Computational tool for managing energy recovery and carbon footprint in sewage treatment plants based on anaerobic reactors

Bianchetti, Fábio José; Chernicharo, Carlos Augusto de Lemos; Brandt, Emanuel Manfred Freire; Santos, Henrique Alves

Fábio José Bianchetti ^* * Autor correspondente: fabiobianchetti@cefetmg.br

Conceituação

Curadoria de Dados

Análise Formal

Obtenção de Financiamento

Investigação

Metodologia

Software

Escrita – Primeira Redação

Escrita – Revisão e Edição

Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Ringgold Standard Institution – Curvelo (MG), Brasil.

http://orcid.org/0000-0002-7643-7642

Carlos Augusto de Lemos Chernicharo

Conceituação

Curadoria de Dados

Análise Formal

Obtenção de Financiamento

Metodologia

Administração do Projeto

Supervisão

Validação

Escrita – Revisão e Edição

Universidade Federal de Minas Gerais, Ringgold Standard Institution – Belo Horizonte (MG), Brasil.

http://orcid.org/0000-0001-7226-8266

Emanuel Manfred Freire Brandt

Conceituação

Curadoria de Dados

Metodologia

Universidade Federal de Juiz de Fora, Ringgold Standard Institution – Juiz de Fora (MG), Brasil.

http://orcid.org/0000-0002-9009-1940

Henrique Alves Santos

Investigação

Software

Universidade Federal de Minas Gerais, Ringgold Standard Institution – Belo Horizonte (MG), Brasil.

http://orcid.org/0000-0003-2453-2768

* Autor correspondente: fabiobianchetti@cefetmg.br

Conflitos de interesse: os autores declaram não haver conflitos de interesse.

Objetivo	Técnica disponível em função do porte populacional da ETE
Objetivo	Pequeno (2.000 a 10.000 hab.)	Médio (10.000 a 100.000 hab.)	Grande (> 100.000 hab.)
Pós-tratamento	Reatores aeróbios de biofilme (ex. filtro biológico percolador - FBP) Sistemas com baixa geração de lodo (ex. wetlands construídos, lagoas)	Reatores aeróbios energointensivos (ex. lodos ativados) Reatores aeróbios de biofilme (ex. FBP) Sistemas com baixa geração de lodo (ex. wetlands construídos, lagoas)	Reatores aeróbios energointensivos (ex. lodos ativados) Reatores aeróbios de biofilme (ex. FBP) Sistemas com baixa geração de lodo (ex. wetlands construídos, lagoas)
Manejo do biogás	Queimador aberto Queimador enclausurado Desinfecção do lodo Cocção Aquecimento de água	Queimador aberto Queimador enclausurado Desinfecção do lodo Secador térmico Produção de vapor Motor CHP	Queimador aberto Queimador enclausurado Secador térmico Produção de vapor Motor CHP Combustível veicular
Manejo do CH₄ dissolvido	Câmara de dessorção simplificada (remoção)	Câmara de dessorção simplificada (remoção) Câmara de dessorção com enchimento (remoção) Contactores de membranas/ Câmaras a vácuo (remoção ou recuperação)	Câmara de dessorção simplificada (remoção) Câmara de dessorção com enchimento (remoção) Contactores de membranas/ Câmaras a vácuo (remoção ou recuperação)
Tratamento do CH₄ removido/ recuperado	Biofiltro	Biofiltro Manejo conjunto com o biogás	Biofiltro Manejo conjunto com o biogás
Emissões decantador	Sem controle Com controle (captura, exaustão e tratamento em biofiltro)	Sem controle Com controle (captura, exaustão e tratamento em biofiltro)	Sem controle Com controle (captura, exaustão e tratamento em biofiltro)
Manejo do lodo	Leitos de secagem + aterro sanitário Tratamento térmico + uso agrícola	Leitos de secagem ou centrífuga + aterro sanitário Leitos de secagem ou centrífuga + tratamento térmico + aterro sanitário ou uso agrícola	Centrífuga + aterro sanitário Centrífuga + tratamento térmico + aterro sanitário ou uso agrícola

Grupo	Parâmetro	Finalidade
Esgoto	Vazão afluente	Cálculo de subprodutos e coeficientes unitários
Biogás	Produção de biogás	Informação quantitativa ao usuário, definição de equipamentos
	Produção de CH₄	Informação quantitativa ao usuário, cálculo do potencial energético, definição de equipamentos, análise da pegada de carbono
	Teor de CH₄	Informação qualitativa ao usuário, viabilidade do aproveitamento energético
Decantador	Emissão de CH₄ (com e sem tratamento)	Informação quantitativa ao usuário, análise da pegada de carbono
Efluente reator	Carga de CH₄-D	Estimativa de emissões (controladas ou descontroladas), análise da pegada de carbono
Efluente reator	Emissão de CH₄ (com e sem tratamento)	Informação quantitativa ao usuário, análise da pegada de carbono
Lodo	Produção de lodo (em termos de sólidos secos e em diversas etapas do tratamento)	Informação quantitativa ao usuário, cálculo do potencial energético, definição de equipamentos, transporte, disposição, massa de cal evitada, massa de fertilizante N evitada, cálculo da pegada de carbono oriunda das emissões no transporte e do aterro
Lodo	Teor de sólidos/ Teor de umidade	Cálculo do volume de água e do potencial de tratamento térmico
Recuperação energética	Energia disponível CH₄/ lodo	Cálculo do potencial de recuperação energética, comparação com outras fontes
Recuperação energética	Energia demandada das rotas	Cálculo do potencial de atendimento de cada opção
Pegada de carbono	Emissões das rotas do modelo	Cálculo da pegada de carbono produzida
Pegada de carbono	Emissões das fontes substituídas ou evitadas	Cálculo da pegada de carbono evitada

Equações	Observações
Demanda por eletricidade da ETE e pegada de carbono resultante
$\begin{array}{l} D e m_{e l e t} = P o p . \times \frac{C o n s_{p ó s t r a t}}{365 \frac{d}{a n o}} + C o n s_{o u t} \end{array}$ $\begin{array}{l} E_{d e m . e l e t} = D e m_{e l e t} \times F E_{E n e r g i a} \times \frac{365 \frac{d}{a n o}}{1.000 g / k g} \end{array}$	Dem_elet = Demanda elétrica da ETE (kWh.ano⁻¹) Pop. = População atendida pela ETE (hab.) Cons_{pós trat} = Consumo específico eletricidade p/ pós-tratamento aeróbio (kWh.hab⁻¹.ano⁻¹) Cons_out = Outros consumos de eletricidade da ETE (kWh.ano⁻¹) E_dem.elet = Pegada de carbono produção energia elétrica demandada p/ETE (kgCO₂eq.ano⁻¹) FE_energia = Fator de emissão do setor de energia (gCO₂eq.kW⁻¹.h⁻¹)
Emissões residuais/fugitivas de metano provenientes do decantador
$E_{C H_{4}_{_{d e c}}} = P o p . \times \frac{D Q O_{p e r c a p i t a}}{1.000 g / k g} \times T_{C H_{4}_{_{d e c}}} \times (1 - \frac{E f_{C H_{4}_{_{b i o f}}}}{100}) \times 365 \frac{d}{a n o} \times G W P_{C H_{4}}$	E_CH4dec = Pegada de carbono proveniente do decantador (kgCO₂eq.ano⁻¹) DQO_{per capita} = Contribuição per capita de matéria orgânica (gDQO.hab.⁻¹.d⁻¹) T_CH4dec = Taxa de emissão de metano proveniente do decantador (kgCH₄.kgDQO⁻¹) Ef_CH4biof = Eficiência de abatimento de metano por biofiltros (%) GWP_CH4 = Potencial de aquecimento global do metano (28x a massa de CO₂eq.)
Emissões residuais/fugitivas de metano provenientes do efluente tratado
$\begin{array}{l} C H_{4 -} D_{m o n t} = Q_{e s g} \times \frac{86.400 s / d}{1.000 L / m^{3}} \times \frac{C_{C H_{4 -} D}}{1.000 g / k g} \end{array}$ $\begin{array}{l} C H_{4 -} D_{j u s} = C H_{4 -} D_{m o n t} \times (1 - \frac{E f_{C H_{4_{d e s s}}}}{100}) \end{array}$ $\begin{array}{l} E_{C H_{4 -} D} = [C H_{4 -} D_{j u s} + C H_{4 -} D_{m o n t} \times (\frac{E f_{C H_{4}_{_{d e s s}}}}{100}) \times (1 - \frac{E f_{C H_{4}_{_{b i o f}}}}{100})] \times 365 \frac{d}{a n o} \times G W P_{C H_{4}} \end{array}$ $\begin{array}{l} Q_{s t} = Q_{e s g} \times \frac{86.400 s / d}{1.000 L / m^{3}} \times \frac{Q_{g}}{Q_{L}} \end{array}$ $\begin{array}{l} Q_{C H_{4}_{_{r e c}}} = C H_{4 -} D_{m o n t} \times \frac{E f_{C H_{4}_{_{d e s s}}}}{100} \times \frac{R \times T}{P \times M} \times 1.000 g / k g \end{array}$	CH₄_D_mont = Carga de metano dissolvido na saída do reator (kgCH₄.d⁻¹) Q_esg = Vazão média afluente à ETE (L.s⁻¹) C_{CH4_D} = Concentração de metano dissolvido no efluente do UASB (g.m⁻³) CH₄_D_jus = Carga de metano após unidade de dessorção (kgCH₄.d⁻¹) Ef_CH4dess = Eficiência da técnica de dessorção de metano E_{CH4_D} = Pegada de carbono CH₄-D (kgCO₂eq.ano⁻¹) para o caso de unidades de dessorção simplificadas ou com enchimento. Em caso de unidades avançadas para recuperação e aproveitamento energético do metano dissolvido, considerar apenas a carga de jusante. Q_st = Vazão de ar de arraste (m³.d⁻¹) Q_g/Q_L = Relação gás-líquido (adimensional) Q_CH4rec = Vazão de metano recuperado (Nm³ CH₄.d⁻¹) para o caso de unidades de dessorção avançadas. Em caso de unidades simplificadas ou com enchimento, não há recuperação de metano e esta parcela será igual a 0. R = Constante universal dos gases (8,2057.10⁻⁵ atm.m³.mol⁻¹.K⁻¹) T = Temperatura nas condições padrão (273,15 K) P = Pressão nas condições padrão (1 atm.) M = Massa molar do metano (16 g.mol⁻¹)
Produção de biogás e emissões resultantes de sua queima e/ou aproveitamento
$\begin{array}{l} Q_{b i o g á s} = Q_{e s g} \times \frac{86.400 s / d}{1.000 L / m^{3}} \times \frac{q_{b i o g á s}}{1.000 L / m^{3}} + Q_{s t} + Q_{C H_{4}_{_{r e c}}} \end{array}$ $\begin{array}{l} Q_{C H_{4}} = Q_{e s g} \times \frac{86.400 s / d}{1.000 L / m^{3}} \times \frac{q_{C H_{4}}}{1.000 L / m^{3}} + Q_{C H_{4}_{_{r e c}}} \end{array}$ $\begin{array}{l} %_{C H_{4}} = \frac{Q_{C H_{4}}}{Q_{b i o g á s}} \times 100 \end{array}$ $\begin{array}{l} E_{q u e i m a b i o g á s} = \frac{% b i o g á s_{q u e i m a}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times (1 - \frac{E f_{q u e i m .}}{100}) \times \frac{P \times M}{R \times T} \times \frac{1}{1.000 g / k g} \times 365 \frac{d}{a n o} \times G W P_{C H_{4}} \end{array}$ $\begin{array}{l} E_{e v . c a l d / c o c} = \frac{% b i o g á s_{c a l d / c o c}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times \frac{P C L_{C H_{4} k c a l}}{P C L_{G L P k c a l}} \times F E_{G L P} \times 365 \frac{d}{a n o} \end{array}$ $\begin{array}{l} E_{e v . b a n h o} = \frac{% b i o g á s_{b a n h o}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times \frac{P C L_{C H_{4} k c a l}}{c p_{H_{2} O} \times (T_{b a n h o} - T_{a m b})} \times ρ_{H_{2} O} \times P o t_{C h u v} \times F E_{E n e r g i a} \times \frac{365 \frac{d}{a n o}}{1.000 g / k g} \end{array}$ $\begin{array}{l} E_{e v . C H P} = \frac{% b i o g á s_{C H P}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times P C L_{C H_{4} k W} \times \frac{E f_{e l e C H P}}{100} \times F E_{E n e r g i a} \times \frac{1}{1.000 g / k g} \times 365 \frac{d}{a} \end{array}$ $\begin{array}{l} E_{e v . v e i c .} = \frac{% b i o g á s}{100} \times Q_{C H_{4}} \times \frac{P C L_{C H_{4 k c a l}}}{P C L_{G N V k c a l}} \times F E_{G N V} \times 365 \frac{d}{a n o} \end{array}$	Q_biogás = Produção de biogás (Nm³.d⁻¹) q_biogás = Produção unitária de biogás (NL.m⁻³esg) Q_CH4 = Produção de metano no biogás (Nm³CH₄.d⁻¹) q_CH4 = Produção unitária de metano (NLCH₄.m⁻³esg) %_CH4 = Teor de metano no biogás (% v/v) E_{queima biogás} = Pegada de carbono proveniente da queima do biogás (kgCO₂eq.ano⁻¹) %_{biogásqueima} = Fração do biogás direcionado para o queimador (%) Ef_queim. = Eficiência de destruição do metano pelo queimador (%) E_ev.cald/coc. = Pegada de carbono evitada com o uso do biogás em caldeira ou para cocção (kgCO₂eq.ano⁻¹) %_{biogáscald/coc} = Fração do biogás direcionado para a caldeira ou para cocção (%) PCL_CH4kcal = Poder calorífico líquido do metano em kcal (kcal.m⁻³CH₄) PCL_GLPkcal = Poder calorífico líquido do GLP em kcal (kcal.m⁻³GLP) FE_GLP = Fator de emissão da combustão do GLP (kgCO₂eq.kW⁻¹.h⁻¹) E_ev.banho = Pegada de carbono evitada c/ uso do biogás p/ aquecer água p/ banho (kgCO₂eq.ano⁻¹) %_biogásbanho = Fração do biogás direcionado para aquecimento de água para banho (%) cp_H20 = Calor específico da água (kcal.kg⁻¹.°C⁻¹) T_banho = Temperatura da água de banho (°C) T_amb = Temperatura ambiente da água (°C) ρ_H2O = Massa específica da água (1 kg.L⁻¹) Pot_chuv = Potência consumida do chuveiro elétrico (kW.h.L⁻¹) FE_energia = Fator de emissão do setor de energia (gCO₂eq.kW⁻¹.h⁻¹) E_{ev. CHP} = Pegada de carbono evitada pelo uso do biogás em CHP (kgCO₂eq.ano⁻¹) %_biogásCHP = Fração do biogás direcionado para o CHP (%) PCL_CH4kW = Poder calorífico líquido do metano em kW (kW.h.m⁻³CH₄) Ef_eleCHP = Eficiência de conversão elétrica do CHP (%) E_{ev. veic.} = Pegada de carbono evitada c/ uso do biogás como combustível veicular (kgCO₂eq.ano⁻¹) %_biogásveic = Fração do biogás direcionado para combustível veicular (%) PCL_GNVkcal = Poder calorífico líquido do GNV em kcal (kcal.m⁻³GLP) FE_GNV = Fator de emissão da combustão do GNV (kgCO₂eq. m⁻³GNV)
Emissão proveniente do transporte do lodo
$\begin{array}{l} E_{t r a n s p . l o d o} = [(1 - \frac{% b i o g á s_{s t e r m .}}{100}) \times \frac{S S_{p e r c a p i t a} \times P o p .}{\frac{C_{S S d e s .}}{100}} \times L_{a t e r r o} \times 2 + (\frac{% b i o g á s_{s t e r m .}}{100}) \times \frac{S S_{p e r c a p i t a} \times P o p .}{\frac{C_{S S s t e r m .}}{100}} \times L_{s t e r m} \times 2] \times \frac{1}{10^{6} g / t \times C a p_{t r a n s p}} \times F E_{t r a n s p .} \\ \times 365 \frac{d}{a n o} \end{array}$	E_{transp. lodo} = Pegada de carbono do transporte do lodo (kgCO_2eq.ano⁻¹) %_biogássterm = Fração do biogás direcionado para secagem térmica (%) SS_{per capita} = Geração per capita lodo seco (gSS.hab.⁻¹.d⁻¹) C_{SS des}. = Teor de sólidos após desidratação (%) Cap_transp = Capacidade de carga do caminhão (t) L_aterro = Distância do local de disposição final (km) FE_transp. = Fator de emissão do transporte de lodo (kgCO₂eq.veículo⁻¹.km⁻¹) C_{SS sterm.} = Teor de sólidos após secagem térmica (%) L_sterm = Distância do local de destino do lodo secado termicamente, aterro ou entrega de biossólidos (km)
Pegada de carbono
$E_{E T E} = (E_{C H_{4_{d e c}}} + E_{C H_{4 -} D} + E_{q u e i m a b i o g á s} + E_{t r a n s p . l o d o} + E_{d e m . e l e t}) - (E_{e v . c a l d / c o c .} + E_{e v . b a n h o} + E_{e v . C H P} + E_{e v . v e i c .})$	E_ETE = Pegada de carbono total da ETE (kgCO₂eq.ano⁻¹)
Recuperação energética
$\begin{array}{l} E T_{p e r c a p i t a} = [(\frac{% b i o g á s_{s t e r m .} + % b i o g á s_{v a p}}{100} \times P C L_{C H_{4} k c a l} \times Q_{C H_{4}}) + (\frac{% b i o g á s_{C H P}}{100} \times Q_{b i o g á s} \times G á s_{e x a u s t} \times P C L g á s_{e x a u s t} \times \frac{E f_{t e r m C H P}}{100})] \times \frac{365 \frac{d}{a n o}}{P o p . \times 1.000} \end{array}$ $\begin{array}{l} E T_{v o l u m e} = [(\frac{% b i o g á s_{s t e r m .} + % b i o g á s_{v a p}}{100} \times P C L_{C H_{4} k c a l} \times Q_{C H_{4}}) + (\frac{% b i o g á s_{C H P}}{100} \times Q_{b i o g á s} \times G á s_{e x a u s t} \times P C L g á s_{e x a u s t} \times \frac{E f_{t e r m C H P}}{100})] \times \frac{1.000 L / m^{3}}{Q_{e s g} \times 86.400 s / d} \end{array}$ $\begin{array}{l} E E_{p e r c a p i t a} = \frac{% b i o g á s_{C H P}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times P C L_{C H_{4} k W} \times \frac{E f_{e l e C H P}}{100} \times \frac{365 \frac{d}{a n o}}{P o p .} \end{array}$ $\begin{array}{l} E E_{v o l u m e} = \frac{% b i o g á s_{C H P}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times P C L_{C H_{4} k W} \times \frac{E f_{e l e C H P}}{100} \times \frac{1.000 L / m^{3}}{Q_{e s g} \times 86.400 s / d} \end{array}$	ET_{per capita} = Recuperação de energia térmica per capita (Mcal.hab.⁻¹.ano⁻¹) %_biogássvap = Fração do biogás para produção de vapor (%) Ef_eleCHP = Eficiência de conversão elétrica do CHP (%) Gás_exaust = Geração gás de exaustão no CHP (kg.m⁻³biogás) PCL_gásexaust = Conteúdo de energia térmica no gás de exaustão (kcal.kg⁻¹) Ef_termCHP = Eficiência de conversão térmica do CHP (%) ET_volume = Recuperação de energia térmica por volume tratado de esgoto (Mcal.m.⁻³_esgoto) EE_{per capita} = Recuperação de energia elétrica per capita (kW.h.hab.⁻¹.ano⁻¹) EE_volume = Recuperação de energia elétrica por volume tratado de esgoto (kW.h.m.⁻³esgoto)

Coeficiente	Símbolo	Unidade	Valor	Referência
Contribuição per capita de DQO	DQO_{per capita}	gDQO.hab⁻¹.d⁻¹	108	von Sperling (2014)VON SPERLING, M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. 4. ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2014. v. 1. 472 p. (Princípio do tratamento biológico de águas residuárias).
Produção unitária de biogás	q _biogás	NL.m⁻³esgoto	85,6	Lobato, Chernicharo e Souza (2012)LOBATO, L. C. S.; CHERNICHARO, C. A. L.; SOUZA, C. L. Estimates of methane loss and energy recovery potential in anaerobic reactors treating domestic wastewater. Water Science and Technology, v. 66, n. 12, p. 2745-2753, 2012. https://doi.org/10.2166/wst.2012.514 https://doi.org/10.2166/wst.2012.514...
Produção unitária de metano no biogás	$q_{C H_{4}}$	NL.m⁻³esgoto	64,2	Lobato, Chernicharo e Souza (2012)LOBATO, L. C. S.; CHERNICHARO, C. A. L.; SOUZA, C. L. Estimates of methane loss and energy recovery potential in anaerobic reactors treating domestic wastewater. Water Science and Technology, v. 66, n. 12, p. 2745-2753, 2012. https://doi.org/10.2166/wst.2012.514 https://doi.org/10.2166/wst.2012.514...
Concentração de CH₄ dissolvido no efluente do reator UASB	$C_{C H_{4}_D}$	g.m⁻³	20	Souza, Chernicharo e Melo (2012)SOUZA, C. L.; CHERNICHARO, C. A. L.; MELO, G. C. B. Methane and hydrogen sulfide emissions in UASB reactors treating domestic wastewater. Water, Science and Technology, v. 65, n. 7, p. 1229-1237, 2012. https://doi.org/10.2166/wst.2012.854 https://doi.org/10.2166/wst.2012.854...
Taxa de liberação de CH₄ nos decantadores UASB	$T_{C H_{4_{d e c}}}$	kgCH₄.kgDQO_af⁻¹	0,00375	Souza (2010)SOUZA, C. L. Estudo das rotas de formação, transporte e consumo dos gases metano e sulfeto de hidrogênio resultantes do tratamento de esgoto doméstico em reatores UASB. 2010. 127f. Tese (Doutorado em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos) – Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2010.
Poder calorífico líquido (PCL) metano	$P C L_{C H_{4} k c a l}$	kcal.m⁻³CH₄	8.578	*Moran et al. (2014)*MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.; BOETTNER, D. D.; BAILEY, M. B. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 8. ed. [S.l.]: John Wiley & Sons, 2014.
PCL metano	$P C L_{C H_{4} k W}$	kWh.m⁻³CH₄	9,97	*Moran et al. (2014)*MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.; BOETTNER, D. D.; BAILEY, M. B. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 8. ed. [S.l.]: John Wiley & Sons, 2014.
PCL gás de petróleo liquefeito (GLP)	PCL _GLPkcal	kcal.m⁻³GLP	27.300	*Hilsdorf et al. (2014)*HILSDORF, J. W.; BARROS, N. D.; TASSINARI, C. A.; COSTA, I. Química tecnológica. São Paulo: Cengage Learning, 2014.
PCL gás natural (GN)	PCL _GNVkcal	kcal.m⁻³GN	8.300	*Hilsdorf et al. (2014)*HILSDORF, J. W.; BARROS, N. D.; TASSINARI, C. A.; COSTA, I. Química tecnológica. São Paulo: Cengage Learning, 2014.
Calor específico da água	$c p_{H_{2} O}$	kcal.kg⁻¹.°C⁻¹	1	*Moran et al. (2014)*MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.; BOETTNER, D. D.; BAILEY, M. B. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 8. ed. [S.l.]: John Wiley & Sons, 2014.
Consumo energético médio de um chuveiro elétrico (potência de 7.500W)	POT_Chuv	kW.h.L⁻¹	5,09·10⁻⁴	INMETRO (2016)INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL (INMETRO). Tabela de consumo de energia elétrica: chuveiros elétricos. São Paulo: Inmetro, 2016.
Geração de gases de exaustão em CHP	Gás_exaust	kg.m⁻³biogas	3,2	*Rosa et al. (2018)*ROSA, A. P.; CHERNICHARO, C. A. L.; LOBATO, L. C. S.; SILVA, R. V.; PADILHA, R. F.; BORGES, J. M. Assessing the potential of renewable energy sources (biogas and sludge) in a full-scale UASB-based treatment plant. Renewable Energy, v. 124, p. 21-26, 2018. https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.09.025 https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.09...
Conteúdo de energia térmica dos gases de exaustão	PCLgás_exaust	kcal.kg⁻¹	618,61	*Rosa et al. (2018)*ROSA, A. P.; CHERNICHARO, C. A. L.; LOBATO, L. C. S.; SILVA, R. V.; PADILHA, R. F.; BORGES, J. M. Assessing the potential of renewable energy sources (biogas and sludge) in a full-scale UASB-based treatment plant. Renewable Energy, v. 124, p. 21-26, 2018. https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.09.025 https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.09...
Efic. de conversão elétrica em CHP	Ef_eleCHP	%	30	USEPA (2007)UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (USEPA). Biomass Combined Heat and Power Catalog of Technologies. Washington, D.C.: United States Environmental Protection Agency, 2007.
Efic. de conversão térmica em CHP	Ef_termCHP	%	40	USEPA (2007)UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (USEPA). Biomass Combined Heat and Power Catalog of Technologies. Washington, D.C.: United States Environmental Protection Agency, 2007.
Geração de lodo seco per capita (UASB + lodos ativados)	SS _{per capita}	gSS.hab⁻¹.d⁻¹	26	Andreoli, von Sperling e Fernandes (2001)ANDREOLI, C. V.; VON SPERLING, M.; FERNANDES, F. (org.). Lodo de esgoto: tratamento e disposição final. 2. ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2001. 444 p. (Princípios do tratamento biológico de águas residuárias, v. 6.)
Teor de sólidos (TS) do lodo desidratado — leito de secagem	C_{SS des.}	%	35	Andreoli, von Sperling e Fernandes (2001)ANDREOLI, C. V.; VON SPERLING, M.; FERNANDES, F. (org.). Lodo de esgoto: tratamento e disposição final. 2. ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2001. 444 p. (Princípios do tratamento biológico de águas residuárias, v. 6.)
TS lodo desidratado — secador térmico	C_{SS sterm.}	%	80	Andreoli, von Sperling e Fernandes (2001)ANDREOLI, C. V.; VON SPERLING, M.; FERNANDES, F. (org.). Lodo de esgoto: tratamento e disposição final. 2. ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2001. 444 p. (Princípios do tratamento biológico de águas residuárias, v. 6.)
Efic. abatimento de CH₄ por biofiltros	$E f_{C H_{4_{b i o f}}}$	%	90	Brandt (2016)BRANDT, E. M. F. Biofiltração e biopercolação de metano presente em gases residuais gerados em processos anaeróbios. 2016. 196f. Tese (Doutorado em Saneamento) – Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2016.
Efic. do queimador aberto	Ef_queim.	%	50	Leahey, Preston e Strosher (2001)LEAHEY, D. M.; PRESTON, K.; STROSHER, M. Theoretical and Observational Assessments of Flare Efficiencies. Journal of the Air & Waste Management Association, v. 51, n. 12, p. 1610-1616, 2001. https://doi.org/10.1080/10473289.2001.10464390 https://doi.org/10.1080/10473289.2001.10...
Efic. unid. de dessorção simples	$E f_{C H_{4_{d e s s}}}$	%	70	*Glória et al. (2016)*GLÓRIA, R. M.; MOTTA, T. M.; SILVA, P. V. O.; COSTA, P.; BRANDT, E. M. F.; SOUZA, C. L.; CHERNICHARO, C. A. L. Stripping and dissipation techniques for the removal of dissolved gases from anaerobic effluents. Brazilian Journal of Chemical Engineering, v. 33, n. 4, p. 713-721, 2016. https://doi.org/10.1590/0104-6632.20160334s20150291 https://doi.org/10.1590/0104-6632.201603...
Relação gás-líquido unid. des. simples	Q_g/Q_L	–	2	*Souza et al. (2021)*SOUZA, C. L.; SANTO, B. C. E.; BRANDT, E. M. F.; SANTOS, J. M. B. Valoração e gerenciamento de subprodutos gasosos do tratamento do esgoto. Parte B: Avanços nas técnicas de controle de emissões gasosas em ETEs com reatores anaeróbios – Nota Técnica 2 - Câmaras de dessorção para remoção de sulfeto de hidrogênio e metano dissolvidos em efluentes de reatores anaeróbios. Cadernos Técnicos Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 1, n. 2, p. 23-33, 2021.
Relação gás-líquido unid. dessorção por contactores de membranas	Q_g/Q_L	–	0,03	*Centeno-Mora et al. (2021)*CENTENO-MORA, E. J.; FONSECA, P. R. S.; BRANDT, E. M. F.; CHERNICHARO, C. A. L. Valoração e gerenciamento de subprodutos gasosos do tratamento do esgoto. Parte B: Avanços nas técnicas de controle de emissões gasosas em ETEs com reatores anaeróbios – Nota Técnica 4 - Recuperação de metano dissolvido em efluentes de reatores anaeróbios por meio de contactores de membrana desgaseificadora. Cadernos Técnicos Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 1, n. 2, p. 49-62, 2021.
Efic. unid. dessorção por contactores de membranas — recuperação	$E f_{C H_{4_{d e s s}}}$	%	50	*Centeno-Mora et al. (2021)*CENTENO-MORA, E. J.; FONSECA, P. R. S.; BRANDT, E. M. F.; CHERNICHARO, C. A. L. Valoração e gerenciamento de subprodutos gasosos do tratamento do esgoto. Parte B: Avanços nas técnicas de controle de emissões gasosas em ETEs com reatores anaeróbios – Nota Técnica 4 - Recuperação de metano dissolvido em efluentes de reatores anaeróbios por meio de contactores de membrana desgaseificadora. Cadernos Técnicos Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 1, n. 2, p. 49-62, 2021.
Consumo específico de eletricidade para pós-tratamento aeróbio	Cons _{pós trat}	kWh.hab⁻¹.ano⁻¹	14 a 20	von Sperling (2014)VON SPERLING, M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. 4. ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2014. v. 1. 472 p. (Princípio do tratamento biológico de águas residuárias).
GWP para o metano	$G W P_{C H_{4}}$	kgCO_2eq.kg⁻¹CH₄	28	IPCC (2015)INTERGOVERNMENTAL PANEL ON CLIMATE CHANGE (IPCC). Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Geneva: IPCC, 2015. 151 p.
Fator de emissão^* * os fatores de emissão nas publicações referem-se à emissão direta unitária de GEE. equivalente de CO₂ para queima de GLP	FE_GLP	kgCO₂eq.m⁻³GLP	1507,1	USEPA (2014)UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (USEPA). Emission Factors for Greenhouse Gas Inventories. Washington, D.C.: United States Environmental Protection Agency, 2014.
Fator de emissão^* * os fatores de emissão nas publicações referem-se à emissão direta unitária de GEE. equivalente de CO₂ para queima de gás natural	FE_GNV	kgCO₂eq.m⁻³gás natural	1,96	USEPA (2014)UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (USEPA). Emission Factors for Greenhouse Gas Inventories. Washington, D.C.: United States Environmental Protection Agency, 2014.
Fator de emissão^* * os fatores de emissão nas publicações referem-se à emissão direta unitária de GEE. de CO₂ para produção de energia elétrica no Brasil	FE_Energia	gCO₂eq.kW.h⁻¹	125	Brasil (2020)BRASIL. Estimativas anuais de emissões de gases de efeito estufa no Brasil. 5. ed. Brasília: Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações, 2020. 71 p.
Fator de emissão^* * os fatores de emissão nas publicações referem-se à emissão direta unitária de GEE. equivalente de CO₂ para o transporte de lodo em caminhões	FE_transp.	kgCO₂eq.veículo⁻¹.km⁻¹	0,907	USEPA (2014)UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (USEPA). Emission Factors for Greenhouse Gas Inventories. Washington, D.C.: United States Environmental Protection Agency, 2014.

Manejo fase gasosa/ fase sólida	Cenários propostos — alternativas de manejo
Manejo fase gasosa/ fase sólida	Cenário 1	Cenário 2	Cenário 3
Pós-tratamento	Reatores aeróbios energointensivos (ex. lodos ativados)	Reatores aeróbios energointensivos (ex. lodos ativados)	Reatores aeróbios energointensivos (ex. lodos ativados)
Destinação/ aproveitamento do biogás	Queimador aberto	55% da produção estimada para secagem térmica do lodo e 45% para produção de eletricidade em CHP	100% da produção estimada para produção de eletricidade em CHP e aproveitamento dos gases de exaustão para tratamento térmico de parte do lodo
Emissões provenientes do compartimento de decantação	Sem manejo (emissões fugitivas)	Decantador fechado com exaustão + biofiltro	Decantador fechado com exaustão + biofiltro
Emissões provenientes dos gases dissolvidos no efluente	Sem manejo dos gases dissolvidos (emissões fugitivas)	Câmara de dessorção simplificada + biofiltro (gases residuais)	Contactores de membranas + biogás (recuperação do CH₄-D)
Destinação/ aproveitamento do lodo	Leitos de secagem + aterro sanitário (TS = 35%)	Leitos de secagem + secagem térmica + biossólido (TS = 90%)	Leitos de secagem + secagem térmica + biossólido (TS = 47%).

Cenário	1	2	3
Vazão de esgoto – Q_esgoto (m³.d⁻¹)	13.382,4	13.382,4	13.382,4
Vazão de biogás – Q_biogás (Nm³.d⁻¹)	1.145,5	1.145,5	1.774,6
Vazão de metano – Q_CH4 (Nm³.d⁻¹)	859,2	859,2	1.046,6
Teor de metano no biogás (%V/V)	75	75	59
Parcela do lodo tratada termicamente	0%	100%	100%
Teor de sólidos do lodo para destinação final	35%	90%	47%
Pegada de carbono resultante das emissões fugitivas na combustão do biogás (tCO2eq.ano⁻¹)	3.134	0	0
Pegada de carbono proveniente da energia importada (tCO2eq.ano⁻¹)	170	118,3	30
Pegada de carbono proveniente do transporte do lodo (tCO2eq.ano⁻¹)	9,2	1,6	3,1
Pegada de carbono proveniente do lodo depositado em aterro (tCO2eq.ano⁻¹)	0,8	0	0
Pegada de carbono evitada com o aproveitamento do biogás (tCO2eq.ano⁻¹)	0	-178,1	-268,1
Pegada de carbono proveniente do compartimento de decantação (tCO2eq.ano⁻¹)	331,1	33,1	33,1
Pegada de carbono proveniente da dessorção dos gases dissolvidos no efluente (tCO2eq.ano⁻¹)	2.735,4	1.012,1	1.367,7
Pegada de carbono proveniente das emissões fugitivas do sistema de tratamento dos gases residuais (tCO2eq.ano⁻¹)	0	172,3	0
Pegada de carbono total da ETE (tCO2eq.ano⁻¹)	6.380,4	1.159,4	1.165,8
Pegada de carbono per capita (kgCO2eq.hab⁻¹.ano⁻¹)	79,8	14,5	14,6
Pegada de carbono por volume de esgoto tratado (kgCO2eq. m⁻³esgoto tratado)	1,3	0,2	0,2
Recuperação energética total na forma de calor (Gcal.ano⁻¹)	0	1,5	0,6
Recuperação energética na forma de calor por volume de esgoto tratado (Kcal.m⁻³esgoto tratado)	0	302,9	120,8
Recuperação energética per capita na forma de calor (Mcal.hab⁻¹.ano⁻¹)	0	18,5	7,4
Recuperação energética total na forma de eletricidade (GW.h. ano⁻¹)	0	0,5	1,0
Recuperação energética na forma de eletricidade por volume de esgoto tratado (kW.h.m⁻³esgoto tratado)	0	0,1	0,2
Recuperação energética per capita na forma de eletricidade (kW.h.hab⁻¹.ano⁻¹)	0	5,3	14,3

E_{C H_{4}_{_{d e c}}} = P o p . \times \frac{D Q O_{p e r c a p i t a}}{1.000 g / k g} \times T_{C H_{4}_{_{d e c}}} \times (1 - \frac{E f_{C H_{4}_{_{b i o f}}}}{100}) \times 365 \frac{d}{a n o} \times G W P_{C H_{4}}

\begin{array}{l} C H_{4 -} D_{m o n t} = Q_{e s g} \times \frac{86.400 s / d}{1.000 L / m^{3}} \times \frac{C_{C H_{4 -} D}}{1.000 g / k g} \end{array}

\begin{array}{l} C H_{4 -} D_{j u s} = C H_{4 -} D_{m o n t} \times (1 - \frac{E f_{C H_{4_{d e s s}}}}{100}) \end{array}

\begin{array}{l} E_{C H_{4 -} D} = [C H_{4 -} D_{j u s} + C H_{4 -} D_{m o n t} \times (\frac{E f_{C H_{4}_{_{d e s s}}}}{100}) \times (1 - \frac{E f_{C H_{4}_{_{b i o f}}}}{100})] \times 365 \frac{d}{a n o} \times G W P_{C H_{4}} \end{array}

\begin{array}{l} Q_{C H_{4}_{_{r e c}}} = C H_{4 -} D_{m o n t} \times \frac{E f_{C H_{4}_{_{d e s s}}}}{100} \times \frac{R \times T}{P \times M} \times 1.000 g / k g \end{array}

\begin{array}{l} Q_{b i o g á s} = Q_{e s g} \times \frac{86.400 s / d}{1.000 L / m^{3}} \times \frac{q_{b i o g á s}}{1.000 L / m^{3}} + Q_{s t} + Q_{C H_{4}_{_{r e c}}} \end{array}

\begin{array}{l} Q_{C H_{4}} = Q_{e s g} \times \frac{86.400 s / d}{1.000 L / m^{3}} \times \frac{q_{C H_{4}}}{1.000 L / m^{3}} + Q_{C H_{4}_{_{r e c}}} \end{array}

\begin{array}{l} E_{q u e i m a b i o g á s} = \frac{% b i o g á s_{q u e i m a}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times (1 - \frac{E f_{q u e i m .}}{100}) \times \frac{P \times M}{R \times T} \times \frac{1}{1.000 g / k g} \times 365 \frac{d}{a n o} \times G W P_{C H_{4}} \end{array}

\begin{array}{l} E_{e v . c a l d / c o c} = \frac{% b i o g á s_{c a l d / c o c}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times \frac{P C L_{C H_{4} k c a l}}{P C L_{G L P k c a l}} \times F E_{G L P} \times 365 \frac{d}{a n o} \end{array}

\begin{array}{l} E_{e v . b a n h o} = \frac{% b i o g á s_{b a n h o}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times \frac{P C L_{C H_{4} k c a l}}{c p_{H_{2} O} \times (T_{b a n h o} - T_{a m b})} \times ρ_{H_{2} O} \times P o t_{C h u v} \times F E_{E n e r g i a} \times \frac{365 \frac{d}{a n o}}{1.000 g / k g} \end{array}

\begin{array}{l} E_{e v . C H P} = \frac{% b i o g á s_{C H P}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times P C L_{C H_{4} k W} \times \frac{E f_{e l e C H P}}{100} \times F E_{E n e r g i a} \times \frac{1}{1.000 g / k g} \times 365 \frac{d}{a} \end{array}

\begin{array}{l} E_{e v . v e i c .} = \frac{% b i o g á s}{100} \times Q_{C H_{4}} \times \frac{P C L_{C H_{4 k c a l}}}{P C L_{G N V k c a l}} \times F E_{G N V} \times 365 \frac{d}{a n o} \end{array}

\begin{array}{l} E_{t r a n s p . l o d o} = [(1 - \frac{% b i o g á s_{s t e r m .}}{100}) \times \frac{S S_{p e r c a p i t a} \times P o p .}{\frac{C_{S S d e s .}}{100}} \times L_{a t e r r o} \times 2 + (\frac{% b i o g á s_{s t e r m .}}{100}) \times \frac{S S_{p e r c a p i t a} \times P o p .}{\frac{C_{S S s t e r m .}}{100}} \times L_{s t e r m} \times 2] \times \frac{1}{10^{6} g / t \times C a p_{t r a n s p}} \times F E_{t r a n s p .} \\ \times 365 \frac{d}{a n o} \end{array}

E_{E T E} = (E_{C H_{4_{d e c}}} + E_{C H_{4 -} D} + E_{q u e i m a b i o g á s} + E_{t r a n s p . l o d o} + E_{d e m . e l e t}) - (E_{e v . c a l d / c o c .} + E_{e v . b a n h o} + E_{e v . C H P} + E_{e v . v e i c .})

\begin{array}{l} E T_{p e r c a p i t a} = [(\frac{% b i o g á s_{s t e r m .} + % b i o g á s_{v a p}}{100} \times P C L_{C H_{4} k c a l} \times Q_{C H_{4}}) + (\frac{% b i o g á s_{C H P}}{100} \times Q_{b i o g á s} \times G á s_{e x a u s t} \times P C L g á s_{e x a u s t} \times \frac{E f_{t e r m C H P}}{100})] \times \frac{365 \frac{d}{a n o}}{P o p . \times 1.000} \end{array}

\begin{array}{l} E T_{v o l u m e} = [(\frac{% b i o g á s_{s t e r m .} + % b i o g á s_{v a p}}{100} \times P C L_{C H_{4} k c a l} \times Q_{C H_{4}}) + (\frac{% b i o g á s_{C H P}}{100} \times Q_{b i o g á s} \times G á s_{e x a u s t} \times P C L g á s_{e x a u s t} \times \frac{E f_{t e r m C H P}}{100})] \times \frac{1.000 L / m^{3}}{Q_{e s g} \times 86.400 s / d} \end{array}

\begin{array}{l} E E_{p e r c a p i t a} = \frac{% b i o g á s_{C H P}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times P C L_{C H_{4} k W} \times \frac{E f_{e l e C H P}}{100} \times \frac{365 \frac{d}{a n o}}{P o p .} \end{array}

\begin{array}{l} E E_{v o l u m e} = \frac{% b i o g á s_{C H P}}{100} \times Q_{C H_{4}} \times P C L_{C H_{4} k W} \times \frac{E f_{e l e C H P}}{100} \times \frac{1.000 L / m^{3}}{Q_{e s g} \times 86.400 s / d} \end{array}

[1] * Autor correspondente: fabiobianchetti@cefetmg.br

Brasil

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Computational tool for managing energy recovery and carbon footprint in sewage treatment plants based on anaerobic reactors

ABSTRACT