cada vez mais, o cenário para o aumento de investimento em energia renovável está se

tornando favorável e atraente não só para grandes consumidores, como indústrias e grandes

centros comerciais, mas também para pequenos consumidores, como pontos de comércios

simples e residências.

Tabela 2 – Perspectivas de crescimento das diversas fontes energéticas no Brasil.

2005-2010

(%) aa

2010-2020

(%) aa

2020-2030

(%) aa

2005-2030

(%) aa

Energia não-renovável 5,6 3,1 3,3 3,65

Petróleo e derivados 2,8 2,1 2,7 2,47

Gás natural 12,7 4,3 4,3 5,92

Carvão mineral 7,8 4,2 2,4 4,20

Urânio e derivados 12,7 8,0 5,4 7,87

Energia renovável 4,3 4,3 3,6 3,99

Hidroeletricidade 3,1 3,7 3,2 3,42

Lenha e carvão vegetal -0,2 0,0 0,9 0,30

Etanol 5,5 5,9 4,0 5,04

Outras fontes primárias

renováveis

18,4 7,5 5,2 8,67

Fonte: O autor (2019), adaptado de BRASIL (2007).

Devido ao constante aumento da preocupação com a causa ambiental e ao

desenfreado consumo de recursos naturais, vem-se pesquisando tecnologias renováveis e

economicamente viáveis, que possam substituir as convencionais, dando preferência àquelas

que apresentam alto potencial energético e baixo custo de implantação/manutenção. A

utilização de recursos renováveis tem, também, o importante papel de reduzir emissões

gasosas de CO2 mundialmente, e a energia proveniente de biomassa e de resíduos tornou-se

uma forte candidata devido ao fato de garantir continuidade de geração ao longo do ano e em

diversas regiões do mundo, diferentemente de outras energias renováveis, e.g.: solar e eólica,

que são mais dependentes da época do ano e da posição geográfica do local de produção

(LISOWYJ e WRIGHT, 2018). Os autores complementam que a prática de produção de

energia por meio de resíduos, WtE (do inglês, Waste do Energy), é ideal no sentido de evitar a

competição por área agriculturável (para produção de alimentos) e demais usos do solo.

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Uma alternativa que faz parte do grupo de “outras fontes primárias renováveis”,

da Tabela 2, e que se encaixa no perfil supracitado é a utilização do biogás para produção de

energia, em especial do biogás proveniente do tratamento de esgotos, por meio de reatores

UASB (do inglês Upflow Anaerobic Sludge Blanket), visto que o Brasil é considerado

detentor do maior parque de reatores anaeróbios aplicados para tratamento de efluentes do

mundo (CHERNICHARO et al., 2018a), o que pode ser explicado pelo fato de que, como

apontado em inúmeros estudos, haver uma economia efetiva, principalmente na associação de

reatores UASB com pós-tratamento aeróbio, dos custos de implantação (CAPEX), em torno

de 20 a 50%, e de operação (OPEX), superior a 50%, quando comparados à tecnologia de

lodos ativados (SILVA, 1993; ALEM SOBRINHO e JORDÃO, 2001; von SPERLING e

CHERNICHARO, 2005; CHERNICHARO, 2006, apud CHERNICHARO et al., 2018a).

Para Lisowyj e Wright (2018), a produção de energia por meio do biogás

proveniente da digestão anaeróbia está se tornando cada vez mais viável devido ao fato de que

legislações prevendo essa tecnologia continuam em ascensão quanto a sua importância para a

população mundial. Dessa forma, os autores imaginam que, após maiores aprofundamentos

para aperfeiçoar a eficiência do processo, aumentando a recuperação de metano e diminuindo

os custos, a utilização de biogás para fins energéticos será capaz de substituir o emprego de

combustíveis fósseis e promover uma rota de redução da emissão de metano de reatores

anaeróbios na atmosfera.

Essas constatações tornam o uso de reatores UASB, seja como tratamento único,

seja seguido de algum pós-tratamento, uma tendência no que concerne o tratamento de

esgotos no Brasil, como foi fortalecido por Chernicharo et al. (2018a), que constataram, após

a totalidade de 1.667 ETEs inventariadas nas regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste, o emprego

de 40%, aproximadamente, de reatores UASB nessas estações, expressando a elevada

aceitação desta tecnologia como, pelo menos, primeiro estágio no tratamento de esgotos,

independentemente do porte da ETE, como pode ser verificado na Figura 1.

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Figura 1 – (a) Número de ETEs por categoria de município; (b) Número

total de ETEs por tecnologia.

Fonte: CHERNICHARO et al. (2018a).

CHERNICHARO et al. (2018a) perceberam que, em que pese apenas as ETEs

com população equivalente acima de 100.000 habitantes (totalizando 10,7 milhões de

contribuintes de esgoto), o potencial energético diário com o uso de reatores UASB atinge

cerca de 110.000 Nm³ de CH4, i.e., o equivalente a 108,1 GWh.ano-1

de produção de energia

elétrica. Esse valor energético seria o suficiente para abastecer aproximadamente 48.830

residências, podendo atingir números até maiores, caso haja aperfeiçoamento de reatores

obsoletos tecnologicamente, melhoria no sequestro de metano dissolvido no efluente, maior

estanqueidade para evitar vazamentos de biogás para a atmosfera e minimização de ligações

clandestinas de água pluvial na rede coletora de esgoto.

Adicionalmente, o aproveitamento do biogás proveniente de reatores UASB

também apresenta os seguintes benefícios, direto e indiretamente (ROSA et al., 2016;

LOBATO, 2011; IPCC, 2013, apud CABRAL et al., 2016; MOREIRA et al., 2018;

POSSETTI et al., 2018; CHERNICHARO et al., 2010; SHEN et al., 2015):

a. Descentralização da geração de energia, reduzindo a sobrecarga das

concessionárias de energia em subestações mais distantes dos grandes centros

metropolitanos e minimizando a dependência energética da região, além de

transformar ETEs (potenciais geradoras de impactos ambientais e onerosas à

administração pública) em centros de geração de lucro e renda;

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b. Perspectiva de lucro adicional pela produção e comercialização de

energia elétrica, medida já prevista nas normas das agências reguladoras de

energia, bem como a utilização de um subproduto do tratamento de esgotos,

ou seja, agregando valor econômico a um rejeito, além da possibilidade de

geração de empregos verdes (atividades na agricultura, indústria, pesquisa e

administração que contribuem para a preservação ou recuperação da qualidade

ambiental);

c. Redução do consumo e dos gastos com a energia elétrica proveniente

dessas concessionárias, possibilitando a utilização da eletricidade proveniente

de um gerador de energia a biogás para o acionamento de equipamentos na

própria ETE, como sopradores, dosadores de produtos químicos,

computadores, lâmpadas e bombas hidráulicas, fomentando a ideia de ETEs

sustentáveis e produzindo créditos de carbono por meio do uso de energia

renovável;

d. Oportunidade de cogeração de calor, para cocção ou em forma de vapor,

que poderá ser utilizado na secagem térmica de lodo e escuma, favorecendo

maior controle sanitário e reduzindo os custos no transporte e na disposição

final do lodo, o qual poderá ser aproveitado na agricultura (incentivando a

agricultura familiar, o uso de efluentes no lugar de fertilizantes sintéticos, a

minimização do volume e peso de resíduos sólidos direcionados a aterros

sanitários e a economia de água na irrigação de culturas, reduzindo, de uma

forma geral a contaminação e a depleção de recursos naturais como os

recursos hídricos superficiais e subterrâneos);

e. Minimização do efeito estufa tanto pela redução da emissão de metano

(CH4), uma vez que este apresenta potencial de aquecimento

aproximadamente 25 vezes maior quando comparado ao gás carbônico (CO2),

como pelo aumentado sequestro de carbono das medidas do item “d”, e.g., ao

reduzir a quantidade de lodo transportado, também há menos emissões de CO2

nesse serviço;

f. Mitigação das emissões de maus odores no entorno da ETE, além de

reduzir os índices de reclamação da vizinhança, uma vez havendo a retenção

ou eliminação dos diferentes causadores de odor que podem compor o biogás

(principalmente o gás sulfídrico, H2S, e outros compostos orgânicos voláteis),

em detrimento da liberação desse gás in natura na atmosfera.

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Portanto, pode-se afirmar que a alternativa de geração energética por meio da

utilização do biogás resultante da digestão anaeróbia de reatores UASB promove benefícios

holísticos, uma vez que se podem perceber melhorias nos ramos da economia, do social, do

meio ambiente, do clima, da seguridade energética e da saúde pública.

Embora, no Brasil, ainda seja incipiente (MOREIRA et al., 2018), diversos países

já estão investindo em tecnologias renováveis para incentivar a geração de energia sustentável

há anos, não somente por meio do aproveitamento de biogás oriundo de reatores UASB,

como, inclusive, foi constatado pela Tabela 1. De fato, os países europeus, desde o

firmamento do Protocolo de Quioto, em 1997, vêm substituindo, gradativamente, o uso de

fontes fósseis para fins geração de energia por medidas sustentáveis de igual ou maior

eficiência energética, integração entre os sistemas energéticos dos países desse continente, uso

de veículos elétricos, investimento em transportes de massa e uso de tecnologias da

informação e comunicação para integração dos sistemas elétricos, entre outras medidas

(SÜHLSEN e HISSCHEMÖLLER, 2014, apud MARIANI, 2018).

Em adição a todas as potencialidades ora apresentadas, ainda de acordo com

Mariani (2018), o biogás se tornou mais atrativo nos países europeus, pois a substituição do

gás natural importado da Rússia pelo biogás garantiria menor dependência desse país e,

consequentemente, maior segurança energética. Isso foi intensificado, nesse continente, por

meio de diversas políticas públicas, bem como incentivos econômicos e regulatórios.

Ademais, houve também o início a cultivos de substratos energéticos, como o milho e outros

grãos, além de resíduos, visando à produção de biogás com maior poder calorífico.

Nesse sentido, dos países da Europa que investiram no uso de biogás para fins

energéticos – Suíça, Suécia, Itália e os países do Reino Unido – Alemanha e Áustria figuram

nas posições de maior destaque. Em contrapartida, fora da Europa, pode-se citar, na região do

sudeste asiático e do pacífico leste, Bangladesh, Nepal, Paquistão e Vietnã, além de China e

Índia, que são os maiores produtores de energia por meio de biogás proveniente de

biodigestores em escala doméstica e rural, diferentemente dos países da Europa, que possuem,

em sua maioria, reatores de escala produtiva (GWADR, 2015; MARIANI, 2018).

A Figura 2 mostra o crescimento, em números absolutos e pontos percentuais, da

quantidade de plantas de biogás na Europa, a partir do ano de 2009, em que houve a definição

de metas para redução de gases de efeito estufa na União Europeia. Desse ano até 2016,

percebeu-se o surgimento de mais de 17 mil plantas de biogás, ou seja, quase três vezes

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superior à totalidade em 2009. Por fim, Mariani (2018) afirma que, embora o número absoluto

tenha crescido, a redução de subsídios tarifários governamentais para geração de energia

elétrica fez a taxa (percentual) de crescimento declinar.

Como uma das maiores referências na área, a Alemanha tem focado no aumento

da utilização de energia renovável de 9,1% para 20% até 2020, desenvolvendo um programa

climático que alinhou a redução de GEE e a geração de energia, no qual foi previsto que a

geração de 25 a 30% de eletricidade e 14% de calor deveria ser de fontes renováveis

(PÖSCHL et al., 2010). Para isso, percebeu-se que uma das estratégias para atendimento

desses parâmetros seria também a utilização do biogás proveniente da digestão anaeróbia. De

fato, Rosa (2013) constatou que, em 2006, a Alemanha já apresentava 778 ETEs com

recuperação do biogás para fins energéticos – destacando a geração de eletricidade (75%),

produção de calor (15%), queima em flares (6%) e usos públicos fora do terreno das ETEs

(3%) –, o que, em termos populacionais, correspondia ao atendimento a 72 milhões de

habitantes. Em dados mais atualizados, percebeu-se que, para ETEs do país em questão, a

produção de eletricidade e de calor a partir do biogás correspondeu a ordens de 11,5 a 22,0

kWh.hab-1

.ano-1

(BRASIL, 2015a).

Figura 2 – Incremento (em azul) na quantidade de plantas de biogás na Europa.

Fonte: EBA (2018), apud MARIANI (2018).

Na América do Norte, para análise do cenário dos Estados Unidos, uma das

maiores potências mundiais, os autores Shen et al. (2015) aferiram que, em média, a vazão de

esgoto tratado no país atinge a marca de 32.345 milhões de galões por dia (aproximadamente

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1,22*108 milhões de metros cúbicos por dia), consumindo 30,2 bilhões de kWh.ano

-1 de

energia, o equivalente a 3-4% da demanda do país inteiro, agravado pela emissão de 21

milhões de toneladas de gases de efeito estufa. Da vazão total apresentada, os autores

constataram que uma fração de 48% é digerida de forma anaeróbia, representando o potencial

para geração de biogás. Por outro lado, em 2015, o governo dos EUA promulgou a “Ordem

Executiva 13693: Planejando a Sustentabilidade na Nação até 2025”, a qual decretou que a

eletricidade consumida pelo governo federal originária de fontes renováveis deve aumentar de

8,3% para 30% na próxima década (LISOWYJ e WRIGHT, 2018). Dessa porcentagem

aferida em 2015, os autores constataram que apenas 11,5% eram derivadas de biomassa,

representando um interessante campo para investimentos na digestão anaeróbia e utilização do

biogás.

Vale ressaltar que a pesquisa em análise mostrou que os maiores custos em ETEs

(acima de 30% do total gasto com atividades de operação e manutenção) são com eletricidade.

Entretanto, embora a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (USEPA) tenha

reportado que 1484 ETEs produzem biogás anaerobiamente pela digestão de lodo (USEPA,

2011, apud SHEN et al., 2015), menos de 10% delas reaproveitam o biogás para produção de

calor e/ou eletricidade a fim de reduzir os custos energéticos e a pegada de carbono, devido às

emissões de GEE, das estações (SHEN et al., 2015).

Durante a última década, houve também um maior interesse por biodigestores

anaeróbios domésticos na América do Sul, visto que o biogás gerado por tais sistemas pode

ser usado para cozinhar, substituindo a lenha (GWADR, 2015). Essa alternativa permitiu que

houvesse menor desmatamento de florestas para produção de lenha, diminuição dos gastos

domésticos com combustíveis e fertilizantes agrícolas, e a redução do trabalho das donas de

casa e das suas crianças que, previamente, eram responsáveis pela coleta da lenha.

Nacionalmente, o Projeto Brasil-Alemanha de Fomento ao Aproveitamento

Energético de Biogás no Brasil (PROBIOGÁS), com validade de 2013 a 2017, consistiu em

uma iniciativa entre o governo brasileiro, pela Secretaria de Saneamento Ambiental, do

Ministério das Cidades, e o governo alemão, pela Deutsche Gesellschaft für Internationale

Zusammenarbeit GmbH (GIZ), a fim de colaborar para a disseminação do uso energético e

eficiente do biogás, reduzindo, consequentemente, as emissões de GEE, uma vez que foi

notado que a maior parte das ETEs brasileiras, com recuperação de biogás, desperdiçam o

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potencial energético, econômico, social e ambiental do metano, por simplesmente queimá-lo,

quando muito, antes do lançamento na atmosfera (BRASIL, 2015a).

O Resumo Técnico do 4º Workshop Internacional sobre aproveitamento

energético de biogás de ETEs (BRASIL, 2016a), promovido também pelo PROBIOGÁS,

relatou que mediante uma amostragem em torno de 74 milhões de habitantes, a contribuição

de aproximadamente 23 milhões de pessoas é atendida por 637 ETEs com a presença de

reatores UASB, o que explicita a grande capacidade dessa tecnologia no país. Foi destacado

que se sanados os maiores problemas que levam ao baixo sequestro desse gás nos reatores

UASB, o aproveitamento de biogás produzido em ETEs que atendem mais de 100.000

habitantes seria suficiente para suprir mais de 10% da demanda de energia elétrica do setor,

justificando a necessidade de aprofundamento em estudos de viabilidade nesse ramo.

Nesse mesmo relatório (BRASIL, 2016a), foi pontuado que um dos maiores

obstáculos para o aproveitamento energético do biogás que precisa ser transposto é de ordem

cultural, i.e., profissionais da área (projetistas, operadores e gestores do setor de saneamento)

necessitam alterar suas percepções a respeito das ETEs atuais, pois, mesmo não faltando

conhecimento técnico, falta consenso quanto à importância da gestão integrada e sustentável

para valorizar o tratamento de esgoto no país, impedindo o desenvolvimento do saneamento

ambiental brasileiro. Portanto, a renovação dessa postura é essencial para utilizar o biogás

como propulsor do setor de esgotamento sanitário do Brasil.

Lobato et al. (2009) concordam que, em se tratando do cenário brasileiro, espera-

se, no futuro, um maior aproveitamento do biogás, principalmente devido à crescente onda de

implementação de reatores anaeróbios no tratamento de efluentes industriais, bem como de

aterros sanitários com sistema de biogás, para fins de secagem térmica de lodo, geração de

vapor em agroindústrias, fornecimento de eletricidade para uso local e distribuição de biogás

para pequenas populações vizinhas usarem no cozimento de alimentos.

De fato, a tecnologia de reatores UASB ainda sofre desafios que impossibilitam

seu máximo desempenho operacional, abrangendo todas as fases, da mais inicial até o seu

comissionamento: problemas técnicos de concepção, processos construtivos inadequados e

obstáculos operacionais, incluindo questões essenciais e externas ao terreno físico da ETE,

como falhas administrativas e financeiras (CHERNICHARO et al., 2018a) e mão de obra não

qualificada, principalmente de operadores das estações. Logo, a utilização do biogás

proveniente desses digestores geraria incentivos para o investimento nessa tecnologia de

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tratamento de esgotos, de modo que não houvesse prejuízos para o futuro do setor de

esgotamento sanitário brasileiro e evitando impactar, sem precedentes, a aceitação da

tecnologia anaeróbia no Brasil.

Há que se dizer também que é necessária uma maior integração entre órgãos

públicos e privados, incluindo universidades e indústrias, a fim de promover uma melhor

estruturação logística e legal, bem como desenvolvimento tecnológico, para melhoramento de

redes de distribuição e comercialização do biogás, visto que: (a) a regulação existente é

específica para o biometano proveniente de resíduos orgânicos, não existindo uma legislação

para o biogás de gás de aterro e esgoto sanitário, sendo permitido seu uso apenas para fins

empíricos (ANP, 2015); e (b) as soluções tecnológicas atuais, sob o ponto de vista econômico,

ainda impedem a produção e o uso do biogás, mesmo que em menor escala, interferindo na

sua entrada na matriz energética brasileira, bem como diminuindo sua competitividade em

relação aos combustíveis de origem fóssil (BRASIL, 2017).

3.2 A digestão anaeróbia em reatores UASB e a origem do biogás

O processo de remoção da matéria orgânica em reatores UASB segue as etapas

indicadas na Figura 3 e descrição específica a seguir:

a. Hidrólise: consiste no primeiro processo da digestão anaeróbia, em que os

compostos orgânicos complexos (polímeros) são quebrados por meio de

exoenzimas liberadas pelas bactérias fermentativas (nesse caso, diversos

organismos anaeróbios facultativos e obrigatórios entram em ação), originando

compostos orgânicos simples (monômeros), solúveis em água, como

mono/dissacarídeos, ácidos graxos de cadeia carbônica longa e glicerina,

(poli)peptídeos e aminoácidos (METCALF e EDDY, 2016; CHERNICHARO,

2016; VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994; DEUBLEIN; STEINHAUSER,

2011). Ainda de acordo com Van Haandel e Lettinga (1994), este processo é

considerado o limitante para o processo da digestão anaeróbia, devido,

principalmente, à baixa taxa de quebra de lipídios em determinadas temperaturas.

b. Acidogênese: a segunda etapa do processo, também chamada de fermentação ou

oxidação anaeróbia (METCALF e EDDY, 2016), é caracterizada pela absorção do

material hidrolisado e solúvel no meio, bem como pela produção de ácidos graxos

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voláteis (AGV) por bactérias fermentativas acidogênicas, que, em sua maioria, são

anaeróbias restritas (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994). Ao final deste

processo, os produtos originados serão mais simples do que os da fase anterior,

originando um conjunto de substâncias essenciais para as bactérias acetogênicas e

as arquéias metanogênicas das fases posteriores (CHERNICHARO, 2016).

c. Acetogênese: nesta fase, entram em ação as bactérias sintróficas acetogênicas,

como define Chernicharo (2016), que são as responsáveis pela continuidade da

fermentação de compostos intermediários da acidogênese para geração dos

substratos precursores do metano, ideais para as arquéias metanogênicas:

hidrogênio, dióxido de carbono e acetato (CH3COO-) em equilíbrio químico com

ácido acético (CH3COOH). Adicionalmente, existem microrganismos denominados

homoacetogênicos (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2011), consumidores de

hidrogênio, convertendo, paralelamente, hidrogênio e gás carbônico em acetato. Os

autores também destacam que as bactérias acetogênicas são produtoras obrigatórias

de H2, embora estas não consigam sobreviver em meio ácido (com elevadas

concentrações de hidrogênio dissolvido). Portanto, para que o equilíbrio da

microbiota possa ser mantido, essas bactérias devem viver em simbiose com

organismos consumidores de hidrogênio e acetato, i.e., as arquéias produtoras de

metano (metanogênicas), que por sua vez, só conseguem sobreviver em ambientes

com elevadas concentrações de H2 no meio, estabelecendo um relacionamento

sintrópico mutualmente benéfico, ou seja, um mutualismo entre esses domínios.

d. Metanogênese: a etapa final é a que efetivamente sintetiza metano e consiste na

atividade de arquéias metanogênicas acetoclásticas, as quais usam o acetato como

fonte de carbono e de energia para produção de gás carbônico e metano –

–, e de arquéias metanogênicas hidrogenotróficas,

responsáveis por capturar hidrogênio (fonte de energia, ou seja, doador de elétrons)

e dióxido de carbono (fonte de carbono e aceptor ou receptor final de elétrons) para

também produção de metano – – (CHERNICHARO,

2016; VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994). Chernicharo (2016) ainda frisa que

esses microrganismos são estritamente anaeróbios e sobrevivem satisfatoriamente

em ambientes onde não há (ou há em baixas concentrações) aceptores finais de

elétrons, como O2, NO3-, Fe

3+ e SO4

2-, conforme mencionado anteriormente, pois

tais arquéias apresentam certa especificidade e utilizam somente uma quantidade

reduzida de substratos (por exemplo: ácido acético, hidrogênio e dióxido de

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carbono, ácido fórmico, entre outros), i.e., a presença dos outros aceptores

deslocaria a reação para rotas preferenciais, interferindo negativamente na

formação de metano, fato que não seria desejável sob o ponto de vista de

aproveitamento energético do biogás.

Figura 3 – Processo de digestão anaeróbia e redução de sulfato.

Fonte: O autor (2019), adaptado de CHERNICHARO (2016); DEUBLEIN e STEINHAUSER (2011).

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Como relatado previamente, um problema bastante comum e que merece ser

destacado é a possível simbiose de bactérias acetogênicas com bactérias sulfato-redutoras

(também estritamente anaeróbias) em vez de com arquéias metanogênicas, diminuindo a

produção de metano, aumentando a geração de sulfeto de hidrogênio (H2S) (DEUBLEIN e

STEINHAUSER, 2011) e, consequentemente, prejudicando a qualidade do biogás gerado.

A redução dissimilativa (ou desassimilatória) do sulfato, ou, como é mais

conhecida, sulfetogênese consiste na redução, em ambientes anaeróbios, do íon sulfato (SO4-)

em sulfeto de hidrogênio, por bactérias denominadas de sulfato-redutoras (SRB, do inglês

Sulfate Reducing Bacteria), provocando, normalmente, a oxidação da matéria orgânica

presente no meio (TSUTIYA e SOBRINHO, 2000). As SRBs, então, utilizam o sulfato como

aceptor final de elétron no processo de respiração anaeróbia e fonte de enxofre para geração

de energia para seu metabolismo (LOPES, 2010).

Devido à capacidade de as SRBs utilizarem o acetato e o hidrogênio, desviando a

reação para uma rota alternativa e produzindo menos metano – produto desejável na digestão

anaeróbia –, unido ao fato de que a formação do gás sulfídrico acontece anteriormente à

metanogênese, devem ser evitadas, ao máximo, altas quantidades de sulfato no esgoto e no

reator para que a sulfetogênese não se torne bastante pronunciada e culmine na inibição da

geração de CH4 (NUVOLARI, 2011; DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2011). Caso contrário,

as SRBs estabelecerão uma relação de competição pelos mesmos substratos com os

microrganismos fermentativos, acetogênicos e metanogênicos, reduzindo a formação de CH4

como consequência da perturbação nos processos descritos na Figura 3, que esquematiza a

clássica e amplamente difundida representação da digestão anaeróbia (CHERNICHARO,

2016).

Especificamente a respeito deste processo em efluentes sanitários, em uma

abordagem estequiométrica, Deublein e Steinhauser (2011) descreveram o processo de

digestão anaeróbia por meio de uma equação química geral, incorporando, como se pode

perceber, uma parcela referente aos constituintes orgânicos presentes em maior abundância

nos esgotos: carboidratos, lipídios e proteínas, como citado por Van Haandel e Lettinga

(1994). Essa parcela está representada pelo primeiro termo da Equação 1, o qual também

determina a quantidade de produtos do restante da reação química, como pode ser visto nas

Equações 4, 5 e 6, para cada um dos constituintes supracitados.

𝒄 𝒉 𝒐𝑵𝒏𝑺𝒔 𝒚 𝒙 𝒏𝑵 𝒔 𝑺 (𝒄 − 𝒙) (1)

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Em que,

𝒙 =𝟏

𝟖( 𝒄 𝒉 − 𝟎 − 𝒏 − 𝒔) (2)

𝒚 =𝟏

( 𝒄 − 𝒉 − 𝟎 − 𝒏 𝒔) (3)

Para a oxidação de carboidratos:

𝟔 𝟏 𝟔 (4)

De lipídios:

𝟏 𝟔 𝟗

𝟏𝟓

(5)

E de proteínas:

𝟏 𝟓 𝟕𝑵 𝑺 𝟔 𝟏

𝟏

𝑵 𝑺 (6)

Mesmo sendo expressas como um só processo (Equação 1), percebem-se, na

digestão anaeróbia, quatro fases (as três primeiras compõem a fermentação ácida, e a última

também pode ser chamada de fermentação metanogênica), das quais fazem parte os

respectivos microrganismos facilitadores e responsáveis das reações descritas na sequência

(VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994).

Antes, embora a formação de H2S seja um processo concomitante à digestão

anaeróbia e não uma fase desta, é importante ainda ressaltar o fato de que, como as

concentrações de proteína encontradas em efluentes domésticos costumam ser elevadas, e a

digestão anaeróbia delas, representada pela Equação 6, gera H2S – componente do biogás

capaz de danificar peças metálicas e também responsável pelo forte odor característico de ovo

podre, em ETEs anaeróbias (CHERNICHARO et al., 2010) –, costuma-se destacar este

fenômeno para maior controle da quantidade deste gás indesejado e, a esta reação, dá-se o

nome de sulfetogênese, cuja intensidade e predominância dependerão da concentração de

sulfato no meio (CHERNICHARO, 2016).

3.3 Composição, potencial energético e estimativa de perda do biogás oriundo de

reatores UASB

Embora comumente se faça associação ao metano, seu componente mais

importante, o biogás, na verdade, é uma mistura de gases de composição variada, de acordo

com o tipo e a concentração de matéria orgânica submetida à digestão anaeróbia, bem como

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dependente das condições físico-químicas do biodigestor – comentadas no item 3.2 – e das

comunidades de organismos presentes nele (NOYOLA et al., 2006). Por exemplo, em se

tratando do biogás gerado por reatores UASB, especificamente, Van Haandel e Lettinga

(1994) e Chernicharo (2016) afirmam que se podem encontrar teores elevados de CH4 (70-

80%), complementados por CO2 em menor concentração, uma vez que a solubilidade do

dióxido de carbono em água é bem maior (devido à formação de íons bicarbonato) do que a

do metano, o qual rapidamente se desprende da fase líquida e é liberado sob a forma de bolhas

de gás.

Por outro lado, para Balat e Balat (2009), o teor de metano em reatores anaeróbios

tratando efluente doméstico atingiria valores máximos em torno de 55 a 65% em volume,

enquanto que o teor de CH4 no gás natural atinge 90 a 95%, o que fez os autores concluírem

que o biogás pode ser considerado um gás natural de qualidade inferior. Logo, faz-se

necessária a determinação do percentual de metano como importante parâmetro de análise,

pois é esse componente que configura, ao biogás, seu poder calorífico, isto é, o valor

energético do biogás é diretamente proporcional ao teor de CH4 (METCALF e EDDY, 2016),

como pode ser analisado na Tabela 3, a qual, além de comparar o Poder Calorífico Inferior

(PCI) do biogás a outros combustíveis, também analisa a influência do teor de metano e gás

carbônico no peso específico deles.

Tabela 3 – Comparação do poder calorífico de alguns combustíveis.

Combustível Peso Específico (kg/Nm³) PCI (kcal/kg)

Biogás (40% CH4, 60% CO2) 1,4643 2.338,52

Biogás (60% CH4, 40% CO2) 1,2143 4.229,98

Biogás (75% CH4, 25% CO2) 1,0268 6.253,01

Biogás (95% CH4, 5% CO2) 0,7768 10.469,60

GLP 552(líq.) 2,29(gás) 11.026

Propano Não disponível 22.000

Gás Natural Não disponível 8.554

Lenha 390 2.530

Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de ALVES (2000); AVELLAR (2001), apud COSTA (2006).

Entretanto, é consenso que há outros gases na composição do biogás que, mesmo

em menores porcentagens, não deixam de ser menos importantes devido aos efeitos adversos

que eles provocam à qualidade do biogás destinado à produção de energia renovável, e.g.,

monóxido de carbono (CO), amônia (NH3), nitrogênio gasoso (N2), hidrogênio gasoso (H2),

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gás sulfídrico ou sulfeto de hidrogênio (H2S), vapor de água, argônio (Ar), mercaptanas de

baixo peso molecular (R-SH), siloxanos (H(OSiH2)n) e demais compostos orgânicos voláteis

(COVs) (LISOWYJ e WRIGHT, 2018; BALAT e BALAT, 2009; METCALF e EDDY, 2016;

CABRAL, 2016; LOBATO, 2011). Embora o H2S seja o gás odorante mais característico de

ETEs anaeróbias e o mais associado ao biogás, fato que o leva a ser, muitas vezes, o único

parâmetro utilizado por especialistas quanto ao tratamento de odores, outros potenciais

compostos odorantes achados frequentemente em estações de esgoto são: sulfeto óxido de

enxofre (COS), dissulfeto de carbono (CS2), tiofenos (C4H4S), dimetiltrissulfeto ((CH3)2S3),

aminas orgânicas e inorgânicas, ácidos orgânicos, aldeídos e cetonas (ALLEN e PLANK,

1993, apud NOYOLA et al., 2006). A Tabela 4 compara a composição de biogás de

diferentes fontes, incluindo os gases mais comumente encontrados.

Tabela 4 – Composição do biogás originário de diferentes fontes.

Componente Unidade

Composição volumétrica típica por fonte de biogás

Reatores

UASB

Aterro

sanitário Agropecuário

Biodigestor

de lodo

CH4 % 60 a 85 45 a 50 50 a 80 60 a 70

CO2 % 5 a 15 30 a 45 30 a 50 20 a 40

CO % 0 a 0,3 0 a 0,2 - -

N2 % 10 a 25 0 a 15 - < 2

H2 % 0 a 3 Traços a > 1 0 a 2 -

H2S ppmv 1000 a 2000 10 a 200 100 a 700 Até 1000

O2 % Traços 0,8 - -

NH3 % Traços Traços Traços Traços

Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de BEN et al. (2013); DEUBLEIN e STEINHAUSER (2011); CABRAL

(2016).

Adicionalmente, o Quadro 1 fornece compostos indesejados e comuns em biogás

de reatores UASB, bem como os potenciais efeitos negativos dessas substâncias. Logo, faz-se

necessária a identificação prévia dessas substâncias, para que a melhor tecnologia de

purificação do biogás seja implementada, potencializando a remoção dos compostos

sulfurosos e vapor de água e diminuindo a diluição do biogás em outros gases inertes, como o

N2. Dessa forma, será possível obter um biocombustível mais aperfeiçoado e com uma

potente condição de combustão.

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Quadro 1 – Contaminantes comumente presentes no biogás e suas adversidades.

Impurezas Efeitos negativos para o aproveitamento energético do biogás

Dióxido de

carbono

Formação de ácido carbônico, causando degradação de peças mecânicas do

gerador elétrico.

Água Favorece a corrosão nos sistemas de digestão anaeróbia.

Sulfeto de

hidrogênio

Produção de ácido sulfúrico (H2SO4), o qual, além de tóxico, também é

corrosivo.

Oxigênio

Presente no biogás quando há inadequada estanqueidade no sistema de

digestão anaeróbia, podendo resultar em uma mistura gasosa CH4/O2

inflamável.

Compostos

orgânicos

voláteis

Presentes sob a forma de hidrocarbonetos halogenados, alifáticos e aromáticos,

além de compostos oriundos da redução de enxofre, promovem a precipitação

de compostos insolúveis, causando depósitos no biodigestor e obstrução nas

peças do sistema anaeróbio. Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de LISOWYJ e WRIGHT (2009).

Como já previamente discutido, a proporção de cada gás é um produto

multifatorial. Portanto, para Metcalf e Eddy (2016), as Equações 1 a 6 demonstram certa

importância, já que têm o intuito de correlacionar as concentrações de carga orgânica do

esgoto degradado anaerobiamente em razão do volume produzido de cada composto dessa

mistura gasosa, para melhor estimativa da qualidade e do potencial energético do biogás,

estabelecendo uma relação molar estequiométrica que visa a descrever a conversão do

carbono da matéria orgânica em CH4 e CO2, do nitrogênio em NH3 e do enxofre em H2S,

como verificado primeiramente por Buswell e Mueller (1952), apud Metcalf e Eddy (2016) –

que contabilizaram, originalmente, apenas o carbono, hidrogênio e oxigênio presentes com o

volume de metano e dióxido de carbono produzidos anaerobiamente – e, posteriormente,

Parkin e Owen (1986) e Tchonobanoglous et al. (2003), apud Metcalf e Eddy (2016),

complementaram essa reação ao incluírem o nitrogênio e o enxofre presentes na matéria

orgânica para contabilização dos volumes de amônia e gás sulfídrico produzido.

De acordo com Chernicharo (2016), existem duas formas de se quantificar a

geração de metano em um reator UASB: a partir da composição química do despejo ou a

partir da DQO degradada ou removida. Esta, por sua vez, corresponde a uma parcela da DQO

total (ou aplicada) que entra no sistema, sendo a outra parcela correspondente à DQO não

degradada (ou não removida) e que, portanto, permanece no reator ou é perdida no efluente.

Logo, partindo do princípio de que um mol de metano reage com dois mols de oxigênio para

que ocorra sua completa oxidação a gás carbônico e água ( ), é

necessária haver a degradação de 64g de DQO para que sejam formados 16g de CH4, ou

ainda, em se tratando de gases, é possível prever que, nas Condições Normais de Temperatura

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e Pressão (CNTP), há a formação de 350 mL de metano para cada grama de DQO degradada.

O Quadro 2 resume as equações essenciais para o cômputo teórico da geração de metano no

tratamento anaeróbio de esgoto.

Quadro 2 – Estimativa de produção de metano e potencial elétrico do biogás.

Processo Equação Observações

Degradação de

DQO 𝑫𝑸 𝒓𝒆𝒎𝒐𝒗 = 𝑸 × (𝑺𝟎 − 𝑺)

DQOremov = carga de DQO removida

no reator (kgDQO.dia-1

)

Q = vazão afluente (m³.dia-1

)

S0 = concentração de DQO afluente

ao sistema (kgDQO.m-³)

S = concentração de DQO efluente ao

sistema (kgDQO.m-³)

Produção de

metano 𝑸 =

𝑫𝑸 𝑲(𝑻)

QCH4 = vazão de metano produzido

(m³.dia-1

)

DQOCH4 = carga de DQO removida

no reator e convertida em metano

(kgDQO.dia-1

)

K(T) = fator de correção para a

temperatura operacional do reator

Determinação do

fator de correção 𝑲(𝑻) =

𝑷 ×𝑲

𝑹 × ( 𝟕 , 𝟏𝟓 𝑻)

P = pressão atmosférica (1 atm)

K = concentração de oxigênio

dissolvido (COD) para remoção de

um mol de CH4 (64 gDQO.mol-1

)

R = constante dos gases (0,08206

atm.L.mol-1

.K-1

)

T = temperatura operacional do reator

(ºC)

Total de DQO

removida 𝑫𝑸 𝒓𝒆𝒎𝒐𝒗 = 𝑫𝑸 𝑫𝑸 𝒍𝒐𝒅𝒐

Entende-se que a DQO removida

corresponde ao somatório da DQO

transformada em metano e DQO

convertida em biomassa

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DQO convertida

em biomassa 𝑫𝑸 𝒍𝒐𝒅𝒐 = 𝒀𝒐𝒃𝒔 ×𝑫𝑸 𝒂𝒑𝒍

Yobs = coeficiente observado de

produção de sólidos no sistema,

variando, no Brasil, entre 0,11 a 0,23

kgDQOlodo.kgDQOapl-1

DQOapl = carga de DQO total

aplicada ao sistema (kgDQO.dia-1

)

Vazão estimada

de biogás 𝑸𝒃𝒊𝒐𝒈á𝒔 =

𝑸 %

Qbiogás = vazão estimada de produção

de biogás (m³.dia-1

)

%CH4 = teor de metano presente no

biogás produzido no reator

Fonte: CHERNICHARO (2016).

Embora, na teoria, existam equações que descrevam a composição final do biogás

baseadas no teor da matéria orgânica presente no efluente a ser tratado anaerobiamente; na

prática, a realidade é diferente. Para que seja possível estimar a produção de CH4 e, portanto,

o potencial de recuperação energética, faz-se necessário conhecer as diversas rotas pelas quais

pode ocorrer a conversão da matéria orgânica (DQO) em metano, como apresentado na

Figura 4. Dessas rotas de oxidação da DQO, Souza et al. (2011) e Lobato et al. (2012)

enfatizaram as três mais importantes, sugerindo onde haveria as principais perdas de metano

e, consequentemente, os maiores desperdícios do potencial energético do biogás. São elas:

a. A utilização da DQO na redução de sulfato (menor perda das três rotas,

devido às geralmente baixas concentrações de SO42-

);

b. A conversão da DQO em CH4 que permanece dissolvido no meio líquido

e, portanto, perdido no efluente final (de 36 a 41% das perdas, dependendo do

tempo de detenção hidráulica no reator);

c. A perda de CH4 na superfície livre da zona de sedimentação do reator

UASB como gás residual (cerca de 4% das perdas).

Há também uma fração orgânica da DQO que dificilmente conseguirá ser

processada pelos microrganismos responsáveis pela digestão anaeróbia e, consequentemente,

não será transformada em biogás, não configurando potencial energético ao substrato. A essa

parcela, dá-se o nome de DQO recalcitrante, pois ela é composta por substâncias de baixa

biodegradabilidade, como lignina, celulose, hemi-celulose, entre outras substâncias que

persistem resistentes no interior dos reatores anaeróbios (BRASIL, 2016b).

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Figura 4 – Rotas de conversão de DQO e fluxo do metano em reatores UASB.

Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de LOBATO et al. (2012).

Mantendo o menor número de dados possível, a fim de facilitar a aplicação do

modelo matemático desenvolvido para o balanço de massa a considerar todas as rotas de

oxidação da DQO e fluxos de metano, Lobato et al. (2012) traçaram três cenários (pior,

intermediário e melhor cenário) e os aplicou em uma ETE em escala piloto, uma ETE em

escala de bancada e em duas estações em escala real, cujos resultados podem ser observados

na Tabela 5, com ênfase para ambas as linhas referentes à média de produção de biogás e ao

valor médio do potencial de recuperação energética. Essa mesma metodologia foi empregada

no trabalho de Lobato (2011), em que a pior situação consistia em valores de potencial

energético menores, ou seja, em que havia maior diluição do efluente, maiores concentrações

de sulfato, menor eficiência de remoção de DQO e maiores índices de perda de CH4; por

outro lado, a melhor situação incluía ETEs com potencial energético mais elevado,

consequência de sistemas operando com esgoto mais concentrado, menores concentrações de

sulfato, maior eficiência de remoção de DQO e menores índices de perda de metano. Por fim,

a situação típica referia-se àqueles cenários com tais valores de parâmetros intermediários.

Além disso, a Figura 5 ilustra o balanço de massa quanto à conversão da DQO no

processo de digestão anaeróbia, no pior cenário estipulado (menor potencial energético,

efluente mais diluído, alta concentração de sulfato dissolvido, baixa eficiência de remoção de

DQO pelo reator UASB e altas taxas de perdas de metano).

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Figura 5 – Simulação do balanço de massa de DQO, no pior cenário.

Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de LOBATO et al. (2012).

Tabela 5 – Características das ETEs, produção de biogás e potencial de recuperação

energética obtidos da validação do modelo matemático desenvolvido.

Escala bancada Escala piloto ETE Onça ETE Laboreaux

População (hab) 8 140 330.000 30.000

Vazão média

afluente (L.s-1

) 0,02 0,32 660 70

Número de

unidades 1 1 24 8

Dimensões (m) D = 0,3 D = 2,0 38,4 x 6,4 21,7 x 6,2

Produção de biogás

(m³.d-1

) 0,12 2,1 3.900 390

Potencial de

recuperação

energética (MJ.d-1

)

2,7 55,8 105.000 11.000

Fonte: LOBATO et al. (2012).

Outro estudo considerou todos os gastos energéticos da ETE Laboreaux, na cidade

de Itabira (MG) – incluindo setores como iluminação, demanda administrativa e laboratorial,

operação do filtro prensa da estação, bombas das estações elevatórias, entre outros

equipamentos –, e concluiu que a média de consumo de energia elétrica na ETE, durante o

período da pesquisa (de outubro de 2010 a outubro de 2011), foi de 1.586 kWh.d-1

, isto é,

5.709 MJ.d-1

(ROSA et al., 2016).

Dessa forma, cruzando os resultados de Rosa et al. (2016) e Lobato et al. (2012),

para a ETE Laboreaux, o potencial de recuperação energética da estação excederia toda a sua

demanda em, aproximadamente, 48%, demonstrando, assim, a importância do gerenciamento

das perdas de metano, bem como a necessidade de investimento em tecnologias que

DQO convertida

em biomassa

(lodo)

13% DQO usada na

redução de

sulfato

7% Outras perdas

3%

DQO

transformada em

metano

dissolvido no

efluente

17%

DQO convertida

em metano

presente no

biogás

20%

DQO não

convertida em

metano e

perdida no

efluente

40%

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promovam sua recuperação energética para fins lucrativos e de minimização das emissões de

gases de efeito estufa mais agressivos. Nos casos de micro e minigeração distribuída, ou seja,

quando a produção não ultrapassa 5 MW de potência instalada para cogeração qualificada e

demais fontes renováveis de energia (ou 3 MW para fontes hídricas), esse excedente poderia

ser redirecionado para abatimento na conta de energia de outros empreendimentos da

concessionária, como estações de tratamento de água, prédios administrativos ou demais

ETEs que não possuem tecnologia para coleta de biogás, por meio da reinjeção dessa energia

extra na rede elétrica da concessionária local de energia, conforme prevê os incisos III e VI,

Art. 7º da Resolução Normativa nº 482, de 17 de abril de 2012, segundo redação alterada pelo

Art. 6º da Resolução Normativa nº 687, de 24 de novembro de 2015, da Agência Nacional de

Energia Elétrica (ANEEL).

III – para o caso de unidade consumidora com microgeração ou

minigeração distribuída a que se refere o inciso II do art. 6º, o faturamento deve

considerar a energia consumida, deduzidos o percentual de energia excedente

alocado a essa unidade consumidora e eventual crédito de energia acumulado em

ciclos de faturamentos anteriores, por posto tarifário, quando for o caso, sobre os

quais deverão incidir todas as componentes de tarifa em R$/MWh;

[...]

VI – o excedente de energia que não tenha sido compensado na própria

unidade consumidora pode ser utilizado para compensar o consumo de outras

unidades consumidoras, observando o enquadramento como empreendimento

com múltiplas unidades consumidoras, geração compartilhada ou autoconsumo

remoto.

Os geradores de energia com potência instalada superior a 5 MW podem

participar da comercialização dessa produção energética por meio de duas esferas de

mercado: o Ambiente de Contratação Regulada (ACR) e o Ambiente de Contratação Livre

(ACL), em que geradores, comercializadores, distribuidores e consumidores livres ou

especiais de energia são capazes de – por meio de acordos livremente estabelecidos entre as

partes ou por meio de leilões de compra e venda regulados pela ANEEL, sob a forma de

Contrato de Comercialização de Energia Elétrica no Ambiente Regulado (CCEAR) – negociar

energia com qualquer outra entidade, independentemente das restrições físicas de geração e

transmissão, desde que sejam membros do Sistema Interligado Nacional (SIN) (CCEE, 2019).

Metcalf e Eddy (2016) compararam o balanço de energia entre os processos

aeróbio (lodos ativados) e anaeróbio (reator anaeróbio), considerando um afluente à

temperatura de 20ºC, com vazão de 100 m³.d-1

e DQO igual a 10.000 g.m-3

. Os autores, então,

concluíram que os gastos energéticos no sistema de lodos ativados foi de 1,9*106 kJ.d

-1 e,

como não houve produção de metano, a produção líquida de energia resultou em -1,9*106

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kJ.d-1

. Em contrapartida, no sistema utilizando reator anaeróbio com aproveitamento da

energia do biogás, embora tenha havido consumo de 5,3*106 kJ.d

-1 para elevação da

temperatura do esgoto de 20 até 30ºC, a produção de metano convertida em valores

energéticos foi igual a 12,5*106 kJ.d

-1, o que resultou, portanto, em uma produção líquida de

+7,2*106 kJ.d

-1, aproximadamente 3,8 vezes a energia necessária para o tratamento com lodos

ativados, demonstrando uma das vantagens das tecnologias anaeróbias frente às aeróbias.

3.4 Alternativas de tratamento e análises das aplicações do biogás de ETEs para fins

energéticos

Conforme destacado nas sessões anteriores, há a potencialidade de tornar estações

de tratamento de efluente em produtoras de energia, o que pode ser otimizado, segundo

Metcalf e Eddy (2016), pelo coprocessamento de recursos energéticos externos, como óleos,

gorduras, graxas e sobras de alimentos, restando, então, o desafio de prospectar tecnologias

capazes de extrair essa energia contida nos subprodutos da digestão anaeróbia eficientemente.

Antes de se pensar em apresentar uma destinação final ao biogás imediatamente

após sua geração, – seja para produção de energia, seja para uma simples queima em flares –

deve-se ponderar, primeiramente, a que fim o biogás gerado servirá; posteriormente, como ora

discutido, deve-se investigar a respeito de sua composição, i.e., acerca da possível presença de

compostos indesejados, como as potenciais substâncias contaminantes, gases inertes e gases

odorantes, e.g., H2S, gás carbônico, vapor de água e compostos orgânicos voláteis (COVs),

com o intuito de evitar danos aos equipamentos empregados e prejuízos à saúde dos seus

operadores e dos moradores da vizinhança. A Figura 6, retirada do relatório do Projeto

PROBIOGÁS (BRASIL, 2015b), intitulado de Tecnologias de Digestão Anaeróbia com

Relevância para o Brasil: Substratos, Digestores e Uso de Biogás, exemplifica a que níveis

de tratamento deve-se submeter o biogás produzido, em consonância ao seu aproveitamento.

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Figura 6 – Tratamento do biogás conforme seu uso final.

Fonte: BRASIL (2015b).

As tecnologias para tratamento do biogás podem ser classificadas quanto à sua

natureza: biológica, física ou química, a depender de alguns parâmetros de análise, como

classe, vazão e concentração dos poluentes, solubilidade e biodegradabilidade dos compostos

a serem removidos, temperatura, pressão, teor de oxigênio do gás, potenciais impactos

ambientais relacionados à transferência de poluentes e gastos previstos para investimento e

manutenção dos equipamentos (NOYOLA et al., 2006). Para os autores, o tratamento do

biogás acontece, geralmente, por vias físico-químicas, as quais são capazes de trabalhar a

concentrações mais elevadas de poluentes, como verificada na Figura 7; enquanto os

processos biológicos são preferidos para controle de gases odorantes, em concentrações

relativamente baixas e susceptíveis ao tratamento aeróbico, como uma tecnologia de

mitigação de impactos adversos nos equipamentos e nas áreas ao redor da ETE.

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Figura 7 – Aplicabilidade de diversas tecnologias quanto à vazão de ar e à

concentração do poluente.

Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de CHERNICHARO et al. (2010).

Em se tratando de reatores anaeróbios tratando esgoto doméstico, Chernicharo et

al. (2010) concluíram que, posteriormente a uma análise qualitativa, constituem-se, como

predileção para destinação do biogás gerado, devido ao maior conjunto de vantagens inerentes

à tecnologia, a combustão direta, os métodos bioquímicos, de uma forma geral, e,

particularmente, os biofiltros. O Quadro 3 apresenta exemplos de tecnologias de tratamento

do biogás, classificados por natureza.

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Quadro 3 – Classificação de tecnologias para tratamento do biogás quanto

a sua natureza.

TE

CN

OL

OG

IAS

US

UA

IS P

AR

A C

ON

TR

OL

E D

E

OD

OR

, H

2S

, C

O2 E

CO

Vs F

ÍSIC

AS

- Condensação;

- Membranas;

- Máscara;

- Diluição;

- Absorção (lavadores de gás);

- Adsorção (carbono ativado, alumínio ou sílica em gel).

QU

ÍMIC

AS

- Combustão (flares, oxidação térmica e oxidação catalítica);

- Precipitação química (FeCl2);

- Tecnologia de plasma;

- Oxidação (OCl-, O3, H2O2, KMnO4, FeO, entre outros).

BIO

GIC

AS

- Biofiltração;

- Biofiltro percolador;

- Bioscrubbers;

- Biorreatores de membrana;

- Biorreatores fotoquímicos;

- Reator biológico rotacional de contato.

Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de NOYOLA et al. (2006).

Devido ao seu alto poder de queima, o biogás pode ser aproveitado para geração

de calor por meio de sua combustão e consequente produção de vapor quente, o qual pode ser

aplicado para movimentação de turbinas, como no Ciclo Orgânico de Rankine (do inglês,

ORC), no ciclo de Cheng, em turbinas a vapor e em sistemas de pistão (DEUBLEIN e

STEINHAUSER, 2011). Em complemento, além de ser usado no funcionamento de motores,

geradores e moto-picadeiras, o biogás pode também ser aproveitado no processo de

resfriamento de leite, aquecimento de água, na iluminação e em eletrodomésticos, como

geladeira e fogão (COSTA, 2006).

Para maior facilidade, Lobato et al. (2009) dividiram as diversas aplicabilidades

do biogás nas seguintes classes:

a. Uso direto: método de menor complexidade e que apresenta melhor relação

custo x benefício. Consiste na utilização do biogás para substituir ou

complementar outros combustíveis, como o gás natural, carvão e óleo diesel,

em processos industriais em geral, envolvendo, entre outros, aquecedores de

água na piscicultura, secadores de lixiviados, fornos para fabricação de

cerâmica ou vidro e estufas.

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b. Geração de eletricidade: como já explicitado, por meio de motores de

combustão interna, turbinas e micro-turbinas, além de uma maior gama de

tecnologias para conversão do biogás em eletricidade, a fim de ser consumida

in loco ou vendida à concessionária de energia elétrica da região.

c. Cogeração: produção concomitante de eletricidade e calor (vapor ou água

quente), o que aumenta a eficiência de tais sistemas, conferindo, a essa classe,

a característica de ser uma das mais economicamente interessantes.

d. Combustíveis alternativos: consiste na opção que requer maior tratamento

do biogás quanto à remoção de substâncias corrosivas, como o sulfeto de

hidrogênio, pois prevê sua utilização como combustível veicular, bem como

sua injeção nas redes de gás natural de uma região. Contudo, na Alemanha,

por exemplo, em 2010, já existiam cerca de 40 usinas injetando biogás no

sistema de distribuição de gás e uma espera de, até 2020, estar substituindo

cerca seis bilhões de metros cúbicos de gás natural por ano, reduzindo

consideravelmente os impactos ambientais causados pela extração e queima

indiscriminadas desse combustível.

O relatório do PROBIOGÁS (BRASIL, 2015b) apontou que as principais

alternativas tecnológicas para utilização do biogás, que são consideradas tecnicamente

consolidadas e que apresentam dados empíricos para comprovar sua eficiência, em escala

mundial, são:

a. Motores estacionários a gás, com geração de energia elétrica e térmica

(CHP): do inglês Combined Heat and Power, esses tipos de motores

funcionam por meio da combustão do biogás, produzindo eletricidade e calor

– por isso o nome –, possibilitando a exploração de até 90% da energia

presente nesse biocombustível. Como pré-requisito, determina-se que o biogás

utilizado contenha, no mínimo, 45% de metano, bem como apresente

melhorias na qualidade mediante a minimização de compostos sulfurosos e de

vapor de água (BRASIL, 2015b);

b. Caldeiras de biogás para geração de energia térmica: nessa tecnologia, a

utilização do biogás para produção de calor acontece por meio da queima em

sistemas de aquecimento, com o intermédio de queimadores atmosféricos

(para potência elétrica baixa), de queimadores com ventilador (para

recebimento de ar com alta pressão), ou de queimadores tipo lança (para

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lareiras de combustão curtas) (BRASIL, 2015b). Mesmo com a limitação de

produzir apenas calor e embora seja exigido um gás com umidade relativa de

até 60% e com concentração de compostos sulfurosos menor que 0,1%, essa

tecnologia passa a ser mais vantajosa do que os motores CHPs devido aos

menores custos;

c. Injeção na rede de gás natural: essa alternativa apresenta maior diversidade

que as duas anteriores, uma vez que permite o aproveitamento de energia sob

as formas elétrica, térmica e veicular. Para isso, deve-se haver uma instalação

específica, com estação de medição quantitativa e qualitativa para controle de

pressão. Além disso, é necessário eliminar todos os componentes gasosos a

fim de se obter um gás com pureza entre 90 e 98% de CH4 (BRASIL, 2015b).

O relatório ainda complementa que o biometano (biogás extremamente

purificado), proveniente da digestão do lodo da ETE da cidade de Bottrop

(Alemanha), está sendo engarrafado e fornecido para utilização como

combustível veicular, resultado de um projeto de pesquisa e desenvolvimento

(P&D) no local.

Bressani-Ribeiro et al. (2017) avaliaram o potencial de recuperação energética em

um cenário composto de um sistema de reator UASB seguido por filtro percolador, tratando

efluente doméstico, em países tropicais e, para isso, lançaram mão das Equações 7 a 10.

𝒑𝒓𝒐𝒅 = 𝒑𝒐𝒑 × 𝑫𝑸 𝒑𝒄 × 𝑺 × 𝒆𝒔𝒑 (7)

𝒅𝒊𝒔𝒑 = 𝒑𝒓𝒐𝒅 × 𝑷 (8)

𝑷𝑻 = 𝒅𝒊𝒔𝒑 × 𝑻 (9)

𝑷 = 𝒅𝒊𝒔𝒑 × (10)

Em que CH4 prod = produção de metano (Nm³.d-1

); pop = população (milhões de

habitantes); DQOpc = DQO per capita (0,10 kgDQO.hab-1

.d-1

); EfUASB = eficiência média de

remoção de DQO em um reator UASB (65%); CH4 unit = produção unitária de metano (158,3

LCH4.kgDQO-1

removida); Edisp = energia disponível (MWh.d-1

); PCCH4 = poder calorífico do

metano (9,97 kWh.m-3

CH4); EPT = energia potencial térmica (MWh.d-1

); EfT = coeficiente de

conversão térmica (40%); EPE = energia potencial elétrica (MWh.d-1

); EfE = coeficiente de

conversão elétrica (30%).

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Após analisarem a aplicação desse cenário para três grupos populacionais (até

10.000 habitantes, entre 10.000 e 100.000 habitantes, e acima de 100.000 habitantes),

Bressani-Ribeiro et al. (2017) concluíram que sistemas anaeróbios de tratamento de esgoto

prestam um papel importantíssimo quanto ao saneamento ambiental em países tropicais e em

desenvolvimento, como no Brasil, uma vez que se pôde observar um enorme potencial para

produção de energia por meio do biogás gerado nessa modalidade de tratamento, o qual pode

ser destinado a diversos fins, dependendo do tamanho populacional atendido pela estação de

tratamento com tecnologia reatores UASB (11.646 GWh.ano-1

de energia térmica e 6.562

GWh.ano-1

de energia elétrica).

Por exemplo, os autores calcularam que, para estações com porte de atendimento

populacional de até 10.000 habitantes, somando uma capacidade de tratamento instalada igual

a 12.695.895 habitantes, as ETEs responsáveis por essa contribuição de esgoto seriam capazes

de produzir 190.755 MWh.ano-1

de energia térmica, ou seja, 686.718 GJ.ano-1

de energia

térmica que, devido ao contingente populacional, poderia ser direcionada para aquecimento de

água, produção de vapor, cocção de alimentos ou desinfecção do lodo descartado dos reatores

UASB. Adicionalmente, para as ETEs com porte de atendimento entre 10.000 e 100.000

habitantes, o que incluiu uma capacidade de atendimento instalada de 180.105.925 habitantes,

calculou-se uma produção de 2.706.075 MWh.ano-1

ou 9.741.870 GJ.ano-1

de energia térmica

que poderia ser destinada para mesmo fim do grupo anterior.

Por outro lado, para as ETEs com capacidade de tratamento acima de 100.000

habitantes, o que englobou uma capacidade de atendimento instalada de 582.327.513 pessoas,

Bressani-Ribeiro et al. (2017) previram que seriam gerados 6.559.278 MWh.ano-1

de energia

elétrica ou 8.745.704 MWh.ano-1

(31.484.534,4 GJ.ano-1

) de energia térmica. Dessa forma,

potência produzida de energia elétrica, com base no consumo médio residencial brasileiro de

eletricidade, seria capaz de suprir a demanda de 3,2 milhões de unidades habitacionais.

Dois estudos complementares (ROSA, 2013; ROSA et al., 2016) foram realizados

na ETE Laboreaux, em Itabira – MG, a qual apresenta unidades de tratamento biológico

anaeróbio e aeróbio (reator UASB, filtro biológico percolador e decantador secundário). À

época das pesquisas, a estação recebeu uma vazão média de 80 L.s-1

, em sua primeira etapa de

construção, prevista para o atendimento de 70.000 habitantes, podendo chegar até a 123.000

habitantes em 2029. Além disso, todo o biogás gerado era queimado em flares, não havendo

aproveitamento energético desse gás.

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Diante dessas condições, os autores relataram que se observou uma produção de

390,1 Nm³.d-1

de biogás, com composição média de 78,2% de CH4, 6,7% de CO2 e 15,1% de

outros gases, i.e., valores pertinentes quanto às faixas destacada na Tabela 4, para reatores

UASB (60 a 85% de metano). Logo, com essas características, foi possível estimar um

potencial de produção de energia de, aproximadamente, 10.962 MJ.d-1

(ROSA et al., 2016).

Para o primeiro cenário traçado pelos autores (cenário 1), em que o uso prioritário

do biogás seria como fonte de calor para secagem térmica do lodo e, secundariamente, a

geração de eletricidade com o excedente, percebeu-se que 61,5% do biogás gerado eram

necessários para evaporação da água do lodo, enquanto que 38,5% representavam o

excedente, que seria direcionado para geração de energia elétrica. Adotando-se um

rendimento usual de 30% do conjunto motogerador, a eletricidade produzida (1.265 MJ.d-1

),

proveniente do biogás utilizado, demonstrou-se suficiente para suprir 22,2% da demanda da

ETE Laboreaux. Em contrapartida, em um segundo cenário (cenário 2), foi considerado que o

uso prioritário do biogás seria para a geração de eletricidade, resultando na produção de 3.289

MJ.d-1

, o que correspondeu ao suprimento de 57,6% da estação (ROSA et al., 2016).

Lobato et al. (2013) conduziram um experimento, em escala de bancada, na ETE

Arrudas, localizada no Centro de Pesquisa e Treinamento em Saneamento UFMG/COPASA

(CePTS), na cidade de Belo Horizonte – MG, com capacidade de vazão de 4.5 m³.s-1

. Esse

estudo focou na autossuficiência de estações de tratamento, ou seja, no fomento de ETEs

sustentáveis, bem como no manejo seguro do lodo excedente produzido nesses locais, por

meio do uso do biogás, cuja composição apresentou teores iguais a 70% de CH4, 7% de CO2 e

1.750 ppmv de H2S, produzido por três reatores UASB, cujo volume útil correspondia a 14 m³

cada (Figura 8).

Com relação aos testes de secagem e desinfecção do lodo com o biogás, foi

possível perceber redução de 50% do volume total e aumento de 4 a 8% do teor de sólidos,

com total inativação de ovos de helminto, usados como indicadores de higienização do lodo,

após 1,5 horas de aquecimento e à temperatura de 60ºC. No que concerne à média de

potencial elétrico disponível, os resultados mostraram que a ETE é autossustentável, devido

ao balanço energético positivo de +1,75 kW, i.e., 76% da potência total disponível (2,30 kW)

foram destacados como excedente. Ademais, quanto à unidade de cogeração de energia

elétrica e térmica, observou-se que houve produção de 1,35 kWh de eletricidade por Nm³ de

biogás consumido, enquanto que a demanda dessa unidade foi de 0,32 kWh.Nm-3

desse

biocombustível (extra de +1,03 kWh.Nm-3

) (LOBATO et al., 2013). Esses excedentes

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destacados podem ser redirecionados a outros propósitos locais, como já discutido

previamente.

Figura 8 – Fluxograma da ETE Arrudas.

Fonte: COPASA (2012), apud ROSA (2013).

Mais um exemplo de uma ETE no Brasil com recuperação energética do biogás é

a ETE Ouro Verde, localizada em Foz do Iguaçu – PR. Essa estação, composta por um reator

do tipo UASB, atua a uma vazão igual a 40 L.s-1

, correspondente a uma população de 35 mil

habitantes, podendo chegar até 70 L.s-1

, e produz biogás a uma vazão aproximada da ordem

de 50 m³.d-1

(teor de CH4 igual a 67%). Esse gás é aproveitado para geração de eletricidade na

própria estação de tratamento, bem como para venda à rede de distribuição da concessionária

de energia elétrica, atingindo, no ano de 2009, o valor de R$ 140,00 por MWh (SANEPAR,

2013 apud ROSA, 2013). A companhia de saneamento do Paraná (SANEPAR) ainda

informou que, no que concerne ao balanço energético da estação Ouro Verde, há um consumo

médio igual a 1.200 kWh.ano-1

e geração estimada de 3.600 kWh.ano-1

, significando um

excedente de 2.400 kWh.ano-1

(ROSA, 2013).

Rosa (2013) destacou que a SANEPAR configura como a maior consumidora de

energia elétrica do estado, sendo este consumo o segundo maior custo operacional da

companhia de saneamento. Portanto, a aplicação do biogás para geração de energia e

consequente economia na empresa é um foco da SANEPAR e deveria ser multiplicada pelas

diversas companhias de saneamento brasileiras. Como exemplos dos diversos investimentos

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já realizados pela concessionária, tem-se que: foi a primeira companhia brasileira a fornecer

biogás de ETEs para locomoção de veículos e aquecimento de residências; empenha-se

constantemente na prospecção de novas fontes e formas de aproveitamento do biogás para

beneficiamento das estações de tratamento (e.g.: secagem do lodo pelo calor gerado com a

produção do biogás) e estimula a venda da energia transformada a partir do biogás à rede de

distribuição elétrica, para maior economia no processo de tratamento de efluentes de uma

forma geral.

Por fim, com o objetivo de identificar fluxogramas holísticos ideais para a

concepção de ETEs sustentáveis que atendessem diferentes contingentes populacionais

(pequeno porte: população equivalente maior que 2.000 habitantes e menor que 10.000

habitantes; médio porte: população equivalente maior que 10.000 e menor que 100.000

habitantes; grande porte: população equivalente maior que 100.000 habitantes), os autores

Bressani-Ribeiro et al. (2019), motivados pelo corriqueiro descomissionamento de ETEs cuja

tecnologia tenha sido adotada inadequadamente, culminando, consequentemente, na

constatação de baixas eficiências de performance e grandes dificuldades operacionais,

analisaram duas bacias (Rio das Velhas e Jequitaí-Pacuí) em Minas Gerais, para sugerir o

gerenciamento conjunto mais apropriado das partes sólidas, líquidas e gasosas do tratamento

de efluentes, considerando o contexto socioeconômico e ambiental peculiar de cada área.

Em se tratando de ETEs de pequeno e médio porte, por exemplo, quanto às

alternativas tecnológicas sugeridas para recuperação do biogás, Bressani-Ribeiro et al. (2019)

destacaram duas rotas de utilização da energia térmica do biogás de certa simplicidade

construtiva e operacional: i) para cocção de alimentos ou como combustível para aquecimento

de água nas vizinhanças da ETE; e ii) para o sistema de secagem de lodo ou como energia

térmica para processos desinfectantes dentro da área da estação. Com isso, os autores

afirmaram que a pequena substituição de 4% do gás liquefeito de petróleo (GLP) por biogás

resultaria na redução de emissões de carbono de, aproximadamente, 16,8 kgCO2eq.hab-1

.ano-1

,

ou seja, em um balanço positivo de pegada de carbono. A Figura 9 representa um diagrama

completo de uma ETE sustentável de pequeno porte, constituída de reator UASB e filtro

percolador.

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Figura 9 – Fluxograma conceitual, esquemático e completo de uma ETE sustentável de

pequeno porte. Os losangos representam oportunidades de tomadas de decisão, com diferentes

rotas tecnológicas a serem escolhidas.

Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de BRESSANI-RIBEIRO et al. (2019).

A alternativa de aproveitamento do biogás produzido em estações de tratamento

de esgoto, para cocção em comunidades circunvizinhas às ETEs, como substituição do GLP,

lenha ou carvão, de acordo com Souza et al. (2019), pode ser bastante significativa, uma vez

que abre precedente para desenvolvimento de um ramo econômico na localidade por meio da

capacitação dos habitantes da comunidade beneficiada com essa alternativa.

Como exemplo mais popular dos diversos modelos de fogão a biogás utilizados

no mundo, pode-se citar o de duas chamas (KURCHANIA et al., 2010), cujo princípio de

operação (Figura 10) é o mesmo para os demais tipos de queimadores e consiste nas

seguintes etapas: o biogás é injetado pela tubulação até atingir o fogão, onde sofre uma

adequada constrição de fluxo, aumentando a velocidade e promovendo a sucção do ar externo

para dentro do tubo (ar primário, necessário para combustão); para que a combustão ocorra a

contento, o ar deve ser completamente misturado ao biogás até atingir a saída para queima,

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onde ocorre a complementação de oxigênio pelo ar circundante da chama (ar secundário),

para combustão final dessa mistura gasosa e formação de uma chama azul-escuro, indicando

que a combustão foi adequada (SESSE et al., 1991, apud SOUZA et al., 2019).

Figura 10 – Esquema de queimador de fogão

a biogás.

Fonte: FULFORD (1996), apud SOUZA et al. (2019).

Vale ressaltar que a concentração do biogás e o dimensionamento de cada orifício

de entrada e saída de gás são de extrema importância para a correta combustão do biogás, uma

vez que, caso a queima não aconteça de maneira devida, há a geração de compostos tóxicos,

como o monóxido de carbono e fuligem. A Figura 11 e a Figura 12 ilustram fogões a biogás

individual e comunitário, respectivamente, os quais conseguem operar a uma média de 375 L

de biogás por uma hora, demonstrando eficiência variável entre 40 e 60% (KURCHANIA et

al., 2011). Estima-se que, para cozinhar as três principais refeições diárias de uma família,

seriam necessárias três horas por dia de funcionamento do fogão a biogás, admitindo-se

chama em fogo médio (HOMEBIOGÁS, 2019), o que culminaria na utilização de 1.125

Lbiogás.dia-1

por residência, para cocção.

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Figura 11 – Fogão a biogás individual doméstico.

Fonte: HOMEBIOGÁS (2018), apud SOUZA et al. (2019); KURCHANIA et al. (2011).

Figura 12 – Fogão a biogás comunitário.

Fonte: KURCHANIA et al. (2010).

O fogão comunitário da Figura 12, por exemplo, com alimentação dupla para

manutenção da pressão do biogás, nas suas duas extremidades, foi empregado por Kurchania

et al. (2010), na Índia, em um abrigo para pessoas em condições carentes de habitação, com o

intuito de assar pães típicos da respectiva região. Por meio desse teste, após a queima de 116

L de biogás por hora, percebeu-se que o fogão apresentou eficiência média de 43,96% para

queima de um biogás cujo poder calorífico era igual a 19,76 MJ.m-3

.

Por outro lado, no que se refere a ETEs de médio porte, adicionalmente às

alternativas explicitadas para as ETEs de tamanho inferior, os autores ainda sugeriram que o

biogás poderia ser utilizado como combustível para um secador térmico de lodo e, para

aumentar a produção desse gás, foi aventada também a possibilidade da geração de biogás

proveniente da escuma dos reatores UASB. Por outro lado, no que refere às estações de

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grande porte, verificou-se que há diversas alternativas viáveis que percorrem desde soluções

de aproveitamento térmico até a utilização para geração de energia elétrica, incluindo o

beneficiamento do biogás à sua forma mais aprimorada e pura, o biometano.

A Figura 13 (BRESSANI-RIBEIRO et al., 2019) ilustra dois cenários em que é

possível analisar as alternativas para aproveitamento do biogás com base no tamanho da

estação de tratamento (pequeno e médio porte: 2.000 ≤ PE < 100.000 habitantes; grande

porte: PE ≥ 100.000 habitantes). Com essa representação, os autores sustentaram a ideia já

exposta em outros estudos de que a aplicação do biogás para geração de energia elétrica se

torna interessante, ou seja, economicamente viável, para ETEs cuja população atendida

ultrapasse o valor de 100.000 habitantes, predominando, portanto, para ETEs de pequeno e

médio porte, o aproveitamento energético térmico do biogás para cocção, aquecimento de

água e secagem de lodo.

Figura 13 – Fluxograma das alternativas de aproveitamento do biogás em ETEs operando

com reatores UASB.

Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de BRESSANI-RIBEIRO (2019).

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MATERIAL E MÉTODOS 4

4.1 Informações gerais da pesquisa

Os dados utilizados foram coletados, em sua maioria, na Companhia de Água e

Esgoto do Ceará (CAGECE), concessionária responsável pela gestão e operação de sistemas

de tratamento e abastecimento de água, em 151 dos 184 municípios estaduais, e de coleta e

tratamento de esgoto, em 74 do total de cidades do Ceará. Além disso, a CAGECE ainda pode

explorar, comercializar e gerir, para si e para terceiros, energia que seja oriunda ou não do

aproveitamento de subprodutos dos processos de saneamento (CAGECE, 2019), como o

biogás, bem como participar em quaisquer atividades econômicas que se relacionem, direta ou

indiretamente, com o setor de saneamento e seus diversos processos, seja no Ceará, seja em

qualquer outra unidade federativa em território nacional ou internacional.

Para exemplificar a magnitude e importância da concessionária para o estado,

pode-se citar que a CAGECE conta com, em se tratando apenas de esgotamento sanitário, o

atendimento de, aproximadamente, 2,4 milhões de pessoas, por meio de uma rede coletora

com 4.720,8 quilômetros de extensão, o correspondente a quase 41% de cobertura no Ceará;

enquanto que, somente na capital Fortaleza, esse índice sobe para 62% (CAGECE, 2019).

Logo, para melhor administração dessa área, a CAGECE dividiu o território cearense em 10

unidades de negócio (UNs) para a capital, região metropolitana de Fortaleza e demais

interiores, conforme mostram a Figura 14 e o Quadro 4.

Quadro 4 – Correspondência das unidades de negócio por bacia

administrativa.

Sigla Unidade de Negócio

UN-BSA Bacia do Salgado

UN-BBJ Bacia do Baixo Jaguaribe

UN-BAJ Bacia do Alto Jaguaribe

UN-BBA Bacia do Banabuiú

UN-BPA Bacia do Parnaíba

UN-BAC Bacia do Acaraú e Coreaú

UN-BSI Bacia da Serra da Ibiapaba

UN-BCL Bacia do Curu e Litoral

UN-BME Bacia Metropolitana

UN-MTE¹ Metropolitana de Macrocoleta e Tratamento de Esgoto ¹ Na capital, ocorre a divisão ainda em UNs Metropolitanas Oeste, Leste, Norte e Sul

(UN-MTO, UN-MTL, UN-MTN, UN-MTS), mas, para o escopo do trabalho e com

relação ao tratamento de esgotos, as UNs explicitadas melhor representam as bacias

administrativas da companhia.

Fonte: O AUTOR (2019).

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Figura 14 – Mapa das unidades de negócio da CAGECE no interior.

Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de CAGECE (2019).

4.2 Levantamento, quantificação e organização dos dados

Primeiramente, foi levantado, junto à Gerência de Operações e Desenvolvimento

Operacional (GDOPE), o quantitativo mais atualizado de ETEs por bacia administrativa e por

tipologia de tratamento de esgotos, considerando, também, o pós-tratamento adotado em cada

ETE, como indicado Quadro 5, em que LES = Lagoas de Estabilização; LFC = Lagoa

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Facultativa; LMT = Lagoa de Maturação; LAN = Lagoa Anaeróbia; LEP = Lagoa de

Polimento; LRF = Lagoa de Resfriamento; DD = Decanto Digestor; CL = Cloração; FAN =

Filtro Anaeróbio; FSA = Filtro Submerso Aerado; UASB = Reatores UASB; RA = Reator

Aeróbio; DSE = Decantador Secundário; EPC = Estação de Pré-Condicionamento; LAAP =

Lodos Ativados de Aeração Prolongada.

Quadro 5 – Classificação das ETEs quanto à

tecnologia e à tipologia de tratamento.

Tecnologia adotada Tipologia da ETE

LES

LFC

LFC + LMT

LAN + LFC + LMT

LFC + DSE + CL

LAN + LFC

LAN + LMT

UASB

UASB + FSA + CL

UASB + LEP

UASB + CL

UASB + RA + CL

UASB + FAN + CL

UASB + FSA + LEP

UASB + LFC + LMT

DD DD + FAN + CL

DD + FAN

OUTROS

LAAP

LRF

EPC Fonte: O AUTOR (2019).

Legenda: LES = Lagoas de Estabilização; LFC = Lagoa Facultativa; LMT = Lagoa de Maturação; LAN = Lagoa

Anaeróbia; LEP = Lagoa de Polimento; LRF = Lagoa de Resfriamento; DD = Decanto Digestor; CL = Cloração;

FAN = Filtro Anaeróbio; FSA = Filtro Submerso Aerado; UASB = Reatores UASB; RA = Reator Aeróbio; DSE

= Decantador Secundário; EPC = Estação de Pré-Condicionamento; LAAP = Lodos Ativados de Aeração

Prolongada.

Foi analisado um total de 280 estações de tratamento de esgoto, das quais 158

ETEs localizadas na capital, 121 no interior e uma estação de pré-condicionamento de esgoto

(EPC), situada em um ponto na orla Fortaleza, cuja função é tratar previamente o efluente

para disposição no mar, por meio de um emissário submarino, a 3.300 metros da costa e a 16

metros de profundidade (CAGECE, 2019), representada pela Figura 15.

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Figura 15 – Foto aérea da Estação de Pré-Condicionamento (EPC) de Fortaleza.

Fonte: CAGECE (2019).

A Gerência de Projeto (GPROJ) da companhia, juntamente à unidade de negócio

responsável pelo tratamento de esgoto da capital (UN-MTE), disponibilizou informações a

respeito das vazões e populações de projeto. Entretanto, devido à data de instalação de muitas

ETEs e à inobservância da necessidade de armazenamento desse tipo de informação à época

da concepção dessas estações, só foi possível fazer o levantamento desses dados de apenas

151 estações, dentre as quais, em 71 ETEs, havia dados de vazão e população de projeto, em

outras 71 só continham dados de vazão e em 9 estações havia apenas dados de população.

Logo, foram realizadas estimativas para os casos destacados pela ausência de

informações, considerando os dados do último diagnóstico Atlas Esgotos: despoluição de

bacias hidrográficas, da Agência Nacional de Águas (ANA, 2017), o qual continha

informações para o ano de 2013 e uma previsão de cenário dos mesmos dados para o ano de

2035, a respeito de vazões, cargas afluentes e efluentes às ETEs (kgDQO.dia-1

), índices de

atendimento e investimentos com coleta e tratamento, tipologia atual e prevista, atenção à

remoção de fósforo e de nitrogênio, entre outros parâmetros. Entretanto, para algumas cidades

com apenas uma ETE no município, a tabela só continha o total de habitantes atendido para o

ano de 2035. Logo, para saber o total de contribuintes com a vazão de esgoto no ano de 2013,

foi realizada a multiplicação do percentual atendido pela população estimada na cidade.

Com ajuda do Excel, foi possível classificar as estações analisadas por porte,

quanto à população de projeto, de acordo com o Quadro 6.

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Quadro 6 – Grupos por intervalo populacional.

Porte Intervalos População (Hab)

Micro Pop ≤ 2.000

Pequeno 2.001 ≤ Pop ≤ 10.000

Médio 10.001 ≤ Pop ≤ 100.000

Grande Pop ≥ 100.001 Fonte: O AUTOR (2019).

Analogamente, baseado nos critérios apresentados pela companhia de saneamento

do Paraná (Sanepar) em seu módulo referente às diretrizes para elaboração de projetos de

sistema de esgotamento sanitário (SANEPAR, 2017), classificou-se também as ETEs por

porte quanto a suas respectivas vazões de projeto, como segue: porte pequeno (até 60 L.s-1

),

médio porte (entre 60 e 200 L.s-1

) e grande porte (acima de 200 L.s-1

).

Foram analisados e disponibilizados pela Gerência de Controle de Qualidade

(GECOQ) dados da Demanda Química de Oxigênio (DQO) de todas as ETEs durante o ano

de 2018, tanto para o esgoto bruto, quanto para o esgoto tratado, resultando em uma média de,

aproximadamente, 400 dados mensalmente. Esse parâmetro é também um dos quatro

utilizados para mensuração da qualidade do efluente, em adição ao potencial hidrogeniônico

(pH), à concentração de sólidos totais (ST) e à concentração de Escherichia coli, compondo o

Índice de Qualidade de Esgoto Tratado (IQET), também disponibilizado pela gerência

supracitada.

Quanto às estações de tecnologia LES, foi analisada a DQO filtrada no efluente

final, enquanto que, para as demais tecnologias, foi utilizada a DQO total. Essa peculiaridade

se justifica pelo fato de evitar que as algas (sólidos suspensos comumente encontrados em

efluentes de lagoas) mascarem o resultado da DQO final da amostra de esgoto analisada. Com

relação aos pontos de coleta fornecidos pela GECOQ, alguns exemplos para esgoto bruto são:

caixa de entrada da ETE, caixa de equidivisão, calha Parshall, caixa de areia, poço de sucção

e PV de entrada; e para o efluente tratado são: caixa de saída da ETE, vertedouro das lagoas,

saída do tanque de contato e PV de saída.

Adicionalmente, percebeu-se que não houve anotação desses parâmetros para

muitas ETEs com tratamento por lagoas de estabilização, em alguns meses, devido à falta de

lâmina de efluente no vertedouro das lagoas, dada a baixa vazão de contribuição e elevada

evaporação no estado do Ceará. Além disso, também foi possível notar a ausência de

informação para algumas ETEs de, principalmente, tecnologia DD por causa de divergências

na programação de coleta de amostras da gerência ou por dificuldade de acesso ao local.

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Logo, para aumentar a confiabilidade dos resultados finais, no que concerne à

manipulação dos dados de DQO, foram consideradas apenas ETEs de tecnologia reatores

UASB para todo o estado do Ceará, separando aquelas contidas na capital e, portanto,

pertencentes à UN-MTE; aquelas contidas na RMF e, portanto, pertencentes à UN-BME; e as

demais, do restante do estado, ficaram agrupadas como ETEs do interior, independentemente

de a que unidade administrativa pertencesse.

Também por meio do Excel, foi possível organizar esses dados disponibilizados

de DQO para cômputo dos seguintes parâmetros estatísticos: número de dados, média

aritmética, valor mínimo e máximo, coeficiente de variância, desvio padrão, mediana e

percentis (10%, 25%, 50%, 75% e 90%). Com isso e aplicando as Equações 11 e 12,

determinaram-se os fortuitos valores anômalos, ou outliers, isto é, aqueles valores que se

demonstraram estatisticamente discrepantes aos demais do evento (considerando cada mês de

2018 separadamente) por estarem localizados, nos gráficos de box plots, acima do limite

superior máximo ou abaixo do limite inferior mínimo, sendo, portanto, excluídos a fim de

evitar inconsistências nas variáveis estatísticas supracitadas.

𝒊𝒎𝒊𝒏 = 𝑸𝟏 − 𝟏, 𝟓 (𝑸 − 𝑸𝟏) (11)

𝒊𝒎𝒔 𝒑 = 𝑸 𝟏, 𝟓 (𝑸 −𝑸𝟏) (12)

Em que Liminf = limite inferior; Limsup = limite superior; Q1 = primeiro quartil e

Q3 = terceiro quartil. Dessa forma, por exemplo, quaisquer valores que fossem superiores ao

terceiro quartil acrescido de 1,5 vezes o respectivo intervalo interquartil foram excluídos.

Analogamente, quaisquer valores que fossem inferiores ao primeiro quartil subtraído de 1,5

vezes o respectivo intervalo interquartil foram igualmente expurgados da análise estatística.

Vale ressaltar que, ainda em se tratando de limites inferiores, como não existe DQO negativa,

isto é, como esse parâmetro varia unilateralmente, assim como, consequentemente, a

eficiência das ETEs, os valores abaixo de zero foram desconsiderados.

Após o tratamento estatístico dos dados de carga orgânica, calculou-se a eficiência

de cada ETE, efetuando a clássica Equação 13, em que E% = eficiência do sistema; S0 = DQO

afluente à estação e S = DQO efluente à ETE. Adicionalmente, para os casos em que a E% do

sistema foi negativa, ou seja, nos eventos em que o esgoto teve sua concentração de carga

orgânica aumentada após a passagem pelo tratamento biológico, adotou-se o valor zero para

fins de cálculo da média de remoção de carga orgânica anual.

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% =(𝑺𝟎 𝑺)

𝑺𝟎 𝒙 𝟏𝟎𝟎% (13)

Cabe mencionar que a GECOQ conta com laboratórios de análises físico-químicas

e biológicas de água e esgoto, todos com selos ISO 9001 e 17025, referentes,

respectivamente, à gestão de qualidade e à acreditação laboratorial, o que permitiu garantir a

qualidade dos dados de concentração de DQO, obtidos pelo método titulométrico de

refluxação fechada, de acordo com o livro Standard Methods for Examination of Water and

Sewage (APHA et al., 2012), responsável pela padronização de análises laboratoriais de água

e esgoto.

Com base em todos esses dados trabalhados estatisticamente, foram elaborados

quadros e tabelas, bem como traçados diversos tipos de gráficos, como gráfico de colunas, de

barras, de pizza e box plots, a fim de representar os resultados obtidos qualiquantitativamente.

Dessa forma, foi possível comparar a distribuição das ETEs pelo estado com base na sua

tipologia, determinar o porte dessas estações quanto à população e à vazão, comparar a

eficiência das ETEs de tecnologia reatores UASB com e sem pós-tratamento, calcular o

volume de biogás produzido por esses biodigestores anaeróbios e, por fim, estimar o potencial

energético do Ceará.

4.3 Estimativas do potencial energético do Ceará

Visando à caracterização do potencial de geração de energia no estado, foram

selecionadas apenas as estações de tecnologia reatores UASB – assumindo que todas seriam

passíveis da recuperação do biogás para fins energéticos –, com dados de carga orgânica

disponíveis e com eficiência de remoção de DQO relativamente elevada, isto é, algumas

ETEs, mesmo apresentando dados de DQO, tiveram de ser excluídas em virtude de exibirem

eficiência negativa ou próximas de zero (em torno de 10%), já que nessas não seria possível

produzir biogás para geração de energia.

Além disso, para as estações cujos dados de vazão não foram disponibilizados,

adotou-se a vazão da ETE que mais se assemelhasse, em termos de porte, à ETE cujo dado

estava faltoso, por meio de ligação telefônica para colaboradores da CAGECE. Dessa forma,

43 estações foram organizadas da seguinte forma: 23 estações (ETE 01 a ETE 23) no grupo

da capital (UN-MTE), 12 estações (ETE 24 a ETE 35) no grupo da região metropolitana de

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Fortaleza (UN-BME) e 8 estações (ETE 36 a ETE 43) no grupo das estações do interior e,

mais detalhadamente, as estações ainda foram agrupadas de acordo com o porte por

população, como no Quadro 6, e organizadas de forma decrescente.

Secundariamente, com o intuito de aproveitar os dados já existentes quanto às

concentrações de DQO afluente e efluente a essas 43 estações de tecnologia reatores UASB,

realizou-se uma separação dessas ETEs entre estações sem pós-tratamento e com pós-

tratamento, para que fosse avaliada a eficiência de remoção de carga orgânica, a depender da

rota tecnológica presente em cada grupo. Dessa forma, considerou-se, como ETEs sem pós-

tratamento, aquelas de tipologia UASB + CL, i.e., as que apresentavam apenas a etapa da

cloração (desinfecção) após o biodigestor anaeróbio e antes da disposição final do efluente; e,

para o outro grupo, o de ETEs com pós-tratamento, foram incluídas aquelas cujas tipologias

previam uma ou mais etapas de tratamento do esgoto antes da disposição final, ou seja, todas

as demais ETEs de tecnologia reatores UASB que não foram enquadradas no primeiro

conjunto, e.g., UASB + FSA + CL, UASB + FAN + CL, UASB + LEP, entre outras. Esses

resultados foram representados em gráficos do tipo box plot.

Devido ao tamanho populacional das ETEs selecionadas e aos estudos de

viabilidade econômica apresentados por Valente (2015) e Rosenfeldt et al. (2015), apud

Chernicharo et al. (2017), e Bressani-Ribeiro et al. (2019), os quais relataram que somente

seria economicamente interessante praticar o aproveitamento do biogás para geração de

eletricidade em ETEs com contribuição limite acima de 100.000 habitantes e que, para

estações com menor população contribuinte, seria mais viável a recuperação térmica do

biogás para cocção, aquecimento de água e secagem de lodo, foi excluída, consequentemente,

a opção de redirecionar o biogás produzido nessas 43 estações para geração de energia

elétrica.

Portanto, embora ainda seja uma prática incipiente no Brasil, foram adotados os

valores apresentados na Tabela 6, os dados de projeto levantados ou estimados, as equações

descritas no Quadro 2 e a Equação 9, a fim de se quantificar a perda energética devido à não

adoção desse tipo de prática que visa à geração da energia térmica do biogás e à recuperação

econômica, em virtude da redução de gastos nas residências e nas ETEs, com a compra de

GLP, lenha e carvão, com a possibilidade de aquecimento de água e com a secagem de lodo,

por meio do tratamento anaeróbio de esgotos.

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Tabela 6 – Parâmetros adotados no cômputo do potencial energético a partir do biogás de

reatores UASB.

Parâmetro Unidade Valor Referência

Poder Calorífico Inferior (PCI)

de metano kWh.m

-3CH4 9,97

Moran et al. (2012), apud

Bressani-Ribeiro et al.

(2017)

Consumo médio de eletricidade

residencial no Ceará (ano 2017) kWh.mês

-1 126,1 EPE (2018)

Consumo médio de biogás por

residência, para cocção Lbiogás.dia

-1 1.125

Kurchania et al. (2011);

Homebiogas (2019)

Eficiência elétrica típica de um

conjunto moto-gerador % 36 Cabral et al. (2016)

Eficiência de conversão térmica % 40

U.S. EPA (2003), apud

Bressani-Ribeiro et al.

(2017)

Teor de metano no biogás

(cenário típico) % 75

Von Sperling e

Chernicharo (2005), apud

Lobato et al. (2012)

Eficiência de remoção de DQO

(cenário típico) % 65

Von Sperling e

Chernicharo (2005), apud

Lobato et al. (2012)

Contribuição per-capita de

DQO kgDQO.hab

-1.dia

-1 0,10

Von Sperling e

Chernicharo (2005), apud

Lobato et al. (2012)

Fator de conversão de DQO

aplicada em biomassa (Yobs) kgDQOlodo.kgDQOapl

-1 0,17 -

Temperatura interna dos

reatores UASB em Fortaleza ºC 29 Araújo (2016)

Concentração de oxigênio

dissolvido para remoção de um

mol de CH4 (K)

gDQO.mol-1

64 Chernicharo (2016)

Constante dos gases (R) atm.L.mol-1

.K-1

0,080206 -

Pressão atmosférica atm 1 - Fonte: O AUTOR (2019).

Para cálculo do total de residências que poderia ser abastecido com a produção de

biogás, foi realizado o somatório total dos volumes produzidos de biogás individualmente das

estações e, em seguida, dividiu-se esse valor pelo consumo médio diário residencial de biogás

para cocção (vide Tabela 6), o qual foi estimado considerando-se a autonomia do fogão a

biogás apresentado por Kurchania et al. (2011): 375 Lbiogás.h-1

e a estimativa de sua utilização

por três horas por dia, para cozinhar as três principais refeições diárias de uma família, em

fogo médio (HOMEBIOGÁS, 2019).

Foram calculadas as relações unitárias para fins comparativos aos trabalhos de

Cabral (2016) e Lobato (2011), com o intuito de classificar as estações com tecnologia UASB

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e operadas pela CAGECE, no Ceará, quanto à situação da produção de metano, biogás e

energia por quantidade de DQO removida. O cálculo dessas taxas é essencial para objetivos

de comparação, uma vez que o valor absoluto depende de inúmeras variáveis, como porte e

eficiência da estação.

Lobato (2011), em seu modelo, traçou diversas relações unitárias e seus

respectivos valores; entretanto, nesse trabalho, foram contempladas apenas três relações,

conforme representado na Tabela 7. A classificação de cada ETE foi realizada,

prioritariamente, quanto ao índice calculado para o potencial energético unitário,

considerando-se os outros valores para determinação da classe da ETE apenas quando fosse

inconclusiva a classificação quanto à quantidade de energia produzida por quilo de DQO

removida. Para as estações com níveis abaixo dos valores mínimos estipulados por Lobato

(2011), foi utilizada a classificação Abaixo da Pior Situação (APS), como adotado por Cabral

(2016).

Tabela 7 – Relações unitárias de produção de metano, de biogás e de energia em reatores

UASB tratando esgoto doméstico. Relação

Unitária Unidade

Pior situação (PS) Situação típica (ST) Melhor situação (MS)

Máx. Mín. Méd. Máx. Mín. Méd. Máx. Mín. Méd.

Volume

unitário de

CH4

NLCH4.kgDQOremov-1

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

Volume

unitário de

biogás

NLbiogás.kgDQOremov-1

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

Potencial

de energia

unitário

MJ.kgDQOremov-1

5,5 2,4 4,1 6,7 4,5 5,7 7,9 6,2 7,0

Fonte: O AUTOR (2019), adaptado de LOBATO (2011).

Complementarmente e visando à melhor gestão antecipada da concessionária, foi

analisado o potencial de geração de energia na cidade de Fortaleza para o ano de 2033, 14

anos à frente do presente estudo, utilizando o Plano Municipal de Saneamento Básico

(PMSB), elaborado pela empresa Acquatool Consultoria S/S Ltda., juntamente à CAGECE e

à Secretaria de Urbanismo e Meio Ambiente (SEUMA). Nesse plano, previu-se a criação de

três grandes ETEs para compreender todo o território de Fortaleza, demonstradas na Tabela

8.

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Tabela 8 – Dados das ETEs de Fortaleza de acordo com o PMSB, para o ano de 2033.

ETE Tecnologia População

(hab)

Vazão média

(L.s-1

)

Cocó LAAP + RFA 455.159 908,3

Miriú UASB + FSA 310.721 955,0

Siqueira LAAP + RFA 363.040 527,3 Fonte: PMSB (2014).

Legenda: LAAP = Lodos Ativados, modalidade Aeração Prolongada; RFA= Reator de Fluxo Alternativo; UASB

= Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente; FSA = Filtro Submerso Aerado.

Para fins de dimensionamento de consumo de energia elétrica pelas ETEs Cocó e

Siqueira, cujas tecnologias, diferentemente da adotada pela ETE Miriú, não produz biogás e,

portanto, não é passível de utilização para geração energética, foram utilizados os parâmetros

de consumo elétrico para estações com tecnologia de lodos ativados, modalidade aeração

prolongada, previstos por Von Sperling (2016): 20 a 35 kWh.hab-1

.ano-1

; e por Gude (2015),

apud Paulo et al. (2019): 0,6 kWh.m-3

de efluente tratado. Com isso, foi possível realizar uma

breve análise econômica no tocante ao balanço elétrico entre as três ETEs propostas pelo

PMSB de 2014.

Notou-se que, em virtude dos maiores contingentes populacionais, os quais

atingiram os limites mínimos de número de habitantes para viabilidade econômica do

aproveitamento energético do biogás para geração de eletricidade, segundo os autores

supracitados, foi conveniente estimar o total de energia elétrica que seria produzido em 2033,

na cidade de Fortaleza, supondo que as três ETEs utilizassem a tecnologia de reatores UASB

para tratar o efluente urbano. Para isso, também foram aplicadas as equações do Quadro 2, os

demais dados considerados na Tabela 6 e, adicionalmente, a Equação 10.

Analogamente ao que foi realizado para estimar o total de residências beneficiadas

com o aproveitamento do biogás para cocção, dividiu-se o somatório total de energia elétrica

teórica de cada ETE futura pelo valor médio de consumo elétrico residencial do Ceará (vide

Tabela 6), assumindo, mais uma vez, que tanto a ETE Cocó como a ETE Siqueira fossem de

tecnologia igual à ETE Miriú, a fim de se obter a quantidade de residências que poderão ser

abastecidas caso essa alternativa seja adotada em 2033.

Com base na produção teórica de energia elétrica e no quantitativo de residências

atendidas por essa geração de eletricidade a partir do biogás de reatores UASB, foi possível

calcular a taxa de atendimento (%) de uma ou mais ETEs com capacidade instalada acima de

100.000 habitantes, por meio da Equação 14, não só para as ETEs Cocó, Miriú e Siqueira,

mas também para as ETEs de estudos de casos apresentados na Revisão Bibliográfica. Para

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66

isso, assumiu-se que cada unidade familiar era composta por 4 pessoas e que a capacidade

instalada em termos populacionais corresponderia ao somatório das populações atendidas por

cada ETE individualmente.

𝒕𝒂𝒙𝒂 𝒅𝒆 𝒂𝒕𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 = 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒑𝒆𝒔𝒔𝒐𝒂𝒔 𝒃𝒆𝒏𝒆 𝒊𝒄𝒊𝒂𝒅𝒂𝒔

𝒄𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝒊𝒏𝒔𝒕𝒂𝒍𝒂𝒅𝒂𝒙 𝟏𝟎𝟎% (14)

Em virtude de melhor representar o ganho da CAGECE diante da sugestão de

substituir as tecnologias aeróbias (LAAP) das ETEs Cocó e Siqueira pela tecnologia

anaeróbia (UASB + FSA), foram realizadas estimativas em termos financeiros, considerando

custos de investimento (CAPEX, do inglês capital expenditure ou capital expenses), os quais

incluíram gastos com a construção civil e com a aquisição dos equipamentos necessários para

o devido tratamento de esgoto; e os custos de operação e manutenção (OPEX, do inglês

operational expenditure ou operational expenses), correspondentes aos gastos com demanda

de energia elétrica, disposição final do lodo gerado durante o tratamento, manutenção do

sistema de aproveitamento energético do biogás, reparação das unidades instaladas, consumo

de óleo lubrificante e análises laboratoriais do biogás.

Finalmente, por meio da utilização da calculadora online de créditos de carbono

(RENSMART, 2018), foi possível representar os ganhos dessa substituição de rota

tecnológica em termos de dióxido de carbono equivalente, baseado no fator de conversão

inglês para o ano de 2018 (0,28307 kgCO2 economizados para cada kWh produzido de fontes

livres de carbono), o qual considerou alguns gases de efeito estufa, como metano e óxido

nitroso (N2O), quanto aos seus equivalentes em quilos de gás carbônico (kgCO2eq). Com isso,

determinou-se a redução de emissões de gases de efeito estufa por meio da avaliação de

ambos os cenários (PMSB e proposto) e seu possível potencial de comercialização com

empresas que necessitassem equalizar as emissões desses gases na atmosfera.

Essas estimativas foram comparadas a esses outros estudos de caso e poderão ser

utilizadas pela concessionária de saneamento da cidade para traçar a melhor abordagem

quanto a possíveis mudanças no PMSB, bem como replicar e balizar as novas tomadas de

decisão quanto às demais ETEs da RMF e do interior, por meio da substituição de tecnologias

obsoletas por métodos mais eficazes de tratamento de esgoto, com previsão de produção de

biogás, a fim de potencializar a geração de energia limpa e renovável.

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4.4 Análise financeira dos cenários avaliados

Para análise financeira, foram considerados: os padrões alemães de

aproveitamento energético do biogás (dada a falta de parâmetros brasileiros); o valor de

CAPEX per capita igual a R$ 70,23.hab-1

e de OPEX anual per capita igual a R$ 19,88.hab-

1.ano

-1, para ETEs de tecnologia LAAP (ETEs Cocó e Siqueira); e o valor de CAPEX per

capita igual a R$ 89,16 .hab-1

e de OPEX anual per capita igual R$ 12,84.hab-1

.ano-1

, para

ETEs de tecnologia reatores UASB, com pós-tratamento de lodos ativados, modalidade

convencional, e sistema de aproveitamento de biogás (UASB + LAC + GAS), adotando essa

tecnologia para a ETE Miriú. As bases de cálculo para determinação desses valores fogem ao

escopo desse trabalho, mas podem ser facilmente encontradas no estudo do Probiogás,

intitulado de “Viabilidade Técnico-Econômica de Produção de Energia Elétrica em ETEs a

partir do Biogás”, o qual realizou essa análise econômica para estações de 10.000 habitantes

(BRASIL, 2016c).

Assim, foi possível calcular o custo de instalação, operação e manutenção de cada

estação, tanto no cenário do PMSB, como no cenário proposto neste trabalho, o qual consiste

na substituição da tecnologia aeróbia das ETEs Cocó e Siqueira, pela tecnologia anaeróbia

adotada na ETE Miriú, com previsão de aproveitamento energético do biogás para geração de

eletricidade.

Com o intuito de mensurar os custos reais, em valores monetários, utilizou-se a

média ponderada da tarifa de bandeira verde, para o grupo B3 (água, esgoto e saneamento),

estabelecida de acordo com a norma vigente da ANEEL nº 2.350/2019, a qual previu: R$

1,35836 por kWh ponta (três horas consecutivas no dia); R$ 0,85089 por kWh intermediário

(duas horas, sendo uma antes e uma depois do horário de ponta); e R$ 0,5396 por kWh fora-

ponta (demais horas do dia, 19 horas). Logo, a média ponderada dessas tarifas resultou em R$

0,66792, sendo esse valor o utilizado para quantificar, em reais, os custos das propostas

previamente explicitadas.

Por fim, foram calculados os custos evitados para cada ETE e em cada cenário,

por meio do produto entre o potencial elétrico para aproveitamento do biogás e a tarifa média,

indicando quantos reais seriam economizados se essa geração fosse vendida à concessionária

de abastecimento energético. Esse valor foi abatido do respectivo OPEX encontrado para

quantificação do balanço financeiro geral.

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68

RESULTADOS E DISCUSSÃO 5

5.1 Das quantidades, tipologias e tecnologias adotadas no Ceará

Dadas as tipologias apresentadas no Quadro 5, após levantamento de suas

respectivas quantidades adotadas nas ETEs do Ceará, foi possível notar que a metodologia de

tratamento de esgotos mais utilizadas no estado foi aquela constituída de decanto-digestor,

filtro anaeróbio e cloração, apresentando, aproximadamente, incidência 2,5 vezes maior do

que a segunda mais utilizada (lagoa facultativa seguida de lagoa de maturação) e cerca de 5,5

vezes maior que a terceira tipologia mais comum (reatores UASB e cloração). Esses e os

demais quantitativos foram apresentados na Tabela 9.

Tabela 9 – Quantitativo das tipologias adotadas

no estado do Ceará.

Tipologia Quantidade

DD + FAN + CL 132

LFC + LMT 56

UASB + CL 25

UASB + FSA + CL 15

DD + FAN 14

LAN + LFC + LMT 11

LFC 9

UASB + RA + CL 6

UASB + LEP 3

EPC 1

LAAP 1

LAN + LFC 1

LAN + LMT 1

LFC + DSE + CL 1

LRF 1

UASB + FAN + CL 1

UASB + FSA + LEP 1

UASB + LFC + LMT 1

Total 280 Fonte: O AUTOR (2019).

Legenda: LES = Lagoas de Estabilização; LFC = Lagoa Facultativa; LMT = Lagoa de Maturação; LAN = Lagoa

Anaeróbia; LEP = Lagoa de Polimento; LRF = Lagoa de Resfriamento; DD = Decanto Digestor; CL = Cloração;

FAN = Filtro Anaeróbio; FSA = Filtro Submerso Aerado; UASB = Reatores UASB; RA = Reator Aeróbio; DSE

= Decantador Secundário; EPC = Estação de Pré-Condicionamento; LAAP = Lodos Ativados de Aeração

Prolongada.

A grande adoção de ETEs de tipologia decanto-digestor (ou fossa séptica) pode

ser justificada tanto pela antiga estratégia, por parte da CAGECE, de descentralizar o

tratamento de esgotos, como devido a pouca disponibilidade de área para instalação de

estações de maior porte; além do fato de estações menores e menos onerosas serem

preferenciais em regiões mais distantes de centros urbanos, como na zona rural e nas

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69

periferias dos centros urbanos, em cujo acesso se torna bastante dificultoso para o transporte

de materiais e de subprodutos do tratamento, manutenção e segurança dos funcionários e dos

equipamentos para operação de ETEs mais complexas.

A Figura 16, por sua vez, retratou essa proporção discrepante, em termos de

número absoluto de ETEs por tecnologia adotada, o que não necessariamente representa a

realidade em razão da vazão de esgoto tratado por estação, uma vez que ETEs com tecnologia

DD costumam ser de porte menor e, consequentemente, ter menor afluência de esgoto para

condicionamento e posterior disposição no meio ambiente. Vale ressaltar que, como

apresentado no Quadro 5, foram enquadradas como “outros” as tipologias EPC, LAAP e

LRF.

Figura 16 – Percentual das tecnologias adotadas em ETEs operadas pela

CAGECE.

Fonte: O AUTOR (2019).

Legenda: LES = Lagoas de Estabilização; DD = Decanto-Digestor; UASB = Reatores UASB.

Em comparação ao panorama traçado por Chernicharo et al. (2018a), percebeu-se

que, para as regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste, o panorama (Figura 1b) aparentou ser mais

promissor, visto que a tecnologia tanque séptico foi bem menos utilizada (apenas 7,26% das

1.667 ETEs inventariadas), com foco na preferência de sua adoção para ETEs de micro porte

(86% dos sistemas com tanque séptico são empregados em ETEs com Pop ≤ 2.000 hab).

Entretanto, essa é uma realidade que tende a ser repetida no Ceará, principalmente na capital,

Fortaleza, uma vez que abordagens de tratamento centralizado de efluentes estão se

mostrando mais promissoras. Dessa forma, estações de tratamento de tecnologia DD, de uma

forma geral, estão sendo desativadas ou transformadas em estações elevatórias de esgoto

28,2%

18,6%

52,1%

1,1%

Percentual de tecnologias adotadas no

Ceará

LES

UASB

DD

OUTROS

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70

(EEE) para aduzir as pequenas contribuições isoladas a ETEs mais robustas e de eficiência de

remoção de carga orgânica mais satisfatória.

Medeiros et al. (2014) traçaram um panorama de 192 sedes pertencentes à região

do semiárido brasileiro e concluíram que, avaliando as localidades com sistema de coleta e

tratamento de esgoto, o Ceará apresentou maior índice de cobertura desses serviços, seguido

pela região do semiárido mineiro e potiguar. Entretanto, confrontando o cenário geral

levantado pelos autores e o panorama estabelecido neste trabalho, foi possível perceber,

diferentemente do representado na Figura 16, que houve maior predominância do sistema de

lagoas de estabilização (61,31% das ETEs em operação nessa região), ficando, em segundo

lugar, as estações com tecnologia reatores UASB (17,52%) e, surpreendentemente, na última

posição, os sistemas dotados de fossa séptica, modalidade condominial (2,55%). Esses

percentuais representaram maior desenvolvimento, pelo menos na teoria, dos sistemas de

tratamento do semiárido do Brasil, comparado ao cenário estabelecido nesta pesquisa, visto

que opções mais eficientes foram adotadas.

Quando foram comparados os números de tecnologias das estações de tratamento

por unidade administrativa da CAGECE (Figura 17 e Tabela 10), notou-se que havia mais

regiões com predominância da tecnologia LES: seis unidades ao todo, sendo todas elas no

interior do Ceará. Essa prevalência pode ser explicada pela maior facilidade de se encontrar

área disponível para construção de lagoas de estabilização, bem como pela facilidade de

operação dessa tecnologia, a qual não requer procedimentos operacionais horários nem

necessita de equipamentos sofisticados para tratamento do efluente, ou seja, menor demanda

de operação e de limpeza da área, permitindo a instalação dessas estações em localidades mais

distantes da zona urbana, quando há disponibilidade territorial.

No que se refere ao total de ETEs com reatores UASB, percebeu-se que, ao longo

do território cearense, apenas 18,6% (52 ETEs) do total de ETEs apresentaram tal tecnologia

implantada, ou seja, com suposto potencial para recuperação de biogás de maneira imediata,

i.e., estações cuja tecnologia adotada prevê a geração, separação e captação para utilização do

biogás em diversos fins, conforme apresentado no item 3.4. De acordo com a Tabela 10, esta

tecnologia é a mais predominante na UN-BME, embora a UN-MTE apresente maior valor

absoluto da adoção desses reatores anaeróbios. Dessa forma, aproximadamente 79% das ETEs

com UASB estão localizadas em Fortaleza e em sua região metropolitana, visto que essa

tecnologia permite que essas ETEs sejam mais compactas, atendam uma maior população e

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apresentem maior eficiência que, por exemplo, a outra tecnologia anaeróbia utilizada pela

companhia, os decanto-digestores.

Em paralelo ao panorama do estado de São Paulo, o Ceará apresentou vantagem

em termos percentuais (18,6% vs. 8,72%), embora SP tenha apresentado maior número

absoluto de ETEs com tecnologia UASB (76 unidades) (CHERNICHARO et al., 2018a).

Contudo, ao comparar a adoção dessa tecnologia aos índices dos estados do Paraná e de

Minas Gerais (CHERNICHARO et al., 2018), percebeu-se a incrível discrepância entre o

cenário dessas localidades e o Ceará.

No estado de MG, houve contabilização de 170 ETEs, quase quatro vezes o total

do Ceará, com tecnologia reatores UASB (78% do total de estações construídas), enquanto

que o estado do PR ostentou a alta marca de 89% das unidades de tratamento de esgoto (258

ETEs com tecnologia reatores UASB, cinco vezes o total cearense). Para esse estado, esse

índice pode ser explicado, principalmente, pela presença dos projetistas da Sanepar

(concessionária de saneamento básico do Paraná) na Holanda, durante a década de 80,

interagindo com o inventor do reator UASB, Gatze Lettinga; para aquele, entre outros fatores,

destacou-se o fato de o estado de MG apresentar relevo bastante acidentado, o que requer

sistemas mais compactos de tratamento, além da grande influência das pesquisas no âmbito

do Prosab (Programa de Pesquisas em Saneamento Básico), sendo algumas das coordenações

na temática de esgoto realizadas pela Universidade Federal de Minas Gerais.

Figura 17 – Representação da quantidade de tecnologias adotadas por unidade

administrativa da CAGECE, em 2018.

79

52

146

3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

BSA BBJ BAJ BBA BPA BAC BSI BCL BME MTE TOTAL

To

tal

de

ET

Es

Bacia administrativa

Quantidade de ETEs por tecnologia

LES

UASB

DD

OUTROS

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Fonte: O AUTOR (2019).

Legenda: BSA: Bacia do Salgado; BBJ: Bacia do Baixo Jaguaribe; BAJ: Bacia do Alto Jaguaribe; BBA: Bacia

do Banabuiú; BPA: Bacia do Parnaíba; BAC: Bacia do Acaraú e Coreaú; BSI: Bacia da Serra da Ibiapaba;

BCL: Bacia do Curu e Litoral; BME: Bacia Metropolitana; MTE: Metropolitana de Macrocoleta e Tratamento de

Esgoto.

Tabela 10 – Quantitativo de ETEs por unidade administrativa e por tecnologia.

Fonte: O AUTOR (2019).

Legenda: BSA: Bacia do Salgado; BBJ: Bacia do Baixo Jaguaribe; BAJ: Bacia do Alto Jaguaribe; BBA: Bacia

do Banabuiú; BPA: Bacia do Parnaíba; BAC: Bacia do Acaraú e Coreaú; BSI: Bacia da Serra da Ibiapaba;

BCL: Bacia do Curu e Litoral; BME: Bacia Metropolitana; MTE: Metropolitana de Macrocoleta e Tratamento de

Esgoto.

A unidade da CAGECE que mais se aproximou da realidade de implantação de

reatores UASB apresentada pelos estados das regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste

(CHERNICHARO et al., 2018a) foi a UN-BME, com 48,39% das ETEs identificadas com

essa tecnologia, enquanto que o estado de Santa Catarina apresentou 52% das estações com

mesma característica; o Distrito Federal, 69%. De fato, esse índice das ETEs da RMF

superou, em termos percentuais, o índice geral de adoção da tecnologia UASB para as regiões

Sul, Sudeste e Centro-Oeste (39,5%).

Em um paralelo internacional, considerando 2.734 estações de tratamento

distribuídas em países da América Latina e do Caribe e classificando-as por tecnologia de

tratamento, Noyola et al. (2012) também apresentaram melhor cenário frente ao panorama

evidenciado no Ceará, uma vez que, mais uma vez, tecnologias mais avançadas foram

majoritariamente adotadas, a exemplo: 38% da totalidade dessas ETEs eram de tecnologia

lagoas de estabilização, 26% de lodos ativados e suas variantes e 17% de reatores UASB.

Quanto ao valor percentual de reatores UASB, percebeu-se proximidade entre a presença

dessa tecnologia no Ceará (18,6%) e nos países latinos e caribenhos (17%), embora,

comparando o número absoluto, enquanto que houve um total de apenas 52 ETEs no Ceará,

Unidade Tecnologias

LES UASB DD OUTROS

BSA 8 3 7 0

BBJ 8 0 0 0

BAJ 5 1 1 0

BBA 2 3 2 0

BPA 5 0 13 0

BAC 7 1 0 0

BSI 9 2 0 0

BCL 11 0 0 1

BME 7 15 9 0

MTE 17 27 114 2

TOTAL 79 52 146 3

Total Geral 280

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para esses países, os autores contabilizaram 493 unidades. Contudo, vale ressaltar que Noyola

et al. (2012) não consideraram a tecnologia tanques sépticos, pois trataram essa tecnologia

como tratamento preliminar.

Interessante salientar também que, dos países analisados pelos autores

supracitados (Brasil, Chile, Colômbia, Guatemala, República Dominicana e México), o Brasil

foi o país em que mais se contabilizou, em pontos percentuais, a tecnologia de reatores UASB

(aproximadamente 30%); enquanto que, no Chile, esse percentual foi nulo (0%).

Desconsiderando a tecnologia adotada, percebeu-se que, como esperado, devido

ao respectivo contingente populacional das cidades em cada UN, a quantidade de ETEs foi

maior na unidade referente à capital (UN-MTE), cerca de cinco vezes maior do que o total da

segunda maior frequência, correspondente às estações da região metropolitana (UN-BME), a

qual, como também suposto, foi superior às demais unidades do interior. Todos os resultados

foram representados na Figura 18.

Figura 18 – Quantitativo de ETEs operadas pela CAGECE por unidade

administrativa.

Fonte: O AUTOR (2019).

Legenda: BSA: Bacia do Salgado; BBJ: Bacia do Baixo Jaguaribe; BAJ: Bacia do Alto Jaguaribe; BBA: Bacia

do Banabuiú; BPA: Bacia do Parnaíba; BAC: Bacia do Acaraú e Coreaú; BSI: Bacia da Serra da Ibiapaba;

BCL: Bacia do Curu e Litoral; BME: Bacia Metropolitana; MTE: Metropolitana de Macrocoleta e Tratamento de

Esgoto.

Logo, de uma forma geral, o panorama das ETEs por região, no estado, mostrou,

conforme a Figura 19, que o número de ETEs operadas pela CAGECE apenas na capital

corresponde a 57,1% do total de estações do estado. Se somado ao quantitativo da região

metropolitana de Fortaleza (RMF), esse percentual aumenta para 68,9% da totalidade de

18

8

7

7

18

8

11

12

31

160

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

BSA

BBJ

BAJ

BBA

BPA

BAC

BSI

BCL

BME

MTE

Total de ETEs

Ba

cia

ad

min

istr

ati

va

Quantidade de ETEs por UN

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ETEs, enquanto que o número de ETEs do interior, excetuando as instaladas na RMF,

representam apenas 31,8% das 280 ETEs inventariadas, ou seja, 89 estações.

Figura 19 – Representação do percentual de ETEs operadas pela CAGECE, em

2018.

Fonte: O AUTOR (2019).

5.2 Dos portes das estações de tratamento de esgoto

Em razão das ausências constantes de informações a respeito da população de

projeto das ETEs e da possibilidade de estimá-las, pelo atlas da ANA (ANA, 2017), somente

foi possível o levantamento do porte de 194 ETEs (aproximadamente 69% do total de

estações ativas, disponibilizadas pela GDOPE). Dessas, como representado pela Tabela 11,

13% apresentaram porte médio, enquanto que apenas 1% foi considerada de grande porte

(duas estações com população atendida acima de 100.000 habitantes). Ao somar as

porcentagens das ETEs de micro e pequeno portes, ou seja, de estações que atendem até

10.000 habitantes, percebeu-se que 85% do total enquadravam-se nesse intervalo,

corroborando, mais uma vez, a prioridade da concessionária de saneamento do estado na

adoção de um sistema de esgotamento descentralizado, i.e., um maior número de ETEs de

menor porte para populações pouco numerosas.

Foi possível perceber a mudança de abordagem para uma mais centralizada

quanto aos sistemas de esgotamento sanitário das regiões inventariadas por Chernicharo et al.

(2018a), que apresentou 57% das ETEs instaladas para atendimento de contingentes

populacionais de até 10.000 habitantes (ETEs de micro e pequeno porte), 36% de ETEs de

CAPITAL

57,1%

RMF

11,1%

INTERIOR

31,8%

Percentual de ETEs no Ceará

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médio porte e 7% de ETEs de grande porte. Essa abordagem se tornou mais atrativa sob o

ponto de vista operacional, em comparação ao cenário cearense, visto que resultou em menos

unidades para monitoramento de qualidade de efluente, menor geração de passivos ambientais

e menor disponibilização de mão-de-obra para operar os equipamentos de tratamento de

esgoto.

Quanto às 86 estações de tratamento das quais não foi possível determinar a

população atendida, 66 (77% das incompletas) consistiam em ETEs com tecnologia DD e

situavam-se na capital, Fortaleza, portanto, pertencentes à Unidade Metropolitana de

Macrocoleta e Tratamento de Esgoto (UN-MTE). Assim, devido à obsolescência da referida

tecnologia e à previsão de inativação ou substituição desses modelos, esse quantitativo

ausente na contabilidade de dados não representou grande prejuízo ao panorama do

tratamento de esgoto estadual.

Tabela 11 – Classificação das ETEs do Ceará por porte, quanto à população atendida.

Portes Intervalos Populacionais (Hab) Quantidades

Micro Pop ≤ 2000 78

Pequeno 2001 ≤ Pop ≤ 10.000 88

Médio 10.001 ≤ Pop ≤ 100.000 26

Grande Pop ≥ 100.001 2

Total 194 Fonte: O AUTOR (2019).

Tendo em vista que a população de projeto é um parâmetro essencial para a

adequada determinação da metodologia de tratamento de uma ETE, o quantitativo dos portes

das estações foi relacionado com a tecnologia adotada pela CAGECE e representado na

Figura 20, para melhor estimativa das escolhas da companhia, no que se refere ao fator

número de habitantes e preferência de tratamento.

Notou-se a expressiva presença de sistemas tratando esgotos por decanto-

digestores para o atendimento de populações de até 2.000 habitantes, ou seja, em ETEs de

micro porte, representando, aproximadamente, 60% dos sistemas implantados para essa faixa

populacional. Esse cenário mudou quando foram analisados os quantitativos de ETEs nos

demais portes determinados, e.g., o número de estações utilizando DD reduziu de 47 para 27

unidades em ETEs de pequeno porte (31% das estações desse intervalo de população) e

atingiu o valor nulo em ETEs de médio e grande porte.

Em contrapartida, ETEs utilizando lagoas de estabilização demonstraram ser mais

preferíveis em se tratando de contingentes populacionais maiores, dado que, em valores

percentuais, essa tecnologia cresceu de 15% nas ETEs de micro porte para 49% nas ETEs de

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pequeno porte e novamente para 58% em ETEs de médio porte. De fato, esse resultado era o

previsto, dado que a tecnologia de decanto-digestor já não apresenta elevada eficiência para

remoção de carga orgânica em sistemas de baixa demanda populacional, logo, tornar-se-ia

ainda menos favorável sua aplicação para ETEs de portes maiores.

O mesmo aconteceu para o cenário geral traçado por Chernicharo et al. (2018a),

em que o número de fossa séptica reduziu conforme aumentou a capacidade de tratamento da

ETE, em termos do total de habitantes atendidos, vide Figura 1a. Cabe salientar também que,

em se tratando de reatores UASB dessa região, o percentual de adoção de ETEs com reatores

UASB aumentou à medida que cresceu a capacidade de atendimento (26% para micro porte,

36% para pequeno porte e 51% para médio porte). Quanto às estações de grande porte (Pop >

100.000 hab), percebeu-se a preferência por essa tecnologia em valores absolutos (46

unidades), seis unidades acima da segunda mais utilizada (lodos ativados, 40 unidades), o que

representou 40% do total para essa categoria.

Figura 20 – Quantitativo de ETEs por tecnologia adotada, em cada faixa populacional.

Fonte: O AUTOR (2019).

No que se refere à tecnologia de reatores UASB no estado do Ceará, houve uma

diminuição do percentual de sua aplicação de 24%, nas ETEs de micro porte, para 20% nas

ETEs de pequeno porte, apenas em virtude de o número de estações com reatores UASB ter

diminuído em uma unidade, enquanto aumentou número absoluto de ETEs na categoria de

pequeno porte; porém, esse percentual tornou a crescer para 38% no tocante às ETEs de

médio porte, semelhante ao ocorrido no estudo de Chernicharo et al. (2018a). Esse fator

12

43

15

1

47

27

0 0

19 18

10

1 0 0 1 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Pop ≤ 2.000 2.001 ≤ Pop ≤

10.000

10.001 ≤ Pop ≤

100.000

Pop ≥ 100.001

mer

o d

e E

TE

s

Intervalo populacional

Preferência de tecnologia por intervalo

populacional no Ceará

LES

DD

UASB

LA

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77

também pode ser atribuído à sua versatilidade, à sua maior eficiência de remoção de DQO e à

sua capacidade de amortecimento para tratamento de variadas concentrações de carga

orgânica durante o dia, à qual estão sujeitas todas as estações de maiores contingentes

populacionais. Adicionalmente, por ser uma tecnologia que, em sua concepção, já favorece a

produção de metano passível de utilização para fins energéticos, a maior quantidade de ETEs

com essa tecnologia para a faixa populacional de até 100.000 habitantes, de acordo com os

estudos apresentados no item 3.4 e, em especial, conforme citaram os autores Bressani-

Ribeiro et al. (2019), abre perspectiva para o aproveitamento térmico do biogás na cocção, no

aquecimento de água dos chuveiros da vizinhança e na secagem de lodo da ETE.

Com o intuito de complementar o panorama traçado a respeito da condição do

tratamento de efluentes no estado do Ceará, analisou-se, ainda, mais um aspecto que permitiu

mensurar a capacidade de tratamento dessas ETEs: as vazões de afluência de esgoto, i.e., a

quantidade, em L.s-1

, de esgoto que flui para dentro das ETEs a fim de passar pelas unidades

de tratamento. Dessa forma, cada estação foi classificada por porte, de acordo com os

intervalos apresentados previamente no item 4.2 e discriminados na Tabela 12, para um total

de 204 ETEs.

Com esses resultados, foi possível perceber que, surpreendentemente, houve

maior disponibilização de dados quanto à vazão de esgoto do que à população atendida pelas

ETEs – tanto no atlas da ANA (ANA, 2017), quanto nas planilhas de memorial consultadas na

CAGECE –, ainda que a medição de vazão não seja uma rotina operacional instituída na

concessionária de tratamento de esgoto do estado, já que as ETEs não dispõem de medidores

precisos de vazão de esgoto, como medidores ópticos.

Tabela 12 – Classificação das ETEs do Ceará por porte, quanto à vazão afluente.

Portes Intervalos de Vazão (L.S-1

) Quantidades

Pequeno Q ≤ 60 193

Médio 60 < Q < 200 11

Grande Q ≥ 200 0

Total 204 Fonte: O AUTOR (2019).

Outro ponto que mereceu destaque foi o fato de 193 do total de 204 ETEs com

dados de vazão disponíveis, ou seja, 94,6% das estações levantadas apresentaram

classificação de porte pequeno quanto à vazão afluente de esgoto, o que, mais uma vez,

explicita, em termos quantitativos, a abordagem da CAGECE de descentralizar o tratamento

de esgotos no Ceará.

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A Figura 21, analogamente à Figura 20, aprofundou a classificação das estações,

exibindo o quantitativo de ETEs por porte, correlacionando-as a suas respectivas tecnologias

de tratamento. Assim como foi percebido na Figura 20, notou-se uma maior predileção para a

utilização de decanto-digestores quando a carga hidráulica era reduzida, com a adoção de DD

para 43% das ETEs com capacidade de tratamento de até 60 L.s-1

. Adicionalmente, para

estações com vazão afluente correspondente ao porte médio, percebeu-se dominação da

tecnologia lagoas de estabilização, enquanto que a tecnologia anterior apresentou valor igual

zero, posto que seria inviável econômico e operacionalmente a execução de fossas sépticas

para condicionar a contento, em termos ambientais, tamanha vazão.

Noyola et al. (2012) também avaliaram a vazão afluente de 2.734 ETEs, a fim de

classificá-las por porte e por tecnologia de tratamento, nos países latinos e caribenhos, e

perceberam, assim como no Ceará, a maior representatividade de estações de pequeno porte

(67,4%), considerando aquelas de fluxo de esgoto menor ou igual a 25 L.s-1

; enquanto que as

ETEs consideradas de médio porte (25 < Q ≤ 250 L.s-1

) representaram 26,6%. O somatório

dessas parcelas (94%) foi bastante similar ao notado para o panorama cearense de ETEs

pequenas (Q ≤ 60 L.s-1

), o qual apresentou 94,6% das estações do estado nessa categoria.

Figura 21 – Quantitativo de ETEs por tecnologia adotada, em cada faixa de vazão.

Fonte: O AUTOR (2019).

61

10

83

0

48

1 1 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Q ≤ 60 60 < Q < 200

mer

o d

e E

TE

s

Intervalo de vazão

Preferência de tecnologia por intervalo de

vazão no Ceará

LES

DD

UASB

LA

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79

Embora as três tecnologias mais utilizadas no estado do Ceará exibissem

consideráveis diferenças, tais como requisitos de áreas, microrganismos envolvidos e índices

de produção de lodo, foram notórias duas importantes semelhanças entre elas: DD, LES e

reatores UASB necessitam de baixas demandas energéticas para funcionar e apresentam

relativa simplicidade operacional, o que implica em reduzidos custos de operação,

diferentemente da tecnologia de lodos ativados, principalmente na modalidade aeração

prolongada. Assim, percebeu-se um perfil de preferência dessas tecnologias de tratamento por

parte da CAGECE, em virtude da descentralização dos sistemas e da localização dessas

unidades.

A elevada presença de ETEs de portes menores, atendendo populações reduzidas e

com carga hidráulica baixa, reflete o lento crescimento do esgotamento sanitário no estado, o

que é resultado dos constantes e comprimidos aportes de recursos financeiros e demais

incentivos para o saneamento básico, ou seja, ao longo dos anos, raramente houve repasse de

grandes quantias de dinheiro para construção e instalação de estações de tratamento mais

robustas no Ceará, ou lançamento de políticas públicas representativas, que incentivasse a

expansão do setor no estado. Portanto, para destinar o pouco dinheiro recebido, optou-se pela

construção de ETEs descentralizadas, as quais, atualmente, apresentam uma série de

desvantagens, principalmente no tocante ao controle de qualidade dessa operação pulverizada

e ao consequente impacto ambiental desencadeado por essas estações.

Segundo Chernicharo et al. (2015), o adequado saneamento de uma região ocorre

em função de fatores socioeconômicos e ambientais, em que aqueles determinam a variedade

de opções a serem adotadas pelos governantes e projetistas, dependendo das especificidades

locais. Assim, geralmente se assumem fatores econômicos para determinar o ritmo com que as

obras de instalação de um sistema de esgotamento sanitário acontecem e a qualidade desses

serviços, ou seja, regiões mais pobres tendem a receber rede coletora e estações de tratamento

de esgoto por último ou de baixa adequabilidade, o que justifica a abordagem da CAGECE,

constatada pelos dados supracitados.

Felizmente, em outra perspectiva, a descentralização dos SES pode ser desejável,

principalmente sob a ótica do uso de efluentes domésticos e da recuperação de recursos

hídricos e de nutrientes, uma vez que previne a mistura destes efluentes com efluentes

industriais, permitindo, mais facilmente, o fomento do uso agrícola do esgoto doméstico

previamente e devidamente condicionado (CHERNICHARO et al., 2015). Dessa forma, os

autores constataram que a otimização da descentralização do tratamento de esgotos, a fim de

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80

potencializar suas vantagens, perpassa pelas condições locais onde se prevê a instalação de

novas ETEs, bem como pela associação dessas estações a uma forma de recuperação de

recursos, como o uso ou a recuperação de água e nutrientes, em detrimento da simples

instalação de uma ETE com o intuito de resolver um problema puramente sanitário, isto é,

permitindo agregar valor econômico ao sistema de esgotamento, ideia pela qual esta pesquisa

se baseou.

5.3 Da capacidade de tratamento das ETEs com tecnologia reatores UASB

O levantamento das concentrações de DQO bruta e tratada durante o ano de 2018

permitiu a avaliação da capacidade de remoção de carga orgânica dos sistemas operando com

rotas tecnológicas diferentes, proporcionando, principalmente, em se tratando de

biodigestores anaeróbios, a comparação entre ETEs de tecnologia reatores UASB com e sem

pós-tratamento. Assim, das 43 ETEs que se encaixaram nesse perfil, 21 estações foram

consideradas sem pós-tratamento; e 22, com pós-tratamento. Os valores de 2018 e da média

anual compuseram os gráficos de box plot de ambos os grupos, os quais foram ilustrados pela

Figura 22 e pela Figura 23.

Figura 22 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB sem pós-

tratamento.

Fonte: O AUTOR (2019).

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Média

Efi

ciên

cia

Eficiência de UASBs sem pós-tratamento

25% 50% 90% 10% Mín Máx 75%

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81

Com relação às 21 ETEs sem pós-tratamento, percebeu-se que a média mensal de

remoção de DQO de todas variou de 17% até 79%, ao longo do ano de 2018, enquanto que,

ao analisar os valores de cada ETE, individualmente, foi possível notar uma maior variação

(de 0% a 96,6%). De fato, em nove dos doze meses houve eficiência nula em pelo menos uma

das 21 ETEs examinadas, e apenas em quatro meses houve pelo menos uma ETE com

resultados de eficiência acima de 90%, corroborando a constatação de que essa rota

tecnológica não demonstrou porcentagens promissoras para replicação dessa tipologia em

demais localidades.

Em contrapartida, de uma forma geral, o valor médio aproximado referente à

eficiência de remoção de DQO de ETEs sem pós-tratamento foi de 50,2%. Este valor, de

acordo com Chernicharo (2016), foi considerado baixo, posto que a eficiência média esperada

de reatores UASB é de 65%, assumindo um cenário não tão favorável. Vale ressaltar que, para

essas ETEs, as médias de DQO bruta afluente e de DQO tratada efluente foram iguais a,

respectivamente, 1.046 mg.L-1

e 432 mg.L-1

. Se calculada a eficiência média com esses

valores, o percentual seria diferente do apresentado anteriormente, uma vez que, para cálculo

da eficiência média, como descrito na metodologia deste trabalho, consideraram-se nulas (%E

= 0%) os resultados negativos.

Outra característica explícita no gráfico da Figura 22 foi a grande amplitude

interquartil ao longo dos meses e na média geral, o que indicou que as ETEs sem pós-

tratamento não apresentaram grande capacidade de amortecimento de carga orgânica, ou seja,

a estação não conseguiu manter uma eficiência satisfatória para picos de cargas de DQO

flutuantes. Em se tratando de efluentes urbanos, dispor de uma boa capacidade de

amortecimento é fator preponderante, uma vez que é clássico o perfil de distribuição de

afluência de vazão às ETEs ao longo do dia com maior demanda em intervalos de horas

específicas, em detrimento de um perfil horário de carga hídrica e orgânica constantes. Essa

característica também é interessante quando a estação se localiza em áreas turísticas, em que a

população contribuinte flutua ao longo do ano, requisitando maior esforço das ETEs em

períodos de alta estação.

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82

Figura 23 – Eficiências da remoção de DQO das ETEs de reatores UASB com pós-

tratamento.

Fonte: O AUTOR (2019).

Por sua vez, as estações de tratamento de esgoto com reatores UASB seguidas de

algum pós-tratamento apresentaram, para o ano de 2018, uma média de remoção de DQO de,

aproximadamente, 70,4%, indicando um aumento de 20 pontos percentuais, comparando às

ETEs do grupo anterior, como pode ser analisado no gráfico da Figura 23. De certa forma,

embora numericamente melhor do que o resultado evidenciado para as estações sem pós-

tratamento, esse percentual de remoção de DQO também não pôde ser considerado de

excelência, visto que, em configurações de UASB + pós-tratamento, espera-se, segundo a

literatura clássica, uma eficiência média de 80%, podendo chegar até valores bem próximos

de 100%, dependendo da tipologia da ETE. Por exemplo, Chernicharo e Almeida (2011)

apontaram uma eficiência de 80% para um sistema composto por reatores UASB e filtro

biológico percolador; Von Sperling (2005), apud Chernicharo (2016), ilustrou algumas

associações de reatores UASB com outras tecnologias e constatou que as combinações de

UASB + flotação por ar dissolvido, UASB + biofiltro aerado submerso (FSA) e UASB +

lodos ativados exibiram maior eficiência de remoção de DQO (83 a 93%).

Ademais, em termos de eficiências mensais, foi notória também a diminuição da

frequência de valores nulos (quatro meses ao todo, cinco meses a menos do que esse número

para as ETEs da Figura 22) e o aumento de eventos em que pelo menos uma estação

apresentou eficiência maior que ou igual a 90% (em todos os doze meses, nove a mais do que

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Média

Efi

ciên

cia

Eficiência de UASBs com pós-tratamento

25% 50% 90% 10% Mín Máx 75%

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83

esse valor para o outro conjunto). No que se refere às médias das concentrações de DQO para

essas estações, de maneira similar às ETEs sem pós-tratamento, a DQO bruta foi igual a 978

mg.L-1

, e a DQO tratada resultou em 282 mg.L-1

.

Percebeu-se, facilmente, também a regressão do intervalo interquartil e, portanto,

a demonstração da maior capacidade de amortecimento dessas ETEs com pós-tratamento, as

quais conseguiram suportar picos de cargas mais elevadas de DQO afluente e manter uma

eficiência aceitável, devido à robustez da rota tecnológica adotada, que contou, na maioria dos

casos, com um pós-tratamento aeróbio, seguido de uma etapa de decantação secundária (e.g.:

FSA e decantador lamelar), promovendo uma maior oxidação da matéria orgânica

anteriormente à cloração, a qual visa apenas à, especialmente, remoção de patógenos. Em

virtude disso, pôde-se concluir que houve menor impacto ambiental nas regiões para que

essas estações destinassem seus efluentes condicionados.

Por fim, outro ponto surpreendente, mesmo após o tratamento estatístico e

exclusão de outliers das amostras de DQO bruta e tratada de todas as ETEs, foi o evento de

eficiência máxima (98,8%) apontada pelos valores das planilhas de qualidade de efluente

analisadas, referente à tipologia de UASB + RA + CL. Entretanto, foi uma ETE de tipologia

UASB + LEP que exprimiu maior eficiência média em 2018: 93,0%; e outra de tipologia

UASB + FSA + CL que apresentou a menor eficiência média no mesmo período: 42,3%.

5.4 Do potencial atual de produção de biogás no Ceará

O resumo dos dados calculados de produção de biogás foi representado na Tabela

13, na Tabela 14 e na Tabela 15, para as ETEs pertencentes à capital (UN-MTE), à região

metropolitana de Fortaleza (UN-BME) e ao interior do Ceará (demais UNs). Como o

contingente populacional não ultrapassou o valor de 100.000 habitantes por ETE, não foram

realizados cálculos de aproveitamento de biogás para geração de energia elétrica. Porém,

como previram Bressani-Ribeito et al. (2019), ETEs com populações abaixo desse limite

abrem precedentes para aproveitamento do biogás para fins térmicos.

Dessa forma, considerando os parâmetros estabelecidos na Tabela 6, com ênfase

nos dados de PCI do CH4 (9,97 kWh.m-3

CH4 ou 35,9 MJ.m-3

CH4), de consumo médio de biogás

para cocção (1.125 L.dia-1

), %E térmica do fogão a biogás (40%), teor de metano típico no

biogás (75%) e no fator de conversão de DQO aplicada em lodo (0,17 kgDQOlodo.kgDQOapl-

1), foi possível estimar a produção de biogás e a geração de energia térmica proveniente desse

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84

volume formado, bem como prever a quantidade de residências e de pessoas que seriam

beneficiadas com esse aproveitamento, para cada grupo analisado.

A respectiva vazão média de produção de biogás (a 75% de CH4) e de metano, no

tocante às ETEs de Fortaleza, foi igual a 198,4 m³.dia-1

e 148,8 m³.dia-1

. Além disso, também

foi notória a geração média de 148,6 kgDQO.dia-1

sob a forma de biomassa (lodo), devendo,

portanto, haver estudos que abordem o gerenciamento dessa parcela, como utilização do

biogás gerado para desinfecção e secagem desse volume e melhores alternativas para

destinação final, visando a evitar passivos ambientais e custos desnecessários à Companhia.

Devido ao tamanho populacional (10.001 ≤ Pop ≤ 100.000), das 23 estações

pertencentes ao grupo da UN-MTE, a Tabela 13 permitiu destacar que apenas cinco ETEs

(ETE 19 a ETE 23, 17% do total de ETEs de Fortaleza) configuraram no grupo de estações

economicamente aptas para a utilização do biogás como combustível de secadores térmicos

de lodo, possibilitando ainda a potencialização da produção desse gás por meio da geração de

biogás proveniente da escuma dos reatores UASB. Para a maioria das estações (ETE 01 a

ETE 19, 83%), essa alternativa não se mostrou economicamente viável e, portanto, foi

desconsiderada.

Ademais, para a totalidade das ETEs operadas pela CAGECE e em Fortaleza, foi

possível notar que houve produção máxima de energia térmica igual a 15.880,6 MJ.dia-1

e

mínima de 138,8 MJ.dia-1

, bem como média de geração igual a 2.136,1 MJ.dia-1

. Logo, de

uma forma geral, considerando que as 23 estações reaproveitassem o biogás produzido para

fins de cocção, percebeu-se que um total de 4.056 residências circunvizinhas às respectivas

estações poderiam ser abastecidas com esse biogás para ser alimentado como combustível em

fogões especiais.

Vale ressaltar que a variação notada no número de casas abastecidas por ETE

dependeu, principalmente, da vazão fornecida pela companhia de saneamento e, em

consequência, do volume de biogás gerado, de modo que as estações maiores vazões foram as

que apresentaram mais unidades habitacionais beneficiadas foram as ETEs 20 e 23, com,

respectivamente, 1.311 e 530 residências contempladas.

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85

Tabela 13 – Avaliação da produção de biogás e geração de energia térmica das ETEs de Fortaleza (UN-MTE).

ETE

População Vazão DQO

Bruta

DQO

Tratada Eficiência

de remoção

de DQO

DQO

Removida

DQO

Aplicada DQO Lodo DQO CH4 Q CH4 Q Biogás

Potencial

térmico

Nº de

residências

abastecidas

por ETE hab L.s

-1 mg.L

-1 mg.L

-1 kgDQO.dia

-1 kgDQO.dia

-1 kgDQO.dia

-1 kgDQO.dia

-1 m³.dia

-1 m³.dia

-1 MJ.dia

-1

ETE 01 100 1,0 732 119 83,8% 52,99 63,26 10,75 42,24 15,99 21,33 229,63 19

ETE 02 450 5,0 546 181 66,9% 157,94 235,96 40,11 117,82 44,61 59,49 640,52 53

ETE 03 612 4,9 899 429 52,3% 199,81 382,36 65,00 134,81 51,05 68,06 732,89 61

ETE 04 714 1,2 1125 198 82,4% 95,28 115,63 19,66 75,62 28,63 38,18 411,08 34

ETE 05 800 5,0 1503 348 76,8% 498,81 649,17 110,36 388,45 147,09 196,12 2111,77 174

ETE 06 832 4,7 996 300 69,9% 280,18 400,86 68,15 212,04 80,29 107,05 1152,71 95

ETE 07 1040 1,6 973 581 40,3% 52,77 131,10 22,29 30,48 11,54 15,39 165,69 14

ETE 08 1620 1,3 988 210 78,8% 88,79 112,70 19,16 69,64 26,37 35,16 378,57 31

ETE 09 2745 5,2 664 394 40,7% 121,49 298,45 50,74 70,76 26,79 35,72 384,67 32

ETE 10 2817 2,7 759 517 31,9% 57,22 179,65 30,54 26,68 10,10 13,47 145,03 12

ETE 11 3775 22,6 653 529 19,0% 241,90 1272,75 216,37 25,53 9,67 12,89 138,79 11

ETE 12 6145 9,0 1061 228 78,5% 644,47 821,25 139,61 504,86 191,17 254,89 2744,58 227

ETE 13 7841 2,0 854 415 51,5% 75,16 146,09 24,83 50,32 19,06 25,41 273,57 23

ETE 14 8200 3,1 886 267 69,8% 164,52 235,67 40,06 124,45 47,12 62,83 676,56 56

ETE 15 8200 3,6 799 383 52,1% 129,23 247,91 42,14 87,08 32,98 43,97 473,42 39

ETE 16 8382 2,8 1092 412 62,2% 165,04 265,17 45,08 119,96 45,42 60,56 652,13 54

ETE 17 9243 13,9 887 476 46,3% 491,65 1061,89 180,52 311,13 117,81 157,08 1691,40 140

ETE 18 9370 10,8 1075 574 46,6% 469,02 1006,68 171,14 297,88 112,80 150,40 1619,41 134

ETE 19 11968 14,7 1308 220 83,2% 1382,42 1662,09 282,56 1099,87 416,48 555,30 5979,27 494

ETE 20 17004 59,3 789 84 89,3% 3608,09 4040,65 686,91 2921,18 1106,14 1474,85 15880,57 1311

ETE 21 27423 58,1 812 568 30,1% 1229,76 4080,52 693,69 536,07 202,99 270,65 2914,29 241

ETE 22 30300 8,8 1151 149 87,1% 757,76 870,39 147,97 609,79 230,90 307,87 3315,03 274

ETE 23 59509 31,5 669 122 81,8% 1490,32 1821,50 309,66 1180,67 447,07 596,10 6418,52 530

Fonte: O AUTOR (2019).

Legenda:

Pop ≤ 10.000

10.001 ≤ Pop ≤ 100.000

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86

Por outro lado, para haver uma satisfatória produção de biogás e aumentar seu

fornecimento para um maior número de casas, salientou-se também a importância da melhoria

da operação e do monitoramento das estações, para consequente elevação da eficiência de

remoção de DQO, uma vez que a vazão de uma ETE pode ser uma variável independente de

ações corretivas tomadas pela concessionária de esgotamento sanitário; porém, em se tratando

de processos de controle e acompanhamento do desempenho das ETEs, esses parâmetros

podem sofrer interferências das companhias, adotando-se práticas operacionais que visem a

aperfeiçoar seu tratamento de esgotos e sua qualidade do biogás, tais como o aumento do

tempo de residência celular, a regulação das rotinas de descarga de fundo, de areia e de

escuma dos reatores UASBs, a adequação dos equipamentos do pré-tratamento a montante

dos reatores UASB, para evitar afluência de partículas indesejadas, como gordura, estopa e

demais materiais grosseiros, a aplicação da microaeração na fase líquida do esgoto, entre

outras soluções.

A exemplo dessa influência, vide a produção e o número de residências

abastecidas das estações ETE 01 (%E = 83,8%), ETE 04 (82,4%) e ETE 08 (78,8%), cujos

respectivos valores foram superiores aos das estações ETE 10 (%E = 31,9%) e ETE 07

(40,3%), ainda que tratassem uma vazão similar de efluente. Entretanto, foi a ETE 11 (%E =

19,0%) que melhor representou o grau de preponderância da eficiência de remoção de DQO

para produção de energia térmica a partir do biogás, posto que, mesmo com uma vazão de

cerca de 20 vezes superior à das ETEs 01, 04 e 08, não conseguiu gerar biogás suficiente para

suprir um número maior de unidades habitacionais do que essas três estações supracitadas.

A eficiência geral da UN-MTE, englobando todas as estações de tratamento de

esgoto de tecnologia UASB, operadas pela CAGECE, em Fortaleza, foi representada, mês a

mês, no gráfico da Figura 24, bem como a média acumulada geral do ano de 2018.

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87

Figura 24 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB de Fortaleza, no

ano de 2018.

Fonte: O AUTOR (2019).

O segundo maior grupo em quantidade de ETEs com tecnologia de reatores

UASB, ou seja, aquele com as estações operadas pela CAGECE, na região metropolitana de

Fortaleza (UN-BME), conteve 12 estações de tratamento de esgoto, das quais 10 ETEs (ETE

24 a ETE 33, 83% do total de ETEs da RMF) apresentaram população de até 10.000

habitantes, enquanto 2 ETEs (ETE 34 e ETE 35, 17%) incluíram contingentes populacionais

acima de 10.000 e abaixo de 100.001 habitantes, proporcionalmente igual ao grupo de ETEs

de Fortaleza, conforme representado na Tabela 14.

Dessas estações, foi possível somar um total de 1.053 residências abastecidas com

a produção do biogás proveniente de reatores UASB tratando efluente doméstico,

aproximadamente quatro vezes menor do que a quantidade beneficiada pelas ETEs da UN-

MTE. Outro valor que também ficou mais reduzido que o respectivo para as estações da

capital foi a média de produção de energia térmica da UN-BME (1.063,15 MJ.dia-1

),

justificada pela menor média de vazão de esgoto tratado (5,67 L.s-1

) e pela média de eficiência

de remoção de DQO para produção de biogás relativamente reduzida (63,33%), apresentada

na Tabela 14.

Percebeu-se, por fim, que houve uma concentração de produção de biogás nas

estações com maior capacidade de tratamento quanto à vazão, i.e., nas ETEs 34 e 35, as quais

condensaram um total de 551 famílias circunvizinhas (52,32% do total de unidades

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

100,0%

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Média

Efi

ciên

cia

Eficiência das ETEs de Fortaleza (UN-MTE)

25% 50% 90% 10% Mín Máx 75%

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88

habitacionais abastecidas na RMF) que poderiam ser beneficiadas com biogás para cocção.

Outras duas estações mereceram destaque em virtude de suas elevadas eficiências de

tratamento, o que as permitiu produzir uma elevada quantidade de energia térmica e abastecer

relativamente muitas casas, ainda com uma baixa vazão de afluência de esgoto, foram elas:

ETE 27 (Q = 0,80 L.s-1

e %E = 84,77%) e ETE 31 (Q = 2,42 L.s-1

e %E = 90,08%), as quais

apresentaram potencial térmica igual a 366,50 MJ.dia-1

(30 casas abastecidas) e 877,91

MJ.dia-1

(72 casas abastecidas), respectivamente.

A eficiência geral da UN-BME, englobando todas as estações de tratamento de

esgoto de tecnologia UASB, operadas pela CAGECE, na RMF, foi representada mensal e

anualmente no gráfico da Figura 25.

Figura 25 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB da Região

Metropolitana de Fortaleza, no ano de 2018.

Fonte: O AUTOR (2019).

O grupo das estações operadas pela CAGECE no interior é também o que tem

menos exemplares com tecnologia reatores UASB, no qual estão contidas apenas oito ETEs,

sendo sete delas (ETE 36 a ETE 42, 87,5% do total de ETEs do interior) classificadas na

categoria populacional de até 10.000 habitantes, ao passo que apenas uma estação (ETE 43,

12,5%) configurou na classificação de ETEs com contingente populacional acima de 10.000 e

abaixo de 100.000 pessoas, como foi representado na Tabela 14.

00%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Média

Efi

ciên

cia

Eficiência das ETEs da RMF (UN-BME)

25% 50% 90% 10% Mín Máx 75%

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89

Tabela 14 – Avaliação da produção de biogás e geração de energia térmica das ETEs da RMF (UN-BME).

ETE

População Vazão DQO

Bruta

DQO

Tratada Eficiência de

remoção de

DQO

DQO

Removida

DQO

Aplicada DQO Lodo DQO CH4 Q CH4

Q

Biogás

Potencial

térmico

Nº de

residências

abastecidas

por ETE hab L.s

-1 mg.L

-1 mg.L

-1 kgDQO.dia

-1 kgDQO.dia

-1 kgDQO.dia

-1 kgDQO.dia

-1 m³.dia

-1 m³.dia

-1 MJ.dia

-1

ETE 24 441 0,6 1222 723 40,9% 25,89 63,35 10,77 15,12 5,72 7,63 82,18 7

ETE 25 694 1,1 1344 313 76,7% 97,98 127,74 21,72 76,27 28,88 38,51 414,62 34

ETE 26 697 1,2 1780 726 59,2% 109,29 184,57 31,38 77,92 29,50 39,34 423,58 35

ETE 27 864 0,8 1439 219 84,8% 84,33 99,47 16,91 67,42 25,53 34,04 366,50 30

ETE 28 1527 5,0 1855 606 67,3% 539,73 801,56 136,27 403,47 152,78 203,70 2193,39 181

ETE 29 1539 1,7 1177 465 60,5% 104,52 172,87 29,39 75,13 28,45 37,93 408,43 34

ETE 30 1587 1,4 1049 605 42,4% 53,75 126,88 21,57 32,18 12,19 16,25 174,96 14

ETE 31 2088 2,4 1057 105 90,1% 199,05 220,97 37,56 161,49 61,15 81,53 877,91 72

ETE 32 2746 3,1 1316 595 54,7% 194,80 355,83 60,49 134,30 50,86 67,81 730,13 60

ETE 33 3576 2,4 1286 701 45,5% 120,31 264,48 44,96 75,35 28,53 38,04 409,62 34

ETE 34 12916 20,7 583 194 66,7% 693,53 1040,34 176,86 516,68 195,64 260,86 2808,83 232

ETE 35 22569 27,7 548 158 71,2% 934,51 1312,16 223,07 711,44 269,40 359,19 3867,66 319

Fonte: O AUTOR (2019).

Legenda:

Pop ≤ 10.000

10.001 ≤ Pop ≤ 100.000

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90

A avaliação da geração acumulada de energia térmica dessas oito estações de

tratamento de esgoto, representada pela Tabela 15, resultou no valor de 12.562 MJ.dia-1

, com

média igual a 1.570,4 MJ.dia-1

, o que culminou na previsão de abastecimento de 1037

residências, ou seja, apenas 16 unidades a menos do que o grupo anterior. Mesmo com o

acumulado produzido sendo um pouco inferior ao valor da RMF, a média do grupo das ETEs

do interior se mostrou superior à da UN-BME, principalmente devido ao fato de a eficiência

média por estação, para produção de biogás das ETEs da região metropolitana, ter sido

inferior (%E = 63,33%) à eficiência das ETEs do interior (71,69%).

Ainda no mesmo contexto, a ETE 38 (%E = 22,56%) retratou, como já verificado

nos outros dois conjuntos de estações, a necessidade fundamental de uma elevada eficiência

para geração de metano e biogás, posto que, mesmo com uma vazão similar à ETE 37 (%E =

76,38%) e à ETE 39 (81,40%), conseguiu abastecer apenas uma residência, enquanto que as

outras duas beneficiaram, respectivamente, 11 e 27 famílias.

Na Figura 26, diferentemente da Figura 24 e da Figura 25, foi possível perceber

o deslocamento do marcador referente à mediana (50% dos dados) mais próximo à linha que

representa a eficiência dos sistemas de 70%, bem como o menor intervalo interquartil da

maioria dos meses, demonstrando que as ETEs do interior do Ceará não só apresentaram

valores mais satisfatórios, mas também sofreram menos flutuação quanto à eficiência de

remoção de DQO, em comparação aos grupos das ETEs de Fortaleza e das ETEs da RMF.

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91

Figura 26 – Eficiências de remoção de DQO das ETEs de reatores UASB do interior do

Ceará, no ano de 2018.

Fonte: O AUTOR (2019).

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

100,0%

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Média

Efi

ciên

cia

Eficiência das ETEs do interior

25% 50% 90% 10% Mín Máx 75%

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92

Tabela 15 – Avaliação da produção de biogás e geração de energia térmica das ETEs do interior do Ceará.

ETE

População Vazão DQO

Bruta

DQO

Tratada Eficiência de

remoção de

DQO

DQO

Removida

DQO

Aplicada DQO Lodo DQO CH4 Q CH4

Q

Biogás

Potencial

térmico

Nº de

residências

abastecidas

por ETE hab L.s

-1 mg.L

-1 mg.L

-1 kgDQO.dia

-1 kgDQO.dia

-1 kgDQO.dia

-1 kgDQO.dia

-1 m³.dia

-1 m³.dia

-1 MJ.dia

-1

ETE 36 385 0,3 1175 239 79,7% 24,26 30,45 5,18 19,09 7,23 9,64 103,76 9

ETE 37 576 0,6 800 189 76,4% 32,21 42,17 7,17 25,04 9,48 12,64 136,12 11

ETE 38 585 1,0 383 297 22,6% 7,09 31,43 5,34 1,75 0,66 0,88 9,50 1

ETE 39 667 1,1 982 183 81,4% 75,96 93,31 15,86 60,10 22,76 30,34 326,71 27

ETE 40 2006 24,3 626 252 59,8% 785,05 1312,93 223,20 561,85 212,75 283,67 3054,41 252

ETE 41 2330 2,6 1412 337 76,2% 241,49 317,12 53,91 187,58 71,03 94,71 1019,75 84

ETE 42 4732 9,7 904 135 85,0% 644,38 758,04 128,87 515,52 195,21 260,27 2802,53 231

ETE 43 11345 11,0 1309 98 92,6% 1151,52 1244,19 211,51 940,01 355,94 474,59 5110,21 422

Fonte: O AUTOR (2019).

Legenda:

Pop ≤ 10.000

10.001 ≤ Pop ≤ 100.000

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93

Pelos valores reportados por Bressani-Ribeiro et al. (2017), os quais calcularam a

produção de energia para ETEs de diferentes portes, foi possível calcular a produção

específica de energia por habitante contribuinte às estações, a qual permaneceu a mesma (0,15

MJ.hab-1

) tanto para ETEs de até 10.000 habitantes, como para ETEs com capacidade de

atendimento entre 10.000 e 100.00 habitantes. Fazendo o mesmo para as estações destacadas

de azul (micro e pequeno porte) e para aquelas destacadas de verde (médio porte), da Tabela

13, Tabela 14 e Tabela 15, notou-se que a produção específica de energia por habitante,

respectivamente, era igual a 0,28 e 0,24 MJ.hab-1

, aproximadamente o dobro da reportada por

Bressani-Ribeiro et al. (2017), mas demonstrando certa afinidade com o valor previsto pelos

autores. Entre outros fatores, compreendeu-se que a diferença das razões aconteceu pela

metodologia adotada por Bressani-Ribeiro et al. (2017), que estimaram esse potencial para

um grupo de cidades de 114 países diferentes, os quais, por mais que fossem todos de clima

tropical, apresentavam peculiaridades que deveriam ter sido levadas em consideração.

Adicionalmente, com base nesses dados, foi possível calcular as relações unitárias

de todas as 43 ETEs, a fim de classificá-las e compará-las quanto à produção de metano,

biogás e energia, dando preferência para classificação pelo potencial energético unitário e

para as demais relações em caso de o valor unitário da produção de energia estivesse

localizado entre os intervalos elencados por Lobato (2011). Tais valores foram representados

na Tabela 16.

Tabela 16 – Relações unitárias obtidas e classificação das ETEs quanto ao modelo

de Lobato (2011).

ETE

RELAÇÕES UNITÁRIAS

Classificação Volume unitário de

CH4 produzido

Volume unitário de

biogás produzido

Potencial

energético unitário

NLCH4.kgDQOremov-1

NLbiogás.kgDQOremov-1

MJ.kgDQOremov-1

ETE 01 301,82 402,43 4,33 ST

ETE 02 282,49 376,65 4,06 PS

ETE 03 255,48 340,64 3,67 PS

ETE 04 300,53 400,71 4,31 ST

ETE 05 294,88 393,18 4,23 PS

ETE 06 286,56 382,08 4,11 PS

ETE 07 218,72 291,62 3,14 PS

ETE 08 296,96 395,95 4,26 PS

ETE 09 220,53 294,04 3,17 PS

ETE 10 176,55 235,40 2,53 PS

ETE 11 39,96 53,29 0,57 APS

ETE 12 296,63 395,51 4,26 PS

ETE 13 253,54 338,05 3,64 PS

ETE 14 286,45 381,93 4,11 PS

ETE 15 255,17 340,23 3,66 PS

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ETE 16 275,23 366,97 3,95 PS

ETE 17 239,63 319,50 3,44 PS

ETE 18 240,49 320,66 3,45 PS

ETE 19 301,27 401,69 4,33 ST

ETE 20 306,57 408,76 4,40 ST

ETE 21 165,06 220,09 2,37 APS

ETE 22 304,72 406,29 4,37 ST

ETE 23 299,98 399,98 4,31 ST

ETE 24 221,14 294,85 3,17 PS

ETE 25 294,74 392,98 4,23 PS

ETE 26 269,95 359,93 3,88 PS

ETE 27 302,73 403,64 4,35 ST

ETE 28 283,06 377,41 4,06 PS

ETE 29 272,19 362,92 3,91 PS

ETE 30 226,71 302,28 3,25 PS

ETE 31 307,20 409,60 4,41 ST

ETE 32 261,07 348,10 3,75 PS

ETE 33 237,15 316,20 3,40 PS

ETE 34 282,10 376,13 4,05 PS

ETE 35 288,27 384,37 4,14 PS

ETE 36 297,87 397,16 4,28 PS

ETE 37 294,38 392,50 4,23 PS

ETE 38 93,31 124,41 1,34 APS

ETE 39 299,58 399,44 4,30 ST

ETE 40 271,00 361,34 3,89 PS

ETE 41 294,13 392,17 4,22 PS

ETE 42 302,93 403,91 4,35 ST

ETE 43 309,11 412,14 4,44 ST

Fonte: O AUTOR (2019).

Legenda: APS: Abaixo da Pior Situação; PS: Pior situação; ST: Situação típica (ST); MS: Melhor situação.

No que se refere à produção de metano, as ETEs analisadas apresentaram relação

unitária média igual a 0,26 Nm³ CH4.kgDQOremov-1

, valor inferior ao previsto por Metcalf e

Eddy (2016), os quais estimaram que, para a digestão anaeróbia de lodo aeróbio, seria

produzido 0,4 Nm³CH4.kgDQOremov-1

. Entretanto, em comparação aos resultados calculados

por Lobato (2011), 0,11 a 0,20 Nm³CH4.kgDQOremov-1

, pôde-se afirmar que, em média, as

ETEs com tecnologia reatores UASB do Ceará apresentaram relativa consonância ao modelo

traçado por seu estudo e, consequentemente, ao apontado por Noyola et al. (1998), apud

Lobato (2011), os quais reportaram valores variando entre 0,08 a 0,18 Nm³CH4.kgDQOremov-1

,

uma vez que, para as 43 ETEs, foram encontrados valores unitários de produção de metano

variando, em uma amplitude maior, entre 0,04 e 0,31 Nm³CH4.kgDQOremov-1

. Esses valores

apresentaram menos afinidade aos índices desses autores do que os apontados por Cabral

(2016), que, por sua vez, identificou uma variação de produção de metano por DQO removida

entre 0,08 e 0,14 Nm³CH4.kgDQOremov-1

.

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95

Quanto à produção de energia por DQO removida, percebeu-se que as relações

unitárias calculadas para as ETEs do Ceará apresentaram valores bastante inferiores aos

reportados por Lobato (2011) (entre 4,1 e 7,0 MJ.DQOremov-1

), uma vez que o valor médio

encontrado foi igual a 3,8 MJ.DQOremov-1

, variando entre 0,6 e 4,4 MJ.DQOremov-1

. Medidas

visando ao aumento dessa relação, como reparos dos reatores e aperfeiçoamento dos

operadores das ETEs, fazem-se necessárias para que mais pessoas possam ser beneficiadas

pela utilização dessa energia para cocção de alimentos.

Ademais, dos fatores intervenientes para explicar essa diferença de resultados,

cabe salientar que interferem nessas razões: as características do esgoto afluente; a eficiência

do sistema de tratamento; a quantidade de vazamentos para a atmosfera nas câmaras e na

linha de gás do reator, característica intrinsecamente ligada às condições físicas dos reatores

quanto ao grau de deterioração e tempo de funcionamento; a excessiva entrada de água de

chuva no período das análises, diluindo a carga orgânica do esgoto afluente (causando baixa

produção de biogás) ou sobrecarregando hidraulicamente o reator (culminando na perda de

biomassa e diminuindo a eficiência de remoção de DQO); a presença ou não de um pós-

tratamento, bem como sua tipologia; a temperatura ambiente; a confiabilidade dos dados; a

afluência de altas cargas orgânicas e rápido acúmulo de ácidos-graxos voláteis (AGV), o que

inibe a metanogênese; e a qualificação do operador da ETE quanto à melhoria dos processos

de tratamento.

Por fim, foi possível notar que 3 ETEs foram classificadas na pior categoria (APS)

e 11 ETEs foram consideradas em situação típica (ST), enquanto que a maioria (26 ETEs)

permaneceu no cenário de pior situação (PS), quanto à relação de potencial energético

unitário. A Figura 27 ilustra essa classificação, explicitando a necessidade de melhoramento

da situação das ETEs do estado, considerando as relações estipuladas por Lobato (2011), com

o intuito de evitar o desperdício de energia térmica e beneficiar mais famílias, bem como de

impedir o agravamento do efeito estufa por meio das emissões de metano para a atmosfera.

Com isso, também seria possível melhorar o tratamento de efluentes estadual, tornando

possível o atingimento dos níveis estabelecidos pelas legislações locais, a fim de mitigar os

impactos ambientais causados pela disposição de esgotos no meio ambiente.

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96

Figura 27 – Situação atual das ETEs do Ceará, com tecnologia reatores UASB, quanto à

produção de energia.

Fonte: O AUTOR (2019).

Legenda: APS: Abaixo da Pior Situação; PS: Pior situação; ST: Situação típica (ST); MS: Melhor situação.

5.5 Do prognóstico energético para as ETEs de Fortaleza

O Plano Municipal de Saneamento Básico, elaborado pela Acquatool, juntamente

à CAGECE e à SEUMA, apresentou a necessidade da instalação de três grandes ETEs,

divididas em grandes Bacias, da seguinte forma: Bacia da Vertente Marítima (região Norte do

município, composta por 6 sub-bacias), Bacia do Siqueira (região Oeste de Fortaleza,

composta por 15 sub-bacias), Bacia do Cocó (área de drenagem natural em direção ao rio

homônimo, composta por 24 sub-bacias) e Bacia do Coaçu/Miriú (região Sudeste do

município, com o rio Coaçu como divisor desta bacia, composta por 8 sub-bacias). Essa

reorganização configurou uma abordagem extremamente mais centralizada no âmbito do

tratamento de esgoto, completamente diferente do que vem sendo adotado pela CAGECE até

o momento.

Como não foram previstas grandes alterações para a Bacia da Vertente Marítima,

uma vez que esta já abrange, atualmente, toda a respectiva área de atuação, não se projetou

uma nova estação de tratamento para essa bacia, considerando, apenas, pequenas intervenções

para contemplar a manutenção e a ampliação do crescimento vegetativo dos habitantes dessa

região. Entretanto, para as demais bacias, houve previsão da construção de três grandes ETEs,

uma para cada região determinada, cujos dados de projeto já foram apresentados na Tabela 8.

6,98%

67,44%

25,58%

Classificação das ETEs do Ceará quanto ao

modelo de Lobato (2011)

APS

PS

ST

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97

Ao contrário da ETE Miriú, foi estabelecido que as ETEs Cocó e Siqueira

apresentariam tecnologia principal de tratamento por lodos ativados de aeração prolongada

(LAAP), de rota aeróbia, como o nome sugere, a qual já é classicamente conhecida por

demandar potência relativamente alta de energia elétrica, devido ao uso de sopradores e

bombas hidráulicas, culminando em custos exorbitantes da companhia de saneamento básico

com eletricidade. Enquanto que, como já incessantemente discutido nesse trabalho, a

tecnologia anaeróbia, e.g., a escolhida para a ETE Miriú, demonstrou ser capaz de produzir

energia elétrica e consumir níveis bem inferiores de eletricidade.

Dessa forma, foram utilizados os parâmetros para consumo elétrico em ETEs de

tecnologia LAAP, desconsiderando o pós-tratamento, apresentados por Von Sperling (2016):

20 a 35 kWh.hab-1

.ano-1

; e por Gude (2015), apud Paulo et al. (2019): 0,6 kWh.m-3

de

efluente tratado, para construção da Tabela 17, a qual permitiu calcular o dispêndio

energético para a operação das ETEs aeróbias. Por exemplo, admitindo o valor máximo de

consumo apresentado por Von Sperling (2016), o somatório do resultado apresentado pelas

ETEs Cocó e Siqueira equivaleu-se à demanda de cerca de 18.666 casas, ou podendo atingir

aproximadamente 17.712 unidades habitacionais, se adotada a taxa de Gude (2015), apud

Paulo et al. (2019), dado que o consumo médio de eletricidade residencial no Ceará, no ano

de 2017, foi igual a 126,1 kWh.mês-1

, conforme descrito na Tabela 6.

Tabela 17 – Previsão de consumo elétrico das ETEs aeróbias em Fortaleza, para 2033.

ETE Cocó ETE Siqueira Referência

(MWh.dia-1

) (MWh.dia-1

)

24,94 19,89 Von Sperling (2016).

43,65 34,81

47,11 27,34 Gude (2015), apud Paulo et al. (2019). Fonte: O AUTOR (2019).

A Tabela 8 também permitiu conferir que cada uma das três ETEs ultrapassou o

limite mínimo de 100.000 contribuintes para tornar economicamente viável a alternativa de

geração de energia elétrica por meio do aproveitamento do biogás proveniente de reatores

UASB tratando esgoto doméstico, admitindo que ambas as ETEs (Cocó e Siqueira) também

apresentassem a mesma tipologia da ETE Miriú, o que evitaria os gastos com eletricidade

expostos na Tabela 17, ou seja, além de não consumir a mesma demanda de energia elétrica,

as ETEs Cocó e Siqueira passariam a produzir eletricidade por meio do biogás.

Logo, foram utilizados, mais uma vez, os parâmetros expressos na Tabela 6,

destacando os seguintes valores: geração de DQO per capita (0,10 kgDQO.hab-1

.dia-1

),

eficiência de remoção de DQO de reatores UASB (65%), eficiência de um gerador de energia

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elétrica a biogás (36%), consumo médio de eletricidade residencial no Ceará (126,1 kWh.mês-

1), bem como os demais parâmetros destacados para o cálculo da geração atual de energia

térmica para as ETEs do item 5.4. Assim, os resultados foram incluídos na Tabela 18.

Com esses valores, notou-se que a produção de biogás foi diretamente

proporcional ao total de habitantes da estação, uma vez que se manteve invariável a eficiência

de remoção de DQO (estimada em um cenário típico) e se adotou uma taxa de aplicação de

DQO com base no número de contribuintes, e não com base na vazão afluente à ETE. Por

isso, a estação que indicou maior produção foi a ETE Cocó (40,3% da geração total de

biogás), seguida pela ETE Siqueira (32,2%) e ETE Miriú (27,5%), totalizando 27.358,52

m³.dia-1

de biogás, o que correspondeu a, aproximadamente, quatro vezes o valor do

somatório de todas as 43 ETEs analisadas no item 5.4 (para o ano de 2018, Qbiogás = 6.914,34

m³.dia-1

), contribuindo com a ideia de que a viabilidade econômica para adotar a alternativa

de utilizar biogás proveniente de reatores UASB visando à geração de energia elétrica se torna

atrativa apenas para estações de grande porte (Pop > 100.000 hab).

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Tabela 18 – Avaliação da previsão de produção de biogás e geração de energia elétrica em Fortaleza, no ano de 2033.

ETE

População Vazão DQO per

capita Eficiência

de remoção

de DQO

DQO

Aplicada

DQO

Removida DQO Lodo DQO CH4 Q CH4

Q

Biogás

Potencial

elétrico

Nº de

residências

abastecidas

por ETE hab L.s

-1 kgDQO.dia-

1.hab

-1 kgDQO.dia-1

kgDQO.dia-1

kgDQO.dia-1

kgDQO.dia-1

m³.dia-1

m³.dia-1

MWh.dia-1

Cocó 455159 908,8 0,10 65% 45515,90 29585,34 7737,70 21847,63 8272,83 11030,43 29,69 7064

Miriú 310721 955,0 0,10 65% 31072,10 20196,87 5282,26 14914,61 5647,57 7530,09 20,27 4822

Siqueira 363040 527,3 0,10 65% 36304,00 23597,60 6171,68 17425,92 6598,50 8798,00 23,68 5634

Fonte: O AUTOR (2019).

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Assim, assumir tratamento anaeróbio (reatores UASB) para as três estações de

tratamento previstas no PMSB permitiu indicar um potencial elétrico igual a 73,7 MWh.dia-1

,

energia capaz de alimentar 17.521 residências por mês; enquanto que apenas o tratamento

primário das ETEs Cocó e Siqueira (LAAP), desconsiderando seus pós-tratamentos também

aerados, como já mencionado, consumiria o equivalente mensal de 17.712 a 18.666 famílias.

Caso a CAGECE opte por não integrar o Sistema Interligado Nacional (SIN) e

participar dos ambientes de contratação regulada ou de contratação livre, a fim de possibilitar

a venda desse excedente energético, há a possibilidade de reutilizar essa energia para

alimentar secadores de lodo, sopradores de um pós-tratamento aerado, bombas de sucção e de

dosagem de cloro, bem como para os demais consumos elétricos dentro do próprio terreno da

ETE ou fora dele, conforme inúmeras sugestões abordadas na Revisão Bibliográfica, seja para

demanda dos prédios administrativos da companhia, seja para aquelas estações em que não há

produção de biogás, devido à tecnologia do tratamento de efluentes, em todo o estado do

Ceará, isto é, sem, necessariamente, precisar restringir-se apenas à cidade em que a energia

elétrica foi gerada.

Considerando a capacidade total de atendimento das ETEs Cocó, Miriú e Siqueira

em termos populacionais (1.128.920 habitantes) e admitindo uma composição familiar de

quatro pessoas por unidade habitacional, foi possível estimar que, supondo a injeção dessa

energia na rede da concessionária de abastecimento elétrico, com o intuito de facilitar a

mensuração da distribuição de eletricidade, um total de 70.084 pessoas seria beneficiado com

a energia elétrica fornecida por essas estações previstas, o que correspondeu a uma taxa de

atendimento de 1,55% em Fortaleza, aplicando a Equação 14.

Esse valor se aproximou do apresentado por Chernicharo et al. (2017), para as

ETEs das regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste, as quais indicaram uma capacidade instalada

para atender 10,7 milhões de habitantes nos reatores anaeróbios de porte grande (Pop >

100.000 hab), correspondendo a uma geração de energia elétrica da ordem de 108,1 GWh.ano-

1, ou seja, o suficiente para suprir a demanda mensal de 48.830 residências (195.320 pessoas

beneficiadas nesses estados), resultando em um índice de atendimento igual a 1,83%. A taxa

de atendimento calculada para o estudo de Bressani-Ribeiro et al. (2017), por sua vez, embora

um pouco maior que a de Chernicharo et al. (2017), também se aproximou da analisada para a

cidade de Fortaleza, uma vez que se percebeu a produção de 6.559.278 MWh.ano-1

em ETEs

de grande porte, com capacidade instalada de atendimento de 582.327.513 habitantes,

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101

suficiente para atender 3,2 milhões de habitações (ou 12,8 milhões de pessoas), o que

culminou em um índice de atendimento igual a 2,20%.

A diferença entre essas taxas, entre outros fatores, pode ser explicada pela adoção

de diferentes índices de consumo médio de energia elétrica, uma vez que, para análise das

ETEs de Fortaleza, foi utilizado o índice do Ceará de 2017 (EPE, 2017); enquanto que, para

os demais casos, foi utilizada a taxa apresentada para o consumo médio nacional. Outro fator

interveniente desses resultados é também a eficiência média de remoção de DQO, a qual

variou caso a caso. Entretanto, a proximidade dos índices de atendimento permitiu reforçar a

ideia de que seria mais interessante promover a substituição da tipologia prevista para as

ETEs Cocó e Siqueira pela mesma adotada para a ETE Miriú, a fim de fornecer energia

elétrica para a comunidade residente de Fortaleza.

Comparando o cenário específico da ETE Cocó com um exemplo internacional: a

ETE Taunusstein, na Alemanha (ROSA, 2013), que, com porte similar (50.000 habitantes),

ostentou a marca de produção de energia elétrica igual a 1.500 kWh.dia-1

, a partir de 1.000

m³.dia-1

de biogás gerado (64% de CH4). Assim, a estimativa representada pela ETE Cocó

apresentou superioridade à ETE Taunusstein, em escala real, uma vez que se previu uma

produção de mais de 11.000 m³.dia-1

de biogás e 29.690 kWh.dia-1

de energia elétrica.

Esse e os demais respectivos potenciais energéticos da Tabela 18 também

exibiram superioridade numérica quanto à geração de energia elétrica prevista para a ETE

Laboreaux, em Itabira – MG, na qual se observou, de acordo com Rosa et al. (2016), para

uma população de 70.000 habitantes, uma produção de 390,1 Nm³.dia-1

de biogás (78,2% de

metano), equivalente a uma geração elétrica de 10.962 MJ.dia-1

.

Por fim, sob a ótica dos créditos de carbono gerados pela produção de energia

elétrica, por meio de fontes renováveis, a calculadora online (RENSMART, 2018), de posse

do potencial elétrico de cada ETE proposta, permitiu observar a criação de 3.067,88

tonCO2eq.ano-1

para a ETE Cocó; 2.094,33 tonCO2eq.ano-1

para a ETE Miriú; e 2.446,98

tonCO2eq.ano-1

para a ETE Siqueira. Dessa forma, como a ETE Miriú produziria a mesma

quantidade no cenário proposto no PMSB (2014), a diferença dos cenários proporcionaria a

geração de um total de 5.514,86 tonCO2eq.ano-1

de créditos de carbono, ou seja, de compostos

potencializadores do efeito estufa que se evitou emitir na atmosfera, os quais podem ser

negociados (vendidos) para compensação de empresas que necessitem equilibrar os níveis de

emissão de gases de efeito estufa na atmosfera.

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102

5.6 Da avaliação econômica das ETEs propostas

Levando em consideração serviços com obra civil, gastos de equipamentos e

quantidades baseadas em experiências empíricas, o estudo realizado pela Probiogás (BRASIL,

2016c) estipulou um custo de implantação, ou seja, um CAPEX per capita igual a R$

70,23.hab-1

para estações com tecnologia lodos ativados, modalidade aeração prolongada; e

igual a R$ 89,16.hab-1

para ETEs com tratamento principal por meio de reatores UASB,

seguidos de um pós-tratamento de lodos ativados, modalidade convencional, e com

aproveitamento de biogás para fins energéticos. Esse valor resultou em um preço superior

àquele devido aos gastos com equipamentos mais sofisticados para recuperação energética,

não previstos para a tecnologia LAAP, bem como por requerer mais construções de unidades

de tratamento.

Complementarmente, pelo mesmo relatório do Probiogás, foi possível determinar

os custos com operação e manutenção, i.e., OPEX per capita por ano para cada tecnologia,

sendo eles: R$ 19,88.hab-1

.ano-1

para ETEs de tecnologia LAAP e R$ 12,84.hab-1

.ano-1

para

ETEs de tecnologia UASB + LAC + GAS. Ao contrário do que fora percebido para o

CAPEX, os custos anuais de OPEX demonstraram ser menores para a segunda tecnologia,

uma vez que a tecnologia LAAP requer altos gastos com os tanques de aeração

(aproximadamente o dobro da demanda energética da segunda opção), bem como elevadas

despesas com disposição do lodo gerado no tratamento (1,6 vezes maior que na tecnologia

UASB + LAC + GAS). Vale salientar que apenas foram consideradas, para cômputo dos

custos operacionais energéticos anuais, as demandas com o processo de aeração de ambas as

tecnologias, sendo os demais consumos pertinentes às estações invariáveis entre as rotas

tecnológicas.

A alternativa do Plano Municipal de Saneamento Básico (PMSB, 2014)

apresentou CAPEX total de R$ 85.166.000,13, isto é, seria necessário esse valor para

implantação (ano 0) das três ETEs previstas no plano, sendo as ETEs Cocó e Siqueira

aeróbias e a ETE Miriú anaeróbia e, portanto, a única passível de geração de eletricidade para

abatimento do consumo geral de energia. Como valor total dos custos com OPEX, calculou-se

uma quantia anual igual a R$ 20.247.271,77, dos quais seriam descontados apenas R$

4.941.680,60 por ano (aproximadamente 25% do OPEX total), representado com sinal

negativo para indicar o custo evitado com a venda desse potencial à concessionária estadual

de abastecimento energético. Dessa forma, como pode ser consultado na Tabela 19, percebeu-

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103

se que, em um ano operação, seria necessário um total de R$ 100.471.591,30 para instalação,

operação e manutenção das ETEs propostas pelo PMSB.

Em contrapartida, a Tabela 20 apresentou os dados financeiros referentes à

proposta de adoção da tecnologia de reatores UASB para as ETEs Cocó e Siqueira. Dessa

forma, notou-se que o sub-total referente ao CAPEX geral apresentou aumento de R$

15.488.507,07 com relação à proposição do PMSB. Entretanto, os custos com operação e

manutenção exibiram uma redução de R$ 5.751.938,97 por ano, devido ao menor valor

estimado de OPEX anual per capita da tecnologia anaeróbia. Adicionalmente, para

demonstrar a superioridade financeira dessa opção, é importante salientar o custo evitado com

a previsão de três grandes ETEs que permitam o aproveitamento do biogás para fins

energéticos, posto que, por ano, seriam economizados R$ 17.954.248,55 em custos de

operação e manutenção; ou seja, dado que o sub-total referente ao OPEX foi de R$

14.495.332,80.ano-1

, pode-se dizer que as três ETEs propostas seriam não só

autossustentáveis, mas também capazes de gerar saldo energético equivalente a R$

3.458.915,75 por ano, assumindo, para fins de dimensionamento, que esse excedente elétrico

seja injetado de volta à rede de abastecimento da concessionária de energia do estado,

podendo resultar em um retorno financeiro ainda maior, caso a CAGECE opte por celebrar

contratos livres entre geradores e consumidores de energia elétrica ou por participar dos

leilões de venda de energia regulados pela ANEEL.

Devido a essa quantia remanescente, a proposta sugerida foi considerada

economicamente viável, pois permitiu considerar, de maneira bastante preliminar, a

amortização do CAPEX excedente (ano 0), com relação à previsão do PMSB, em,

aproximadamente 4,5 anos. Isso significou que, logo após esse período, as duas propostas se

equalizariam em se tratando da diferença entre os respectivos investimentos de implantação,

R$ 15.488.507,07 maior na adoção da tecnologia anaeróbia para as três ETEs, conforme

supracitado. Também para essa proposta, diferentemente da prevista pelo PMSB, a qual não

contemplou excedente energético e, portanto, não gerou lucro, foi aberto precedente para

estimar o tempo em que o investimento seria amortizado por completo, o que resultou em um

período de, aproximadamente, 29 anos, admitindo gastos fixos e anuais com operação (OPEX

calculado), desconsiderando impostos, descontos, valorização monetária e demais variáveis.

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Tabela 19 – Análise financeira da alternativa prevista para Fortaleza, pelo PMSB (2014), em 2033.

ALTERNATIVA PMSB (2014)

ETE Tecnologia Pop CAPEX OPEX

Potencial

elétrico

Tarifa de

energia Custo evitado Total (ano 1)

hab R$.hab-1

R$ (ano 0) R$.hab-1

.ano-1

R$.ano-1

kWh.ano-1

R$.kWh-1

R$.ano-1

R$

Cocó LAAP 455159 R$ 70,23 R$ 31.965.816,57 R$ 19,87 R$ 9.044.009,33 0

R$ 0,66792

R$ - R$ 41.009.825,90

Miriú UASB + LAC 310721 R$ 89,16 R$ 27.703.884,36 R$ 12,84 R$ 3.989.657,64 7398639,204 -R$ 4.941.680,60 R$ 26.751.861,40

Siqueira LAAP 363040 R$ 70,23 R$ 25.496.299,20 R$ 19,87 R$ 7.213.604,80 0 R$ - R$ 32.709.904,00

Sub-total CAPEX R$ 85.166.000,13 Sub-total

OPEX R$ 20.247.271,77 Total R$ 100.471.591,30

Sub-total economizado (R$/ano) -R$ 4.941.680,600

Fonte: O AUTOR (2019).

Tabela 20 – Análise financeira da alternativa proposta para Fortaleza, em 2033.

ALTERNATIVA PROPOSTA

ETE Tecnologia Pop CAPEX OPEX

Potencial

elétrico

Tarifa de

energia Custo evitado Total (ano 1)

hab R$.hab-1

R$ (ano 0) R$.hab-1

.ano-1

R$.ano-1

kWh.ano-1

R$.kWh-1

R$.ano-1

R$

Cocó

UASB + LAC

455159

R$ 89,16

R$ 40.581.976,44

R$ 12,84

R$ 5.844.241,56 10837881

R$ 0,66792

-R$ 7.238.810,38 R$ 39.187.407,62

Miriú 310721 R$ 27.703.884,36 R$ 3.989.657,64 7398639,204 -R$ 4.941.680,60 R$ 26.751.861,40

Siqueira 363040 R$ 32.368.646,40 R$ 4.661.433,60 8644417,263 -R$ 5.773.757,56 R$ 31.256.322,43

Sub-total CAPEX R$ 100.654.507,20 Sub-total

OPEX R$ 14.495.332,80 Total R$ 97.195.591,45

Sub-total economizado (R$.ano

-1) -R$ 17.954.248,55

Fonte: O AUTOR (2019).

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Ademais, conforme os índices reportados por Chernicharo et al. (2018), de que

haveria redução de 20-50% dos custos com implantação (CAPEX) e de acima de 50% de

custos com operação e manutenção (OPEX), não foram verificados esses valores na

comparação dos cenários, uma vez que a proposta apresentou CAPEX maior (18,19% a mais)

que a alternativa prevista pelo PMSB; enquanto que, em termos de OPEX, a economia

percentual foi igual a 28,41%. Chernicharo et al. (2015) também apresentaram economias

bastante elevadas quanto à adoção de sistemas de reatores UASB com pós-tratamento de filtro

percolador à base de pedras como meio suporte, o qual consistiu em um CAPEX 40% menor

e um OPEX 90% mais barato do que a tecnologia de lodos ativados, principalmente pela não

utilização de energia proveniente de combustíveis fósseis para o tratamento do efluente.

Contudo, a proposta sugerida nesse trabalho demonstrou um racionamento de R$

3.275.999,25 para o primeiro ano de operação, incluindo os custos de implantação (ano 0) em

ambos os cenários, o que simbolizou uma economia geral de 3,26%.

Finalmente, cabe destacar que a alternativa de adotar estações de tratamento com

tecnologia de lagoas de estabilização, para grandes vazões e em grandes centros urbanos,

como as ETEs Cocó, Miriú e Siqueira, seria antieconômica, dadas as dimensões necessárias e

a impossibilidade de encontrar áreas próximas à capital do Ceará com disponibilidade de

terreno e a um preço acessível para instalação de uma tecnologia de tratamento com uma

enorme demanda de área.

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CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 6

De uma forma geral, concluiu-se que a utilização para cocção da energia térmica

do biogás proveniente de estações de tratamento de esgoto do Ceará, com tecnologia reatores

UASB, tratando efluentes domésticos, demonstrou satisfatoriedade, devido à totalidade de

residências que poderia ser abastecida com esse gás, para cocção de alimentos.

Foi possível averiguar a concentração de ETEs consideradas de micro e pequeno

porte, bem como a abrangente implantação da tecnologia decanto-digestor para o tratamento

de contribuições baixas em termos populacionais e hidráulicos, corroborando a ideia de que a

abordagem de tratamento de efluentes por parte da CAGECE era de descentralizar os sistemas

de coleta e tratamento de esgotos e aumentar a abrangência desse serviço aos cidadãos do

Ceará, possibilitando a implantação do saneamento básico em regiões mais isoladas.

Entretanto, sugeriu-se que as ETEs de tecnologia DD fossem trocadas, em sua totalidade, por

reatores UASB, com o intuito de melhorar os índices de qualidade do efluente tratado e,

consequentemente, incentivar a geração de biogás, potencializando o ganho para o estado.

Por outro lado, para estações mais robustas, foi fácil perceber a preferência da

companhia para adoção de sistemas de lagoas de estabilização e de reatores UASB.

Adicionalmente, foi possível comparar, em se tratando dos reatores UASB de Fortaleza, que

aquelas ETEs com tal tecnologia, mas sem um pós-tratamento, apresentaram baixa eficiência

de remoção de DQO; enquanto que as demais ETEs da capital, com reatores UASB seguidos

de um pós-tratamento, apresentaram eficiência dentro do esperado em um cenário típico.

Ademais, as relações unitárias calculadas para as 43 ETEs de reatores UASB analisadas

permitiram concluir que pelo menos 29 delas (aquelas nas categorias de APS e PS) precisam

de melhorias para otimizar o aproveitamento energético do biogás.

Quanto à proposição, no Plano Municipal de Saneamento Básico, a respeito das

três grandes estações de tratamento de esgoto, em Fortaleza, concluiu-se que a substituição

das tecnologias aeróbias, viabilizaria uma grande geração de créditos de carbono, os quais

podem ser vendidos, e uma produção acumulada de energia elétrica, cujo excedente pode ser

injetado de volta na rede da concessionária de abastecimento energético estadual,

promovendo lucro para a CAGECE. Adicionalmente, a análise de custos CAPEX e OPEX,

realizada no trabalho, demonstrou viabilidade econômica para a proposta, permitindo, de

maneira preliminar, ao contrário da previsão do PSBM, a amortização desses investimentos.

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Ao longo do trabalho, também foram destacadas rotas tecnológicas atuais para o

aproveitamento do biogás gerado em estações de tratamento de esgoto, com a apresentação de

estudos contemplando teste de diversas escalas e em diferentes localidades nacionais e

internacionais, os quais permitiram verificar a versatilidade do aproveitamento do biogás

proveniente de ETEs anaeróbias, devendo, contudo, previamente, haver avaliação de alguns

parâmetros, a fim de evitar o dissabor de uma experiência frustrada com essa tecnologia e

impedir que a ideia de fomentar a implantação de ETEs sustentáveis.

Em síntese, foi possível concluir que os objetivos ora traçados para a execução

dessa pesquisa foram alcançados em sua totalidade, sugerindo-se considerar aprofundamento

de trabalhos posteriores, acerca dos possíveis seguimentos: gerenciamento da biomassa (lodo)

gerado nos reatores UASB e uso do efluente das estações, englobando todas as fases do

tratamento de esgotos (sólida, líquida e gasosa); contabilizar, nos modelos de simulação de

geração de biogás, as perdas reais de metano e biogás, por fatores biológicos, físicos e

químicos; melhores técnicas para o tratamento e o beneficiamento do biogás, a fim de evitar

danos aos geradores de energia, bem como para destinar esse subproduto a usos mais nobres,

como combustíveis veiculares; testar a aplicabilidade de um fogão a biogás alimentado por

uma ETE de Fortaleza, com tecnologia reatores UASB, em escala real; e cálculo do índice de

economia de uma família vizinha a essa ETE, devido à substituição do gás de cozinha comum

pelo biogás de um reator UASB.

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