Avaliacao_do_Potencial_de_Producao_de_Energia_a_partir_do_Biogas_Gerado_no_Tratamento_de_Esgotos_Domesticos

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Políticas Energéticas para a Sustentabilidade 
25 a 27 de agosto de 2014 
Florianópolis – SC 
 
Avaliação do Potencial de Produção de Energia a partir do Biogás 
Gerado no Tratamento de Esgotos Domésticos 
 
Thaisa Carolina Ferreira Silva1 
Gustavo Rafael Collere Possetti2 
Suani Teixeira Coelho3 
 
RESUMO 
O Plano Nacional de Energia – PNE 2030 estimula a inserção de novas fontes 
renováveis de energia na matriz energética brasileira. O biogás oriundo do processo 
de tratamento de esgotos domésticos é uma fonte alternativa para a produção de 
energia limpa e sustentável, porém no Brasil ele ainda é pouco explorado. Este 
trabalho apresenta a avaliação de diferentes métodos de determinação das taxas de 
produção de biogás em reatores anaeróbios com o intuito de identificar a ferramenta 
mais apropriada para o planejamento de ações voltadas à geração de energia 
renovável em estações de tratamento de esgotos. Tal avaliação foi realizada a partir 
dos dados disponíveis para uma planta de grande porte localizada em Curitiba-PR. 
De modo geral, as quantidades médias de energia estimadas foram maiores que 
aquelas registradas a partir de medições. Além disso, verificou-se que as incertezas 
inerentes às estimativas não podem ser negligenciadas, visto que elas 
 
 
1 Instituto de Energia e Meio Ambiente da Universidade de São Paulo – IEE/USP/ Companhia de 
Saneamento do Paraná – Sanepar, thaisacferreira@gmail.com, (41) 3330-3510. 
2 Companhia de Saneamento do Paraná – Sanepar / Instituto Superior de Administração e Economia 
do Mercosul – ISAE-FGV, gustavorcp@sanepar.com.br, (41) 3330-7259 
3 Centro Nacional de Referência em Biomassa (CENBIO), suani27@hotmail.com, (11) 3091-2653. 
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representaram pelos menos 27% dos valores médios. Dessa forma, os resultados 
obtidos indicam que as tomadas de decisão inerentes ao tema devem ser baseadas 
em resultados de medições e que, se porventura tal prática não for exequível, então 
que seja utilizado o método que se pauta no balanço de massa da demanda química 
de oxigênio e que considera as perdas de metano intrínsecas ao processo anaeróbio 
de tratamento de esgoto. 
Palavras-chave: Biogás, Energia Renovável, Tratamento Anaeróbio de Esgoto. 
ABSTRACT 
The National Energy Plan - PNE 2030 encourages the inclusion of new renewable 
energy sources in the Brazilian energy matrix. Biogas derived from the wastewater 
treatment process is an alternative source for the production of clean and sustainable 
energy, but in Brazil it is not common yet. This paper shows an evaluation of different 
methods to determine the rates of biogas production in anaerobic reactors in order to 
identify the most appropriate tool for planning actions associated with the generation 
of renewable energy in sewage treatment plants. This evaluation was performed from 
the data available for a large plant located in Curitiba - PR. The average quantities of 
energy estimated were higher than those obtained from measurements. Furthermore, 
it was found that the uncertainties inherent to the estimates cannot be neglected 
because they were at least 27% of the average values. Thus, the results indicate that 
the decision-making associated with the biogas should be based on measurement 
results. However, if this practice is not feasible, then it is recommended the use of the 
method based on the mass balance of the chemical demand oxygen, including the 
methane losses intrinsic to the anaerobic wastewater treatment. 
Keywords: Biogas, Renewable Energy, Anaerobic Wastewater Treatment. 
1. INTRODUÇÃO 
O Plano Nacional de Energia - PNE 2030 indica que a opção estratégica de investir 
em eficiência energética é importante para o planejamento de longo prazo do setor 
energético brasileiro. Nesse sentido, o estudo estimula a inserção de novas fontes 
renováveis de energia na matriz energética do país (MME, 2007). De forma mais 
específica, tem-se incentivado investimentos no setor de saneamento, um segmento 
dotado de grande potencial para produção de energia limpa e sustentável, o qual 
ainda é pouco explorado. 
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O aproveitamento energético do biogás oriundo do processo de tratamento de 
esgotos domésticos é uma das formas de atender a tais expectativas. Por isso, nos 
últimos anos, alguns trabalhos têm sido conduzidos com o objetivo de investigar o 
potencial de produção de energia a partir do biogás gerado em reatores anaeróbios 
de fluxo ascendente e manto de lodo (UASB, upflow anaerobic sludge blanket), uma 
tecnologia amplamente difundida no Brasil. 
O potencial energético do biogás está associado com a energia química nele 
acumulada. Isso porque o biogás é majoritariamente composto por metano, uma 
substância com poder calorífico inferior da ordem de 50 MJ/kg (CONSTANT et al., 
1989). Cabe destacar, no entanto, que o potencial de aquecimento global do metano 
é 25 vezes maior que aquele atribuído ao dióxido de carbono (IPCC, 2013). Dessa 
maneira, a recuperação energética do biogás influencia diretamente na redução das 
emissões de gases de efeito estufa e, portanto, na minimização de impactos 
ambientais. 
O Painel Intergovernamental para Mudança Climática – IPCC disponibiliza diretrizes 
para estimar as emissões de metano associadas com o tratamento de esgotos 
domésticos (IPCC, 2006), as quais normalmente são empregadas na estruturação 
de inventários de emissões de gases do efeito estufa. 
As taxas de recuperação de metano em reatores anaeróbios também podem ser 
calculadas por meio do método proposto pela Convenção-Quadro das Nações 
Unidas sobre a Mudança do Clima – UNFCCC (2013), o qual é tipicamente 
empregado em estudos sobre mecanismos de desenvolvimento limpo. 
Por sua vez, Chernicharo (1997) reporta que as taxas de produção de metano em 
reatores UASB podem ser obtidas a partir do balanço de massa da demanda 
química de oxigênio (DQO), incluindo a produção de sólidos no sistema e a 
conversão dos sólidos voláteis totais em DQO. 
Esse método foi aprimorado por Lobato (2011) que considerou as rotas de 
conversão de DQO e as perdas de metano intrínsecas ao reator UASB. Nesse 
sentido, as quantidades de metano dissolvidas no meio líquido, perdidas na forma 
de gases residuais e utilizadas para a redução de sulfato foram incluídas na 
modelagem matemática. 
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Recentemente, Possetti et al. (2013) mensuraram as taxas de produção de metano 
em uma estação de tratamento de esgotos domésticos (ETE) contendo reatores 
UASB de grande porte. As medições, realizadas em tempo real, permitiram 
identificar que a produção de biogás segue um comportamento temporal variável, 
periódico e não-estacionário, o qual é criticamente dependente das propriedades 
físicas e químicas do esgoto e de eventos de chuva. 
O governo brasileiro, por intermédio da Secretaria Nacional de Saneamento 
Ambiental do Ministério das Cidades, e o governo alemão, por meio da Deutsche 
Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH, estão conduzindo o 
Projeto Brasil-Alemanha de Fomento ao Aproveitamento Energético do Biogás no 
Brasil (PROBIOGÁS). No âmbito desse projeto será concebida uma base de dados 
experimental sobre a produção e as características do biogás oriundo de reatores 
UASB. No entanto, as campanhas de medição serão iniciadas apenas no segundo 
semestre de 2014. 
Logo, como os estudos de caracterização quali-quantitativa do biogás produzido em 
reatores UASB são incipientes, ainda existem dúvidas sobre quais são os métodos 
mais acurados e precisos para determinar a quantidade de energia química e/ou de 
metano disponível em ETEs. 
Nesse contexto, este trabalho se propõe a avaliar diferentes métodos de 
determinação da produção de biogás em reatores UASB com o intuito de identificar 
a ferramenta mais apropriada para o planejamento de ações voltadas à geração de 
energia renovável em ETEs.2. METODOLOGIA 
O estudo em questão foi desenvolvido com base em informações disponíveis, no 
período entre outubro de 2011 e agosto de 2012, sobre a ETE Atuba Sul, uma planta 
de grande porte localizada na cidade de Curitiba-PR. Essa ETE é capaz de tratar, 
atualmente, até 1.120 L/s de esgotos domésticos em 16 reatores UASB idênticos. 
Esses reatores estão igualmente distribuídos em 4 linhas, sendo que em cada linha 
há um conjunto de tubos coletores e condutores de biogás, além de um queimador 
aberto com ignição elétrica automática. Para estimar o potencial de produção de 
energia a partir do biogás gerado na ETE foram utilizados diferentes métodos, 
conforme ilustrado na Figura 1. 
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Na implementação do método proposto pelo IPCC (2006) adotaram-se os seguintes 
parâmetros: número de habitantes que encaminham esgoto para a ETE (Pop), taxa 
de contribuição per capta de DQO (QPCDQO), capacidade máxima de produção de 
metano (B0 = 0,25 kgCH4/kgDQOremov), fator de correção do metano (MCF = 0,8) e 
fator de emissão de metano (EF = 0,2 kgCH4/kgDQOremov). O componente orgânico 
removido como lodo (S) também foi considerado nos cálculos, sendo estimado a 
partir da multiplicação entre o coeficiente de produção de sólidos no sistema (Y = 
0,18 kgSTV/kgDQOremov), o fator de conversão de sólidos totais voláteis em DQO 
(KSTV-DQO = 1,42 kg DQOlodo/kgSTV) e a eficiência de remoção de DQO (remDQO) 
promovida pelos reatores UASB. Além disso, assumiu-se que não há recuperação 
de metano (R = 0) e que a população responsável pela produção do esgoto 
doméstico (I = 1) ocupa um espaço urbanizado, sendo exclusivamente atendida pela 
ETE (U = 1 e T = 1). 
 
Figura 1: Métodos de determinação do potencial de produção de energia química associado 
com o biogás oriundo de reatores UASB alimentados com esgoto doméstico. 
Por sua vez, no desenvolvimento do método sugerido pelo UNFCCC (2013) 
consideraram-se os seguintes parâmetros: a vazão de esgoto tratado pelos reatores 
UASB (Qesgoto), a DQO do esgoto afluente aos reatores (DQOafluente), a eficiência de 
remoção de DQO do esgoto obtida com o tratamento nos reatores (remDQO), o fator 
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de correção do metano (MCF = 0,8), a capacidade máxima de produção de metano 
(B0 = 0,25 kgCH4/kgDQO) e o fator de correção de incertezas (UF = 0,89). 
Para estimar o potencial de produção de energia a partir do biogás de acordo com o 
método reportado por Chernicharo (1997), empregaram-se: a vazão média do 
esgoto tratado nos reatores UASB (Qesgoto), a DQO do esgoto afluente aos reatores 
(DQOafluente), a DQO filtrada do esgoto após o tratamento nos reatores (DQOefluente), 
o coeficiente de produção de sólidos no sistema (Y = 0,18 kgSTV/kgDQOremov) e o 
fator de conversão de sólidos totais voláteis em DQO 
(KSTVDQO = 1,42 kgDQOlodo/kgSTV). 
Por fim, para implementar o modelo proposto por Lobato (2011), utilizaram-se: a 
população responsável pelo esgoto que chega até a ETE (Pop), a taxa de 
contribuição per capta de DQO (QPCDQO), a taxa de contribuição per capta de 
esgoto (QPC), a eficiência de remoção de DQO do esgoto obtida com o tratamento 
nos reatores (remDQO), a concentração de sulfato (SO4) no esgoto que entra nos 
reatores (CSO4), a eficiência de remoção de SO4 atribuída aos reatores (SO4), a 
temperatura operacional dos reatores (Temp), a concentração volumétrica de metano 
(CH4) no biogás (CCH4), o coeficiente de produção de sólidos no sistema 
(Y = 0,15 kgSTV/kgDQOremov), o fator de conversão de sólidos totais voláteis em 
DQO (KSTV-DQO = 1,42 kg DQOlodo/kgSTV), o fator de DQO consumida na redução do 
sulfato (KDQO-SO4 = 0,667 kgDQO/kgSO4convertido), o percentual de perdas de metano 
na fase gasosa com o gás residual (pw = 7,5%), o percentual de outras perdas de 
metano na fase gasosa (pO = 7,5%) e o coeficiente de perda referente ao metano 
dissolvido no meio líquido (pL = 25 mg/L). 
Os métodos supracitados foram adaptados de forma a propiciar a utilização da maior 
quantidade de informações operacionais relacionadas com a ETE sob análise, bem 
como para fornecer os resultados em unidade de energia química disponível ao 
longo de um ano (MWh/ano). Por isso, nos métodos propostos pelo IPCC (2006) e 
por Lobato (2011), calcularam-se Pop, QPC e/ou QPCDQO a partir do histórico de 
dados de vazão média de esgoto tratado nos reatores UASB (Qesgoto) e de DQO do 
esgoto afluente aos reatores (DQOafluente). Os desvios padrão das estimativas foram 
calculados e considerados como incertezas. 
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Os resultados das estimativas foram comparados com aqueles encontrados a partir 
de medições realizadas nos reatores da ETE em tempo real e em condições de 
guiamento passivo, sobretudo da vazão de biogás (Qbiogás) e da concentração 
volumétrica de metano presente no biogás (CCH4) (Possetti et al., 2013). Como tais 
medições foram realizadas no final de uma linha condutora de biogás que totalizava 
apenas a contribuição de 4 reatores UASB e como a ETE possui 16 reatores UASB 
com topologia e alimentação de esgoto semelhantes, a taxa média de produção de 
metano reportada foi multiplicada por 4, sendo posteriormente transformada em 
unidade de energia química disponível ao longo de um ano. 
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
Durante o período de avaliação, a vazão média do esgoto doméstico que entrou nos 
reatores UASB da ETE Atuba Sul (Qesgoto) foi de (991,73  86,79) L/s, sendo que a 
DQO média desse esgoto (DQOafluente) foi de (432,60  124,44) mg/L. Dessa 
maneira, considerando a contribuição per capita de DQO (QPCDQO) igual a 
90 gDQO/hab.dia (VON SPERLING e CHERNICHARO, 2005), tem-se que a 
população média equivalente (Pop) foi de (411.862  10.368) habitantes. A DQO 
média filtrada do esgoto após os reatores UASB (DQOefluente) foi de 
(114,31  28,08) mg/L. Dessa forma, a eficiência média de remoção de DQO do 
esgoto nos reatores UASB (remDQO) foi de (72  8) %. 
As seguintes produções médias anuais de energia química disponível a partir da 
recuperação do biogás na ETE Atuba Sul foram estimadas: 10,13 MWh/ano, 
segundo a abordagem proposta por Lobato (2011); 24,35 MWh/ano, conforme 
método indicado pela UNFCCC (2013); 27,43 MWh/ano, se considerado o balanço 
de massa sugerido por Chernicharro (1997); e, 34,8 MWh/ano, mediante aplicação 
do método do IPCC (2006). A produção média anual de energia verificada por meio 
de medições foi de 4,5 MWh/ano. Esses resultados e suas respectivas incertezas, 
representadas na forma de barra de erros, estão sumarizados na Figura 2. 
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Figura 2 – Quantidade de energia química disponível por ano (MWh/ano) inerente ao biogás 
produzido nos reatores UASB da ETE Atuba Sul, de acordo com resultados de medições e 
de estimativas por diferentes métodos disponíveis na literatura. 
A produção média anual de energia estimada a partir do método proposto pelo IPCC 
(2006) foi aproximadamente 7 vezes maior que aquela obtida a partir de medições, 
mesmo com a adequação paramétrica do modelo. Essa diferença foi ainda mais 
significativa quando o histórico de dados de vazão e de DQO de esgoto não foi 
utilizado. A produção média anual de energia estimada sem as adequações do 
modelo, ou seja, considerando Pop = 411.862 habitantes, 
QPCDBO = 50 gDBO/hab.dia, B0 = 0,6 kgCH4/kgDBOremov, MCF = 0,8 e 
EF = 0,48 kgCH4/kgDBOremov, foi de 50,18 MWh/ano. Este valor é, pelo menos, 
11 vezes maior que aquele encontrado por meio de medições. 
 Por sua vez, a produção média anual de energia calculada por meio dos métodos 
sugeridos pela UNFCCC (2013) e por Chernicharo (1997) foram, respectivamente, 
5,5 e 6 vezes maiores que aquela mensurada, apesar desses modelos considerarem 
a vazão de esgoto, a eficiência de remoção de DQO do esgoto nos reatores UASB e 
a conversão parcial da DQO em lodo, no caso do modelo de Chernicharo (1997) ou 
o fator de incerteza, no caso do método do UNFCCC (2013). 
Portanto, os métodos reportados pelo IPCC (2006),pelo UNFCCC (2013) e por 
Chernicharo (1997) superestimaram o valor médio anual de produção de energia a 
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partir do biogás na ETE Atuba Sul. Isso aconteceu porque esses métodos não 
consideram importantes rotas de conversão de DQO inerentes aos reatores UASB, 
assim como não pressupõem perdas de metano. 
Essas premissas, no entanto, são incorporadas no método proposto por Lobato 
(2011) e, consequentemente, a diferença entre a quantidade anual média de energia 
estimada com tal método e o valor médio obtido por meio das medições foi 
minimizada. Nesse sentido, calculou-se que, em média, apenas aproximadamente 
47% da DQO presente no esgoto foi convertida em metano, sendo que somente 
cerca de 42% do metano produzido nos reatores UASB foi disponibilizado para 
aproveitamento energético. Mesmo assim, a produção anual de energia estimada foi, 
em média, 2,3 vezes maior que aquela determinada a partir de medições. 
É importante ressaltar que as incertezas inerentes às estimativas não podem ser 
negligenciadas, uma vez que elas variaram de  7,34 até  9,33 MWh/ano. Dessa 
maneira, o coeficiente de variação, dado pela razão entre o desvio padrão e o valor 
médio, foi de pelo menos 27% para os modelos implementados. Assim, 
considerando-se as incertezas inerentes às estimativas, pode-se afirmar que a faixa 
de produção de energia determinada por meio de medições está contida no intervalo 
estimado por meio do método proposto por Lobato (2011). Logo, este método foi o 
que melhor representou as quantidades de biogás e de energia que podem ser 
recuperadas dos reatores UASB da ETE Atuba Sul. 
As incertezas em pauta estão diretamente relacionadas com as eventuais mudanças 
nas condições operacionais da ETE e com a variação das propriedades físicas e 
químicas do esgoto que entra nos reatores UASB ao longo do ano, as quais 
possuem natureza aleatória e são criticamente dependentes de eventos de chuvas 
(Possetti et al., 2012). 
A Figura 3 apresenta as taxas diárias de produção de metano ao longo do tempo, as 
quais foram calculadas com o método proposto por Lobato (2011). De acordo com 
as estimativas, a taxa diária de produção de metano foi, em média, 7,95 tonCH4/dia. 
No entanto, essas taxas variaram de 0,01 até 22,96 tonCH4/dia, indicando que há 
dias em que a quantidade de energia disponível para uso é 2,88 vezes maior que o 
valor médio estimado e que há dias nos quais a energia química disponível para 
recuperação é quase nula. 
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Figura 3 – Taxas diárias de produção de metano (tonCH4/dia) ao longo do tempo em 
reatores UASB da ETE Atuba Sul. As taxas foram estimadas de acordo com o método 
proposto por Lobato (2011). As linhas pontilhadas que ligam os símbolos abertos são 
apenas guias visuais. 
4. CONCLUSÕES 
Este trabalho demonstrou que a quantidade de energia estimada pelos métodos 
existentes associada com a recuperação do biogás gerado na ETE Atuba Sul é, em 
média, maior que aquela realmente disponível para uso. Além disso, dependendo do 
método utilizado tal quantidade pode ser até 11 vezes maior aquela verificada a 
partir de medições de campo. 
Isso acontece porque os métodos propostos pelo IPCC (2006), pelo UNFCCC (2013) 
e por Chernicharo (1997), não consideram as perdas de metano, assim como 
algumas importantes rotas de conversão de DQO durante o tratamento anaeróbio do 
esgoto. 
Como o modelo proposto por Lobato (2011) contempla as quantidades de metano 
dissolvidas no meio líquido, assim como as perdas na forma de gases residuais e as 
perdas relacionadas com a redução de sulfato, ele expressa de forma mais 
verossímil os fenômenos físicos, químicos e biológicos inerentes aos reatores UASB, 
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fazendo com que os resultados obtidos a partir de sua aplicação apresentem menor 
desvio em relação aos valores mensurados. 
Além disso, verificou-se que as incertezas inerentes às estimativas não podem ser 
negligenciadas, visto que elas representaram pelos menos 27% dos valores médios. 
Dessa forma, as mudanças das condições operacionais da ETE e as variações das 
propriedades físicas e químicas do esgoto que entra nos reatores UASB fazem com 
que as taxas de produção de metano e de recuperação de energia oscilem 
expressivamente, em relação aos valores médios, ao longo de um ano. 
Logo, os resultados apresentados neste artigo indicam que a escolha do método de 
estimativa da quantidade de energia química disponibilizada por reatores UASB na 
forma de biogás pode influenciar significativamente no dimensionamento e na 
viabilidade financeira e econômica de projetos que vislumbrem a geração de energia 
renovável em ETEs. Por isso, recomenda-se que as tomadas de decisão inerentes 
ao tema sejam baseadas em resultados de medições e que, se porventura tal prática 
não for exequível, então que o método proposto por Lobato (2011) seja utilizado. 
Além disso, sugere-se que a análise de incertezas também seja realizada com o 
intuito de quantificar as limitações e os riscos inerentes aos projetos. 
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