7 de março de 2017

Aproveitamento Energético de Biogás em Estações de Tratamento de Esgoto: status quo na Alemanha e no Brasil

Energetic Use of Biogas in Wastewater treatment  Plants: status quo in Germany and Brazil


RESUMO
O Brasil apresenta um déficit significativo no tratamento de esgoto, com apenas 40% do esgoto gerado sendo tratado adequadamente. No entanto, o governo, e mais recentemente o setor privado, têm investido fortemente no setor de saneamento (cerca de 10 bilhões de euros desde 2007), a fim de, dentre outras ações, garantir a cobertura de tratamento para toda a sua população, com metas até 2033. Atualmente, o setor de saneamento é responsável por 3% do consumo de energia elétrica do setor público, o que representa o segundo maior custo operacional das prestadoras de serviço de saneamento. O lodo, um subproduto do tratamento de esgoto, também representa um alto custo operacional para o sistema. Com o crescimento esperado do setor, deve ser considerado um gerenciamento mais sustentável dos subprodutos do tratamento, bem como uma gestão energética mais eficiente da Estação de Tratamento de Esgoto (ETE). Portanto, o aproveitamento do biogás produzido na estação para a geração de energia térmica e elétrica, torna-se estratégico para a redução de custos e impactos no meio ambiente, como a emissão de gases de efeito estufa. Este artigo aborda o potencial de utilização de biogás nas ETEs no Brasil, e descreve o desenvolvimento deste mercado na Alemanha, como um exemplo de sucesso.
Palavras-chave: Aproveitamento energético de Biogás. Eficiência energética. Estação de tratamento de esgoto. Tratamento do lodo. Reatores anaeróbios.

ABSTRACT
Brazil still has a significant deficit of waste water treatment, with only 40% of the sewage generated being properly treated. Nevertheless, the government, and more recently the private sector, have been investing heavily in this sector (around 10 billion euros since 2007) in order to guarantee treatment coverage for its whole population. Today, the sanitation sector accounts for 3% of the electricity consumption of the public sector, representing the second largest operating cost of the water and wastewater utilities. The sludge, a byproduct of the wastewater treatment, also represents a high operating cost for the system. With the expected growth, a more sustainable management of the byproducts, as well as an more efficient energy management should be considered. Therefore, the use of biogas produced in the WWTP for thermal and electricity generation, becomes strategic for reducing costs and impacts in the environment, such as Green House Gas (GHG) emissions. This article addresses the potential for Biogas use in WWTP in Brazil, and describes the development of this market in Germany, as an example of success.
Keywords: Biogas use. Energy efficiency. Wastewater treatment plant. Sludge treatment. Anaerobic reactors.

1 INTRODUÇÃO

O Plano Nacional de Saneamento (PLANSAB) apresenta como meta para o setor a universalização dos serviços de água e esgoto até 2033. Atualmente o panorama mostra que ainda há muito que se fazer, especialmente com o esgoto, visto que apenas 39,7% é devidamente tratado.

Desde 2007, como política de governo, o setor de saneamento começou a receber maiores investimentos, quando se iniciou o programa de aceleração de crescimento (PAC) que até o ano de 2014 previu investimentos de 70 bilhões de reais em obras de infraestrutura no setor.

Somado à meta ambiciosa e ao cenário do crescimento do número de Estações de Tratamento de Esgoto no país, as despesas com energia elétrica das prestadoras de serviço em saneamento atingiram o montante de R$ 3,14 bilhões no ano de 2011, o que representa em média seu segundo maior custo operacional.

Por outro lado, toda ETE também convive com o lodo, um subproduto do tratamento de esgoto custoso e trabalhoso de ser gerenciado. A quantidade gerada de lodo de esgoto cresce proporcionalmente ao aumento dos serviços de coleta e tratamento de esgoto, que, por sua vez, deve acompanhar o crescimento populacional. Em 2010, estimativas apontavam uma produção nacional de 150 a 220 mil toneladas de matéria seca por ano, considerando que o tratamento de esgoto atingia apenas 30% da população urbana (PEDROZA et al., 2010).

De forma geral, as estações de tratamento de esgoto costumam realizar apenas o tratamento básico desse resíduo, adensando-o e elevando um pouco seu teor de sólidos (TS), até uma média de 20%. A partir daí, o lodo é destinado para um aterro sanitário, contendo majoritariamente água. Essa logística além de ser custosa, pode se tornar insustentável a partir deste ano. A Política Nacional de Resíduos Sólidos (Lei nº 12.305/2010) define que a partir de agosto apenas rejeitos poderão ser encaminhados para aterros e, neste caso, o lodo, dificilmente poderia ser considerado um rejeito, sem possibilidade de uso mais nobre.

Somado a isso, vale ressaltar que os custos para a destinação de lodo em aterro vêm aumentando a cada ano, em vista da falta de disponibilidade de áreas para tal disposição e pelo aumento do custo de transporte, somado às grandes distâncias normalmente percorridas. Algumas das grandes companhias de saneamento, como SABESP e SANEPAR, chegam a pagar R$ 140,00/t (TS de 20-30%) e de R$ 180,00 – 240,00/t (TS 40-65%), respectivamente.

A partir desse contexto, as prestadoras de serviço vêm buscando alternativas para a logística do lodo, sendo uma delas aproveitar o potencial do biogás produzido em sistemas anaeróbios de tratamento para a sua secagem.

2 AS FONTES POTENCIAIS DE BIOGÁS EM UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO

O biogás é uma mistura de gases gerados durante a digestão anaeróbia da matéria orgânica, composta basicamente de metano (CH4) e gás carbônico (CO2). Sua composição é variável, dependendo do tipo e concentração da matéria orgânica a ser digerida, das condições físico-químicas no interior do digestor (pH, alcalinidade, temperatura) e da presença de outros ânions, como o sulfato e o nitrato (NOYOLA et al., 2006).

Em ETEs, a produção do biogás ocorre ao longo do tratamento dos efluentes, nos reatores anaeróbios, ou durante a digestão do lodo (Figura 1).

Figura 1 – Produção de biogás a partir de diferentes opções de tratamento dos esgotos
Fonte: Elaboração própria dos autores (2014).

Os constituintes usualmente presentes no biogás gerado por meio desses processos de digestão são apresentados na Tabela 1.

Tabela 1 – Composição típica de biogás gerado em reatores anaeróbios tratando esgoto doméstico, aterros sanitários na fase metanogênica e digestores de lodo
Parâmetro
Unidade
Composição volumétrica típica
Biogás de reatores anaeróbios
Biogás de aterro sanitário
Digestores de Lodo
Metano – CH4
%
60 a 85
45 a 50
60 a 70
Gás Carbônico – CO2
%
5 a 15
30 a 45
20 a 40
Monóxido de carbono – CO
%
0 a 0,3
0 a 0,2
-
Nitrogênio – N2
%
10 a 25*
0 a 15
< 2
Hidrogênio – H2
%
0 a 3
Traços a >1
-
Sulfeto de hidrogênio – H2S
ppmv
1000 a 2000
10 a 200
até 1000
Oxigênio – O2
%
traços
0,8
-
*  A elevada fração de nitrogênio no biogás de reatores anaeróbios deve-se ao N2 dissolvido no esgoto doméstico.

Fonte: Lobato (2011, p. 49).

Uma característica importante do setor de saneamento no Brasil é o uso de sistemas anaeróbicos para tratamento de esgotos. Nos países europeus e América do Norte, as ETEs urbanas utilizam sistemas de aeração prolongada, que consomem mais eletricidade, porém ocupam menores áreas. No Brasil, devido ao clima tropical e o forte incentivo do FINEP, via o Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB), sistemas como reator anaeróbio de fluxo ascendente, popularmente conhecido como UASB, têm sido cada vez mais adotados. Os UASBs são reatores que ocupam áreas menores que as lagoas e sistemas naturais em geral, mas demandam menos energia que os sistemas mecanizados e aeróbicos convencionais.

Esses reatores são uma fonte de biogás, que pode ser capturado e reutilizado de diferentes formas dentro da ETE. Como vantagens para o aproveitamento deste gás tem-se:
  • Fonte renovável de energia;
  • Redução das emissões de gases de efeito estufa (GEE) para a atmosfera;
  • Fonte adicional de renda ou custo evitado;
  • Apto para geração distribuída ou centralizada;
  • Armazenável (horário de ponta);
  • Versátil no uso (térmico/elétrico/veicular);
  • Possibilidade de coprodução de biofertilizantes.

O biogás também pode ser produzido a partir do tratamento anaeróbio do lodo. O lodo gerado no processo precisa ser tratado antes de ser reaproveitado na agricultura ou em caldeiras ou encaminhado para aterro. Esse tratamento varia de acordo com o uso final do lodo. Em todos os casos, porém, é preciso reduzir o seu volume por meio do adensamento e desaguamento, e reduzir seu odor, por meio da estabilização da matéria orgânica.

A digestão do lodo aeróbio em digestores anaeróbios é uma solução adotada em muitas estações de tratamento de esgotos em países desenvolvidos para estabilização da matéria orgânica, porém ainda pouco aplicada no Brasil.

Apesar das poucas experiências de aproveitamento energético utilizando biogás em ETEs no Brasil, os dois casos que existem atualmente de grande escala são de aproveitamento energético de biogás a partir da digestão anaeróbia do lodo, na COPASA em Minas Gerais e em Ribeirão Preto, São Paulo.

A ETE Ribeirão Preto foi, em março de 2011, a primeira do país a reaproveitar energeticamente o biogás, fazendo-o através do uso de dois motores de cogeração a ciclo Otto, de 752 kwh cada. A ETE apresenta uma potência instalada de 1,5 MW e gera cerca de 16.725 kwh/dia, conseguindo suprir cerca de 60% do consumo energético da planta.

Já a COPASA iniciou o aproveitamento energético do biogás em julho de 2011, na ETE Arrudas, com uma potência instalada de 2,4 MW. Para a cogeração são utilizadas 12 turbinas de 200 kw cada, suprindo cerca de 70% do consumo energético elétrico da planta. Vale ressaltar que a energia térmica do biogás é utilizada para a secagem térmica do lodo, na etapa posterior.

3 PRINCIPAIS TECNOLOGIAS EMPREGADAS NO APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DE BIOGÁS

O biogás pode ser convertido em energia mecânica, elétrica ou térmica. Atualmente existem algumas tecnológicas consolidadas de uso energético deste gás no mundo. Estas se resumem a cogeração, uso direto no processo de tratamento de esgotos (i.e., sopradores) e recuperação do calor em caldeiras.

Além dos usos estabelecidos, na atualidade novas possibilidades de uso por meio de tecnologias inovadoras estão se estabelecendo no setor de saneamento. Estas se concentram principalmente na conversão do biogás em biometano e em hidrogênio. A razão para isso é que, tanto o biometano como o hidrogênio proporcionam uma gama maior de utilizações com eficiências energéticas superiores.

Figura 2 – Potenciais caminhos de aproveitamento do biogás
Fonte: Elaboração própria, baseado em BTE, IFEU ISA (2004).

As diferentes rotas de aproveitamento do biogás oriundo de ETEs, atuais e em fase de pesquisa, estão ilustradas na Figura 2.

As diferentes formas de aproveitamento do biogás vão depender das características desse combustível. Dependendo das faixas de concentração das substâncias que compõe o biogás, este pode ser utilizado para diferentes fins e para tipos de tecnologia.

4 A EXPERIÊNCIA DA ALEMANHA

Na Alemanha, desde o ano de 2006 é proibido o envio de resíduos orgânicos para o aterro, e a gestão do lodo se concentra o máximo possível dentro da própria ETE, buscando-se sempre reutilizar o residual do tratamento.

A Figura 3 mostra como se deu o tratamento do lodo ao longo dos anos, indicando claramente o fim da disposição em aterros e um aumento da queima do lodo, após sua digestão anaeróbia. Com a queima, o lodo atinge um percentual de sólidos acima de 90% e muitas vezes é conduzido às indústrias de cimento como um combustível complementar ao carvão.

Figura 3 – Evolução da destinação final do lodo de ETEs na Alemanha
Fonte: Agência Federal do Meio Ambiente, compilação de dados
da Agência de Estatística da Alemanha (2011).

No caso alemão, existiram leis que interferiram diretamente na gestão de resíduos, bem como um incentivo financeiro para as ETEs reaproveitarem o biogás. A tarifa feed-in, praticada no país, prevê o pagamento de valores maiores pela energia elétrica a partir do biogás injetada na rede. Isso torna esta aplicação viável economicamente.

Das cerca de 10.000 ETEs existentes na Alemanha, 1.190 produzem biogás. Essa produção atinge atualmente 710 milhões de m3/ano de biogás. A escala de tratamento destas ETEs mostra que este número é significativo, pois 2.214 ETEs representam cerca de 90% da capacidade de tratamento do país (BMU, 2011). O biogás produzido é utilizado para gerar eletricidade e calor, ou simplesmente para geração de calor utilizado no processo de aquecimento do próprio digestor e para secagem do lodo.

Ao todo, são mais de 1 TWh por ano de eletricidade gerada nas ETEs alemãs, que produzem em média 50% de sua energia consumida, o que representa uma geração de energia a partir do esgoto, per capita, de 11,5 kWh/(hab∙ano).

Mesmo levando em consideração outras condições quadro neste país, é indubitável que as ETEs não objetivam apenas reduzir a carga orgânica no esgoto. Elas funcionam como unidades produtoras de energia, utilizando inclusive da codigestão para aumentar a produção de biogás e consequentemente, sua autossuficiência energética.

Por fim, o modelo que mais se observa nas plantas de esgoto alemãs é a tecnologia de lodos ativados para tratamento de esgoto, com a digestão anaeróbia do lodo cofermentado com outros substratos que aumentam a produção de biogás. Com o biogás produzido, das diversas aplicações as mais comumente encontradas são: a cogeração, aproveitando a energia térmica e elétrica ou a purificação do gás para biometano, injetando-o na rede de gás natural. Vale ressaltar que quanto às alternativas de uso de biogás, sempre deverá ser analisado cada projeto individualmente, pois a melhor aplicação vai sempre variar caso a caso.

5 CONCLUSÕES

A utilização do biogás em ETEs para geração de eletricidade é uma alternativa altamente promissora para o setor de saneamento no Brasil e representa também uma mudança de paradigma. Ao agregar valor e dar o status de fonte renovável de energia a um subproduto das atividades humanas que sempre foi visto como um passivo ambiental e ignorado pelo poder público, esta alternativa representa um grande passo em direção de uma sociedade mais sustentável.

Em países desenvolvidos se observa uma maior atenção às questões de eficiência energética. A Alemanha é um exemplo de sucesso e de que o aproveitamento energético de biogás em ETEs é tecnicamente viável. Para tanto, os marcos legais foram importantes para que este modelo de negócio se consolidasse no setor.

Na realidade do Brasil, muito ainda tem que ser feito no saneamento como um todo, em especial no tratamento de esgoto, mas a forma que o setor vai se estruturar pode ser mais eficiente, caso seja dada a devida importância para isso.

As prestadoras de serviço em saneamento estão em busca de alternativas que melhorem sua gestão operacional e, principalmente, reduzam seus custos. O novo impacto devido a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) é um grande estimulante às soluções mais sustentáveis para o sistema. A PNRS traz uma nova sistemática para a gestão de resíduos no país, particularmente no que diz respeito à introdução de novas tecnologias para o seu aproveitamento.

Por utilizar o tratamento anaeróbio do esgoto, assim como ter a alternativa de tratar o lodo de forma anaeróbia, o Brasil apresenta um grande potencial de produção de biogás nas estações de tratamento de esgoto. O conhecimento sobre este potencial, a capacitação técnica de quem trabalha no setor para aproveitá-lo e políticas que incentivem este aproveitamento, são os pilares para tornar realidade o uso energético do biogás no país.

REFERÊNCIAS

BMU – Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Development of renewable energy sources in Germany 2011. Graphics and tables Version: July 2012. BMU-KI III – Based on statistical data from the Working Group on Renewable Energy-Statistics (AGEE-Stat). Disponível em: <http://www.bmub.bund.de/fileadmin/bmu-import/files/english/pdf/application/pdf/ee_in_deutschland_graf_tab_en.pdf>. Acesso em: 10 jan. 2014.

BRASIL. Lei nº 12.305, de 02 de agosto de 2010. Institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos; altera a Lei nº 9.605, de 12 de fevereiro de 1998; e dá outras providências. Disponível em: <http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_ato2007-2010/2010/lei/l12305.htm>. Acesso em: 20 dez. 2013.

BRASIL. Ministério das Cidades – Secretaria Nacional de Saneamento Ambiental. Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento (SNISS). Diagnóstico dos serviços de água e esgotos – 2011. Brasília: MCIDADES / SNSA, 2013. Disponível em: <http://www.engenhariaambiental.unir.br/admin/prof/arq/DiagAE_2011.pdff>. Acesso em: 20 dez. 2013.

BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Plano Nacional de Eficiência Energética – Premissas e Diretrizes Básicas. Brasília/DF: MME / Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento Energético, 2011. Disponível em: <http://www.orcamentofederal.gov.br/ projeto-esplanada-sustentavel/pasta-para-arquivar-dados-do-pes/Plano_Nacional_de_Eficien cia_Energetica.pdf>. Acesso em: 20 dez. 2013.

BTE, IFEU, ISA 2004. Ökobilanzielle Bewertung neuartiger Energieversorgungssysteme für Kläranlagen unter besonderer Berücksichtigung der Wasserstofftechnologie. Forschungs- und Entwicklungsvorhaben im Auftrag des MUNLV NRW, AZ IV – 9 – 042 426, Dezember 2004.

JENICEK, P.; BARTACEK, J.; KUTIL J.; ZABRANSKA J.; DOHANYOS, M. Potentials and Limits of Anaerobic Digestion of Sewage Sludge: Energy Self-Sufficient Municipal Wastewater Treatment Plant? Water Science and Technology, v. 66, n. 6, p. 1277-1281, doi: 10.2166/wst.2012.317, 2012.

LOBATO, Lívia Cristina da Silva. Aproveitamento Energético de Biogás Gerado em Reatores UASB Tratando Esgoto Doméstico. 2011. Tese (Doutorado) – Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2011. Disponível em: <http://www.smarh.eng.ufmg.br/ defesas/189D.PDF>. Acesso em: 20 dez. 2013.

NOYOLA, Adalberto; MORGAN-SAGASTUME, Juan Manoel; LÓPEZ-HERNÁNDEZ, Jorge E. Treatment of biogas produced in anaerobic reactors for domestic wastewater: odour control and energy/resource recovery. Reviews in Environmental Sciences and Bio/Technology, v. 5, p. 93-114. 2006. Disponível em: <http://link.springer.com/article/10.1007/s11157-005-2754-6#page-2>. Acesso em: 20 dez. 2013.

PEDROZA, Marcelo Mendes; VIEIRA, Gláucia Eliza Gama; SOUSA, João Fernandes de; PICKLER, Arilza de Castilho; LEAL, Edina Ruth Mendes; MILHOMEN, Cleide da Cruz. Produção e tratamento de lodo de esgoto – uma revisão. Revista Liberato, Novo Hamburgo, v. 11, n. 16, p. 89-188, jul./dez. 2010. Disponível em: <http://goo.gl/6HkD7m>. Acesso em: 20 dez. 2013.

VAN HAANDEL, Adrianus C.; LETTINGA, Gatze. Tratamento anaeróbio de esgoto. Um manual para regiões de clima quente. Campina Grande: Universidade Federal da Paraíba, 1994.

ZANETTE, André Luiz. Potencial de Aproveitamento Energético do Biogás no Brasil. Dissertação (Mestrado) – Programa de Planejamento Energético, Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2009. Disponível em: <http://www.ppe.ufrj.br/ppe/ production/tesis/zanette_luiz.pdf>. Acesso em: 20 dez. 2013.



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Como citar [ABNT NBR 6023:2002]:

MOREIRA, Hélinah Cardoso; VALENTE, Victor Bustani. Aproveitamento Energético de Biogás em Estações de Tratamento de Esgoto: status quo na Alemanha e no Brasil. In: FRICKE, Klaus; PEREIRA, Christiane; LEITE, Aguinaldo; BAGNATI, Marius. (Coords.). Gestão sustentável de resíduos sólidos urbanos: transferência de experiência entre a Alemanha e o Brasil. Braunschweig: Technische Universität Braunschweig, 2015. Disponível em: <https://goo.gl/BE246I>. Acesso em: .
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