Avaliação da influência da pluviometria, da temperatura e das características do lodo na estabilidade de reatores anaeróbios e seu potencial de aproveitamento energético
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
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Availability of the influence of rainfall, temperature and sludge characteristics on the stability of anaerobic reactors and their potential for energy use
Primeiro orientador
Membros da banca
Jackson de Oliveira Pereira
Gustavo Rafael Collere Possetti
Bruno Eduardo Lobo Baeta
André Pereira Rosa
Gustavo Rafael Collere Possetti
Bruno Eduardo Lobo Baeta
André Pereira Rosa
Resumo
Reatores anaeróbios são sistemas de tratamento de esgoto doméstico capazes de produzir biogás, um subproduto passível de aproveitamento energético. Um dos obstáculos para a geração de energia através do biogás nas estações de tratamento de esgoto (ETEs) consiste em entender a variação do perfil diário de produção desse subproduto em diferentes condições sazonais e, assim, otimizar as condições de operação do reator. Para isso, o presente trabalho avaliou os resultados de 18 meses de operação de duas ETEs em escala real que empregam reatores anaeróbios em relação à variação da produção de biogás quanto à variação de pluviometria e temperatura e ao hidrograma típico. Dessa análise, verificou-se uma diminuição entre 10 e 20% na produção de biogás após um aumento de cerca de 12 a 14% na vazão de esgoto em função da ocorrência de chuvas acima de 5 mm, com uma diluição e diminuição na concentração da matéria orgânica afluente. Contudo, os resultados mostraram que os reatores foram capazes de recuperar a produção de biogás em 3 dias. Além disso, constatou-se que, na faixa monitorada (18-25 °C), a temperatura não foi parâmetro de influência significativa na produção de biogás. Finalmente, os resultados indicaram que o hidrograma típico das ETEs provocou variações significativas entre os horários de picos. Mais especificamente, o aumento da carga orgânica afluente nesses horários foi correlacionado à dinâmica hidráulica do reator, i.e. uma relação diretamente proporcional à produção de biogás e à velocidade ascensional. Já a concentração do metano no biogás apresentou comportamento oposto à produção de biogás, provavelmente devido a um incremento da perda de metano dissolvido no efluente nos momentos de pico de vazão de esgoto afluente. A segunda parte dessa tese teve como objetivo monitorar as características da manta de lodo em um reator UASB em escala demonstração. Os resultados experimentais mostraram que, no geral, o reator anaeróbio apresentou desempenho estável após o descarte de lodo e em longo período de operação sem novo descarte (~120 dias). Após descartes atendendo a massa mínima de lodo necessária ao reator, verificou-se que o volume e características bioquímicas de lodo presente ao longo da altura não impactaram a qualidade do efluente tratado em termos de arraste de sólidos e a produção do biogás. Adicionalmente, a estabilidade do lodo, verificada a partir de testes bioquímicos de potencial de metano, mostrou uma pequena tendência de redução ao longo do tempo após o descarte de lodo. Porém, mesmo após o longo período de monitoramento, o lodo ainda apresentou alta estabilidade e alta atividade metanogênica. Dessa forma, os resultados dessa tese demonstraram que parâmetros ambientais, operacionais e de caracterização bioquímica do lodo são fundamentais para compreensão do comportamento da produção de biogás, o que permite estimar e otimizar o seu aproveitamento energético.
Abstract
Anaerobic reactors are sewage treatment technologies capable of producing biogas, a by-product that can be recovered for energy generation. A bottleneck for energy production from biogas in sewage treatment plants (STPs) consists of understanding the variation in the profile of this by-product biogas production in different seasonal periods, while optimizing the reactor operational conditions. To this, the present work evaluated the data from 18 months of operation of two full-scale STPs using anaerobic reactors in relation to the variation of pluviometry and temperature and the typical hydrograph. From this analysis, it was shown a decrease between 10 and 20% in the production of biogas after an increase of about 12 to 14% in the sewage flow due to the occurrence of rains above 5 mm, along with a dilution and decrease in the concentration of the affluent organic matter. However, the results showed how the reactors were able to recover the biogas production within 3 days. In addition, it was found that, in the monitored range (18-25 ° C), temperature was not a significant parameter for biogas production. Finally, the results indicated that the typical hydrograph of STPs caused significant variations between the peak hours. Specifically, the increase in the affluent organic load during these periods was correlated to the reactor hydraulic dynamics, i.e. a positive correlation to biogas production and effluent upflow. Methane content in biogas showed an opposite trend than biogas production, probably due to an increase in dissolved methane in the effluent during the peak inlet flow. The second part of this thesis had the objective of monitoring the sludge blanket characteristics in a demonstration scale UASB reactor. The results showed how, generally, the anaerobic reactor showed stable performance after sludge disposal and through a long period of operation without disposal (~ 120 days). After disposals maintain the minimum mass required for the reactor, it was observed that the volume and biochemical characteristics of the sludge along the reactor did not affect the effluent treatment and biogas production. Additionally, sludge stability, estimated from biochemical methane potential tests, showed only a small tendency of decrease over time after sludge disposal. Nonetheless, even after a long monitoring period, the sludge still showed high stability and high methanogenic activity. In this way, the thesis results demonstrated how environmental and operational parameters, together with sludge blanket biochemical characteristics, are essential to understand the variations in biogas production, which allows estimating and optimizing the energy recovery.
Assunto
Engenharia sanitária, Saneamento, Biogás, Reator UASB, Temperatura, Metano, Lodo, Esgotos domésticos
Palavras-chave
Biogás, Reatores UASB, Pluviometria, Temperatura, Metano, Manta de lodo, Esgoto doméstico
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