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Como Potencializar sua ETE e Gerar Receita com a Tecnologia de Conversão de Resíduos em Energia (Waste to Energy)

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Energia elétrica, juntamente com a necessidade de atendimento às regulamentações ambientais caracterizam os principais custos das operações industriais de tratamento de efluentes. Ao mesmo tempo, as indústrias são obrigadas a lidar com sustentabilidade e reduzir a geração de carbono. A RWL Water, visando colaborar nestas pressões constantes para aumentar a eficiência e ainda proteger o meio ambiente, oferece tecnologia de excelente rendimento.

Fabio Poletto da RWL Water falou com o portal “Water Online” (www.wateronline.com) a fim de esclarecer alguns pontos sobre a tecnologia de conversão de resíduos em energia (WTE – Waste to Energy). Ele explica como esta tecnologia pode ajudar o meio ambiente e ainda reduzir custos operacionais em diversos segmentos industriais:

Em geral, como uma instalação “WTE” funciona, e quais são as suas vantagens?

[Fabio] O principal conceito por trás de uma instalação “WTE” é utilizar completamente a energia contida nos resíduos antes do descarte.

A instalação “WTE” converte os resíduos em biogás (uma mistura de metano e dióxido de carbono), usando um processo biológico chamado de digestão anaeróbia. O residual desta conversão é um “composto digerido”, com baixo teor energético. Esse composto é completamente fermentado e, portanto, estável, sendo muito útil como fertilizante. O biogás produzido, além de ser pura energia, é fácil de se manusear. Ele pode ser utilizado para a geração de energia elétrica e térmica, em um gerador ou caldeira e ainda, se purificado, injetado na rede. Uma planta “WTE” tem o benefício de fechar completamente o ciclo de produção através da utilização de resíduos recebidos de toda a instalação industrial. Com 1kg de DQO (Demanda Química de Oxigênio), tratada por processo de digestão anaeróbio, são produzidos 0,35 m³ de metano. O mesmo tratamento feito por um sistema aeróbio exige 1 KWh de energia elétrica. Outra grande vantagem é na geração de lodo.

Em um ambiente anaeróbio, a produção de lodo é de apenas 0,05 kg por kg de DQO tratado. Este número é pequeno quando comparado com a geração de lodo em um ambiente aeróbio, que é de 0,45 kg por kg de DQO tratado. Assim, as vantagens de uma instalação “WTE” consistem na produção de biogás, baixa energia requerida e baixa geração de lodo.

Que tipo de biomassa pode ser utilizada como um recurso energético?

[Fabio] Geralmente, a maioria dos “resíduos orgânicos” podem ser considerados como biomassa apropriada para uma instalação “WTE”. Resíduos de indústrias de processamento de alimentos e bebidas são especialmente adequados.

Os exemplos incluem: empresas que geram efluentes de alimentos e bebidas, soro de leite, lodo primário do pré-tratamento de efluentes, alimentos vencidos, estrume, “SBE – Spent Bleaching Earth” (resíduos sólidos gerados em refinarias de petróleo) e biossólidos de processos de fermentação.

Existe uma maneira de determinar se a instalação de uma planta “WTE” terá um bom retorno sobre o investimento?

[Fabio] Certamente. A equipe da RWL Water tem vasta experiência em uma ampla gama de biomassas. Podemos avaliar a produção potencial de biogás, os custos operacionais e de investimento da planta. Trabalhando em estreita colaboração com o cliente, nós definimos um plano de negócios para todo o sistema. Nos casos em que a biomassa é difícil de tratar, a RWL Water tem estrutura para testar o processo em seus laboratórios. Com base nos resultados, a RWL Water pode garantir o desempenho da planta.

Para os resíduos da indústria de alimentos, tais como a de matadouros, há uma configuração de tratamento especial que é mais eficaz e eficiente na produção de energia e tratamento de resíduos?

[Fabio] A configuração do tratamento não segue um esquema padrão. Deve ser feita sob medida com base na necessidade do cliente e regulamentos locais. A RWL Water desenvolve um processo para maximizar a eficiência do sistema e minimizar o custo operacional. Numa solução comum para matadouros o efluente proveniente da fábrica é primeiro tratado por Flotação por Ar Dissolvido (DAF). Isto irá remover 80 % da carga orgânica e 65 % da carga de nitrogênio. Depois o lodo é tratado com um processo de digestão anaeróbia (DA), que é capaz de lidar com cargas muito elevadas de nitrogênio (a amônia acima de 3.500 mg/L atua como um inibidor do processo de DA). Uma tonelada de lodo flotado em 10 % de massa digerida pode produzir até 60 m³ de metano. Após o processo de DA, o digerido é separado nas fases sólida e líquida. Devido ao processo de DA, o lodo sólido a ser descartado é normalmente inferior a 20 % dos resíduos de entrada. O sólido digerido pode ser usado como fertilizante.

O líquido tratado é enviado para a estação de tratamento de efluentes (ETE) junto com a água clarificada da unidade DAF inicial.

A ETE é uma planta de nitrificação/desnitrificação com uma configuração especial chamada de “duplo estágio”. A configuração de duplo estágio pode reduzir a DQO para abaixo de 100 mg/L e o nitrogênio total para menos de 20 mg/L. A planta de nitrificação/desnitrificação pode ser equipada com um sistema de pré-tratamento que utiliza o processo de nitrosação (“nitrosation process”) a fim de reduzir os custos operacionais. O equilíbrio certo entre a eficiência de remoção por DAF, a eficiência de remoção por DA e a capacidade da ETE resulta em mínimos custos operacionais e de capital.

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Abatedouro de frangos: digestão anaeróbia de lodo primário.

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Abatedouro de frangos: reabilitação de uma planta de nitrificação/desnitrificação com um novo sistema de aeração e digestão de lodo anaeróbio. Projeto concluído sem qualquer interrupção da planta.

Como funciona a rápida digestão anaeróbia, e qual a sua aplicação em cervejarias?

[Fabio] A tecnologia de rápida digestão anaeróbia (“rapid anaerobic digestion technology”) usa a capacidade da biomassa anaeróbia para crescer como grânulos (semelhante ao caviar) sob certas condições. Os grânulos têm uma elevada taxa de sedimentação, o que permite que uma grande quantidade de biomassa permaneça no reator. Portanto, o sistema pode lidar com elevadas cargas orgânicas (até 20 kg/m³ de DQO por dia), reduzindo o volume do reator e, portanto, o custo de capital (investimento).

Nosso reator Externo de Circulação Forçada (ECF) é uma evolução de um reator anaeróbio de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB), desenvolvido pela RWL Water. Uma velocidade de fluxo aumentada usando a reciclagem do efluente permite a expansão parcial do leito de lodo granular. Isso melhora o contato efluente-lodo. O contato melhorado aumenta a segregação de pequenas partículas suspensas inativas do leito de lodo.

Este tipo de reator/processo é particularmente apropriado como pré-tratamento de efluentes aquosos contendo materiais orgânicos solúveis (açúcares, amidos, etc.). Exemplos incluem fábricas de papel, produtoras de geleia, fábricas de processamento de batata e cervejarias. O processo pode ser aplicado a plantas existentes, reduzindo-se a carga orgânica em até 80%.

Em fábricas de cerveja, o efluente é pré-tratado num clarificador para remover os sólidos, em seguida, alimentado para o digestor anaeróbio rápido. Este processo transforma 85% da carga orgânica total em biogás. Além disso, os sólidos a partir do primeiro passo de separação podem ser tratados em um digestor anaeróbio de lodos. Este tratamento irá maximizar a produção de biogás e minimizar os custos de disposição de lodo. O uso da rápida digestão anaeróbia em cervejarias garante baixos custos operacionais e um processo muito estável. A rápida digestão anaeróbia também reduz as questões relacionadas com a sobrecarga nas plantas aeróbias (especialmente no volume de lodo).

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Cervejaria: à direita o reator ECF e à esquerda o digestor de lodo anaeróbio.

 

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Fábrica de papel: reator ECF na planta de acabamento à esquerda e aeróbio à direita.

O soro de leite na produção de iogurte grego é ácido, tornando seu tratamento e eliminação difíceis. Como a tecnologia “WTE” pode ajudar a resolver este problema?

[Fabio] O principal problema com o soro de leite é sua acidez que impede a recuperação de produtos valiosos como a proteína do soro de leite concentrada ou o leite em pó. Uma instalação “WTE” permite a recuperação da energia contida neste subproduto como biogás. Ao mesmo tempo, o processo remove 90 % da carga orgânica. O líquido digerido após a fase de separação de sólidos pode ser facilmente manuseado por uma ETAR. Como um exemplo prático, num soro de leite ácido com uma DQO de cerca de 60 a 65 g/L; à saída do digestor anaeróbio (após a separação dos sólidos) são capazes de se obter líquidos com DQO de cerca de 500 a 600 mg/L. Um metro cúbico de soro de leite ácido pode produzir 20,5 m³ de metano.

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Laticínios: digestor anaeróbio para 100 m3/dia de soro de leite capaz de produzir 7.200 kWh/dia de energia elétrica e 7200 kWh/dia de energia térmica.

Como uma planta “WTE” pode ser incorporada em um sistema de tratamento existente sem perturbar a operação em curso da instalação?

[Fabio] Normalmente, uma planta “WTE” utiliza os resíduos que a fábrica se desfaz ou os envia para pré-tratamento (no caso de um Reator ECF) como a biomassa. Isto significa que a instalação da planta “WTE” não afeta a operação contínua da instalação. O que pode afetar a atividade existente é a reabilitação da parte final das plantas (nitrificação/desnitrificação, por exemplo) utilizada para tratar a carga de nitrogênio proveniente da planta de DA.

Nesse caso, é necessário aplicar tecnologias para evitar a interferência com o funcionamento normal da ETE.

Estas tecnologias podem incluir sistemas removíveis de difusão de ar, divisões internas de tanques, e agendamento das atividades críticas durante certos períodos. Na instalação pode ser necessário usar um tanque de equalização para recolher os efluentes provenientes da fábrica.

rwl-water-waste-to-energy-10  Abatedouro de frangos: reabilitação de uma planta de nitrificação/desnitrificação com um novo sistema de aeração, sem qualquer interrupção da planta.

Como exemplo, um de nossos clientes tinha uma ETE mas, devido ao aumento da produção, procurou reduzir os custos de descarte atendendo às normas ambientais.

O principal desafio neste caso foi construir e ativar a planta “WTE” e equipar a ETE durante o funcionamento normal do matadouro.

O matadouro opera seis dias por semana, processando mais de 152.000 frangos por dia e gerando 3.100 m³ de efluentes.

A RWL Water projetou e renovou a planta existente. O projeto incluiu a adição de uma unidade de DAF, seguida por uma digestão anaeróbia, nitrificação/desnitrificação, e clarificação final. Toda a construção e comissionamento da planta teve que ser feita sem qualquer interrupção da instalação.

Como o sulfeto de hidrogênio (H2S) em biogás é gerenciado em uma instalação “WTE”?

[Fabio] O biogás produzido em certas aplicações (fábricas de papel, produtores de frutas cristalizadas, produtoras de geleia) é muito rico em H2S, que é corrosivo para caldeiras e cogeradores.

Normalmente, o biogás é dessulfurado com uma lavagem alcalina em uma coluna de varrimento. Esta solução é muito eficaz em termos de remoção de H2S mas consome uma grande quantidade de hidróxido de sódio.

A RWL Water aplica uma lavagem que é semelhante, mas não consome alcalinidade. A RWL Water utiliza um processo sinérgico que transfere o H2S do gás para a solução de lavagem, consumindo parte da alcalinidade. O próximo passo é a oxidação (pelo ar) desta solução. O resultado é que o H2S aquoso é transformado em enxofre sólido (e insolúvel) que pode ser facilmente separado por clarificação da solução. Este processo restaura a alcalinidade da solução inicial.

O benefício é um elevado rendimento da remoção típica de purificadores de lavagem, combinado com o consumo altamente reduzido de hidróxido de sódio.

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Muitas instalações dispõem de digestores em terras agrícolas. O que pode ser feito para reduzir quantidades excessivas de nitrogênio para que não afetam o meio ambiente?

[Fabio] Em digestores de restos de alimentos e bebidas, o nitrogênio total é normalmente limitado a 50% (proteínas e estruvita – mineral composto por fosfato, magnésio e amônio), e 50% de bicarbonato de amônio em solução.

Ao invés de dispor o composto digerido em terra como é feito, o líquido pode ser separado e tratado. O tratamento pode ocorrer em uma unidade de nitrificação/desnitrificação, nitrosação, ou em um sistema de esgoto, com a recuperação de fosfato de amônio. Isto reduz a quantidade de nitrogênio restante para a disposição de pelo menos 40 a 50%.

O processo de nitrificação é essencialmente a oxidação bioquímica de amônia a nitrato, por meio de bactérias nitrificantes. Este processo ocorre em uma bacia que é perfeitamente arejada.
Os nitratos produzidos devem ser reduzidos por meio de um processo de desnitrificação. As bactérias oxidam as substâncias orgânicas presentes nos efluentes utilizando moléculas de oxigênio a partir de nitratos. O resultado deste processo é nitrogênio sob a forma de gás que irá ser disperso na atmosfera.

A RWL Water também desenvolveu um processo especial de “duplo-estágio” que é particularmente adequado para níveis muito elevados de nitrogênio e muito baixos de DQO/TKN. Esta situação é particularmente crítica e ocorre frequentemente em matadouros, durante a digestão anaeróbia de lodos primários.

A RWL Water também está desenvolvendo novos processos, tais como o processo de nitrosação. Este processo será utilizado para a redução de amônia a partir de resíduos concentrados, tais como digestores líquidos. A nitrosação irá minimizar ainda mais a demanda energética e o custo do processo. Também irá reduzir a injeção de DQO externo, que é por vezes necessário para assegurar um processo de desnitrificação completo.

O sistema de esgoto permite a remoção de amônia do composto digerido utilizando ar e energia térmica ou uma solução alcalina (soda cáustica ou cal). A amônia pode ser recuperada como um concentrado de fosfato de amônio ou uma solução de sulfato de amônio e vendida como adubo.
A escolha de tecnologias depende do tipo de sistema (planta industrial, agrícola ou municipal) com o qual ele será utilizado. A tecnologia deverá ser avaliada ao longo do tempo, a fim de equilibrar os custos de capital e de operação/manutenção.

Como a rotina ou a manutenção não programada afetam a operação dos digestores de biogás?

[Fabio] Durante as fases de engenharia, todos os possíveis problemas que podem afetar a estabilidade do processo e a segurança do sistema são avaliados e minimizados. Por exemplo, os engenheiros irão considerar o uso de bombas de reserva para redundância e misturadores de fácil manutenção.

Plantas de digestão anaeróbia, se devidamente dimensionadas e construídas, são muito estáveis e não são afetadas por desativações temporárias. Durante o reinício das plantas, especialmente após algumas semanas de interrupção, é muito importante prestar atenção à carga orgânica aplicada, a fim de evitar sobrecarregar temporariamente a biomassa ativa.

Tradução: Pedro Carvalho Oliveira – pedro@webapp233877.ip-104-237-133-206.cloudezapp.io
Revisão: Eduardo Pacheco – pacheco@webapp233877.ip-104-237-133-206.cloudezapp.io
José Roberto Ramos – jramos@rwlwater.com

Mais informações: www.rwlwater.com/