Upload
matheus-augusto
View
15
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
ANÁLISE DA EMISSÃO E DA DISPERSÃO DE SULFETO DE HIDROGÊNIOAPLICADA AO TRATAMENTO ANAERÓBIO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS
Citation preview
ANÁLISE DA EMISSÃO E DA DISPERSÃO DE SULFETO DE HIDROGÊNIO
APLICADA AO TRATAMENTO ANAERÓBIO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS
Matheus Ribeiro Augusto, Herlane Costa Calheiros e Vanessa Silveira Barreto Carvalho
RESUMO
Visando verificar a aplicação de modelos matemáticos para analisar o impacto ambiental
relacionado à emissão de gases odorantes em tratamento de águas residuárias, foi simulada a
emissão e dispersão do Sulfeto de Hidrogênio (H2S) para um reator UASB no município de
Itajubá/MG através dos modelos WATER9 e AERMOD, respectivamente. Foi obtida através
da modelagem de emissão uma taxa média de 0,000194 g s-1
. A partir do modelo AERMOD,
verificou-se que o poluente se distribuiu, em baixas concentrações, muito próximo a estação
de tratamento de esgoto (ETE), impactando somente os domicílios vizinhos à unidade. No
entanto, esse cenário não representa a realidade local, visto que foi considerado apenas um dia
do ano de 2013. Mas foi possível notar, visualmente, a relação da dispersão do poluente com
o relevo e a direção do vento. O presente trabalho apresentou uma análise prévia da
possibilidade de integração de dois modelos disponíveis gratuitamente pela USEPA aplicados
a estudos de emissão e dispersão de gases odorantes. Ambos se mostraram úteis para auxiliar
na determinação do local mais adequado para instalação de uma ETE.
Palavras-Chave: AERMOD; WATER9; UASB.
ANALYSIS OF THE HYDROGEN SULFIDE EMISSION AND DISPERSION APPLIED
TO ANAEROBIC WASTEWATER TREATMENT
ABSTRACT
In order to verify the application of mathematical models to analyze the environmental impact
of odorous gases emission in wastewater treatment, the emission and dispersion of hydrogen
sulfide (H2S) were simulated for a UASB reactor in the city of Itajubá/MG through WATER9
and AERMOD models, respectively. An average emission rate of 0,000194 g s-1
was obtained
by modeling. From the AERMOD model, it was found that the pollutant was distributed, in
low concentrations, quite close to wastewater treatment plants (WWTP), impacting only the
households near the anaerobic unit. However, this scenario does not represent the local reality
since only one day of the year 2013 was considered. But, from these studies, it was possible to
verify visually the relation between the pollutant dispersion with terrain and the wind
direction. This paper presented a preliminary analysis about the possibility of integration of
two models offered by the USEPA applied to emission and dispersion studies of odorous
gases. Both have proven to be useful to assist in determining the most appropriate place to
install a WWTP.
Keywords: AERMOD; WATER9; UASB.
1. INTRODUÇÃO
O tratamento de águas residuárias, através de reatores anaeróbios do tipo UASB (Upflow
Anaerobic Sludge Blanket), é amplamente aplicado no Brasil, devido às condições climáticas
favoráveis e às vantagens econômicas em relação aos sistemas aeróbios, baseados na presença
de oxigênio molecular (O2) (CHERNICHARO, 1997).
No entanto, a degradação anaeróbia (ausência de oxigênio) da matéria orgânica, pode
emitir grande quantidade de sulfeto de hidrogênio (H2S), gás altamente tóxico e com odor
agressivo. Isso ocorre porque bactérias redutoras de sulfato (BRS), também responsáveis pela
estabilização dos compostos orgânicos, utilizam o sulfato (SO42-
), presente na água residuária,
como receptor final de elétrons na respiração anaeróbia, produzindo H2S. Esse processo é
conhecido por sulfetogênese e é representado pelas equações 1 e 2 (GOSTELOW;
PARSONS; STUETZ, 2001):
SO42-
+ CXHY (Matéria Orgânica) → S2-
+H2O + CO2 (1)
S2-
+ 2H+ → H2S (2)
Dessa maneira, a presença de estações de tratamento de esgoto (ETE) próximas a
domicílios pode causar grande incômodo aos moradores e até mesmo danos à saúde dos
mesmos, devido ao forte odor e toxicidade do H2S. Para mitigar esse impacto ambiental,
muitas vezes é realizado o controle da emissão do gás, através de métodos físico-químicos
(filtro de carvão ativado, lavador de gás, incineração, entre outros) e/ou biológicos
(biofiltros). No entanto, para determinadas situações, essas soluções tornam-se
economicamente inviáveis e não são praticadas (BELLI FILHO et al., 2001).
É possível controlar esse aspecto ambiental, de forma mais viável, ainda na fase de
concepção da unidade de tratamento, através da escolha de locais mais isolados, onde não
existam moradias. Modelos matemáticos de emissão e dispersão de poluentes atmosféricos
podem ser aplicados aos gases odorantes de ETE, para auxiliar no planejamento e escolha do
local adequado da unidade. O modelo mais utilizado para prever a emissão do H2S e outros
gases em sistemas de esgotamento sanitário é o WATER9, disponível gratuitamente pela
United States Environmental Protection Agency – USEPA. Já para estimar a concentração do
poluente em diferentes pontos ao redor da ETE, através de uma pluma de dispersão, tem sido
utilizado o AERMOD, desenvolvido pela AERMIC (AMS/EPA Regulatory Model
Improvement Comitee), também disponibilizado gratuitamente pela USEPA. A integração das
duas ferramentas pode fornecer ao menos uma previsão do impacto da ETE associado à
emissão do gás odorante.
Dessa forma, o objetivo do presente trabalho é verificar a aplicação de modelos
matemáticos para prever o impacto ambiental relacionado à emissão de gases odorantes
provenientes de ETE.
2. MATERIAL E MÉTODOS
Foram aplicados os modelos de emissão e dispersão de poluentes atmosféricos,
disponibilizados pela USEPA - WATER9 e AERMOD - para verificar o impacto de gases
odorantes provenientes de um reator UASB, de pequeno porte (capacidade de 24 m³ diários),
sobre um bairro pertencente à zona rural do município de Itajubá/MG.
Simulou-se a emissão e dispersão do H2S para o dia 21 de maio de 2013. Essa data foi
um dos dias de trabalho de campo de Meira (2014) em sua pesquisa de controle de odores na
mesma ETE. Foram obtidos diversos dados necessários ao modelo WATER9, como será
abordado no próximo item.
2.1.Modelagem de emissão – WATER9
O modelo WATER9 prevê a remoção do H2S da fase líquida, através dos mecanismos de
volatilização, absorção, adsorção, biodegradação, oxidação química e stripping (remoção por
bolhas de ar). Desses mecanismos, apenas a volatilização se aplica a modelagem de emissão
de gases em reatores anaeróbios. Esse fenômeno ocorre nas superfícies quiescentes (não
agitadas) dos decantadores, na zona do superior do UASB, normalmente em contato com
direto com a atmosfera (USEPA, 1994; SANTOS et al., 2006).
A taxa de emissão do H2S (g s-1
) é estimada pelo modelo, baseando-se principalmente no
coeficiente global de transferência de massa do composto (K), representado pela equação 3
(USEPA, 1994):
(3)
onde HC é a constante adimensional da lei de Henry, kL é o coeficiente de transferência de
massa do composto na fase líquida (m s-1
) e kG na fase gasosa (m s-1
).
O modelo WATER9 estima os coeficientes de transferência de massa do composto na
fase líquida e gasosa (kL e kG, respectivamente), a partir das seguintes informações:
concentração de H2S na fase líquida, temperatura do efluente, potencial hidrogeniônico,
velocidade do vento, vazão do efluente e dimensões da unidade (diâmetro e profundidade).
A tabela 1 apresenta os dados utilizados como entrada do modelo.
Tabela 1 – Informações de entrada do modelo WATER9
Input - WATER9
Concentração de H2S (mg L-1
) 2,02
Temperatura do efluente (°C) 23,60
Potencial hidrogeniônico (pH) 6,60
Velocidade do vento (m s-1
) 1,00
Vazão do efluente (L s-1
) 0,28
Diâmetro do reator (m) 2,10
Profundidade do decantador (m) 2,35
Os dados de concentração do composto, temperatura do efluente e pH foram obtidos em
campo no dia 21 de maio de 2013, através do trabalho realizado por Meira (2014). O dado
meteorológico de velocidade do vento é referente à média diária e foi obtida a partir do banco
de dados do Centro de Estudos e Previsão de Tempo e Clima de Minas Gerais – CEPreMG da
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI, cuja estação meteorológica está situada a
aproximadamente 15 Km de distância da ETE em estudo. Para vazão adotou-se o valor de
projeto e as dimensões da unidade foram inferidas em campo.
A partir desses dados de entrada o modelo WATER9 estimou a taxa de emissão, dada em
g s-1
.
2.2.Modelagem de dispersão – AERMOD
O modelo gaussiano AERMOD, aplicado para estimar a dispersão de poluentes
atmosféricos, é constituído de um módulo principal e dois pré-processadores: AERMET e
AERMAP.
2.2.1. AERMET
O módulo AERMET é responsável pelo processamento dos dados meteorológicos e
características de superfície para estimar os parâmetros da camada limite planetária (CLP):
velocidade de fricção, comprimento de Monin-Obukhov (medida de estabilidade da CLP),
escala de velocidade convectiva, altura da camada de mistura (convectiva e mecânica) e fluxo
sensível de calor na superfície (USEPA, 2004a, 2004b).
Sendo assim, são entradas do pré-processador AERMET: dados meteorológicos horários
de superfície (Temperatura, velocidade e direção do vento, nebulosidade e altura de base das
nuvens) e características de superfície (albedo, rugosidade e razão de Bowen).
Os dados meteorológicos foram obtidos a partir do CEPreMG, com exceção da
nebulosidade e altura de base das nuvens, ambos referentes ao Aeroporto de São José dos
Campos, o mais próximo do local de estudo. Essas informações foram organizadas em um
arquivo do tipo SAMSOM, para ser reconhecido pelo software. Na ausência de dados de
altitude do local (provenientes de sondagens atmosféricas), a altura da camada de mistura foi
estimada pelo software a partir dos dados meteorológicos de superfície. Com os dados
referentes à velocidade e direção do vento, plotou-se uma rosa dos ventos indicando as
direções e suas respectivas frequências durante o período de estudo, através do software livre
WRPLOT View.
As características de superfície variam conforme o uso do solo, segundo USEPA (2004b).
Considerando a predominância de pastagem no local de estudo, as características de
superfície, utilizadas como entrada do modelo estão apresentadas na tabela 2.
Tabela 2 – Características de superfície em função do uso do solo (pastagem)
Uso do Solo Características de Superfície
Albedo Razão de Bowen Rugosidade (m)
Pastagem 0,18 0,80 0,10
Fonte: Adaptado de USEPA (2004)
2.2.2. AERMAP
O pré-processador AERMAP é utilizado na obtenção dos dados referentes à topografia do
local de estudo (USEPA, 2004a). Para isso são necessários os seguintes dados: Modelo digital
de elevação (MDE) e localização da fonte e os receptores (grid).
O MDE foi obtido da United States Geological Survey – USGS, para o município de
Itajubá - MG, através da página: <http://earthexplorer.usgs.gov/>. Entre os diversos tipos de
MDE, optou-se pelo ASTGTM GDEM, com resolução espacial de 30 metros, desenvolvido
pela U.S. National Aeronautics and Space Administration (NASA) e Ministério da Economia,
Comércio e Indústria do Japão (Japan’s Ministry of Economy, Trade and Industry – METI).
Utilizou-se um grid cartesiano com 10.000 receptores espaçados 30 metros no eixo das
abscissas e ordenadas. Posicionou-se a fonte (ETE) próxima a região central do grid.
Com a finalidade de compreender a topografia da área, foi confeccionado para o local de
estudo um mapa com as curvas de nível (topográfico), através do software livre de
geoprocessamento QGIS, versão 2.8.1, a partir do arquivo MDE.
2.2.3. AERMOD
Com o produto dos pré-processadores AERMET e AERMAP, assim como parâmetros da
fonte, realizou-se a modelagem de dispersão atmosférica do módulo AERMOD.
Os parâmetros da fonte necessários ao modelo são: taxa de emissão do H2S, altura do
lançamento, temperatura de saída do gás, velocidade de saída e diâmetro da tubulação de
saída de gás. A tabela 3 apresenta as informações da fonte utilizadas.
Tabela 3 – Parâmetros da Fonte
Input – Módulo AERMOD
Taxa de emissão do H2S (g s-1
) Saída do WATER9
Altura do lançamento (m) 0
Temperatura de saída (K) 0
Velocidade de saída (m s-1
) 0,0055
Diâmetro da chaminé (m) 0,025
Como apresentado na tabela 3, a taxa de emissão do poluente será obtida na modelagem
de emissão do H2S. A altura do lançamento pode ser considerada zero, pois se dá ao nível do
solo. Para temperatura de saída definiu-se também o valor zero, pois assim o modelo
considera a temperatura ambiente. A velocidade de saída foi determinada através do cálculo
da vazão teórica de biogás, adotando-se a metodologia de Chernicharo (1997) para estimar a
vazão de metano (CH4) em reator UASB, a partir da demanda química de oxigênio (DQO),
dado também determinado em campo. O diâmetro de saída do gás foi obtido através de
medida direta em campo.
O resultado do modelo (arquivo PLOT) é processado pelo AERPLOT, software gratuito
também disponibilizado pela USEPA, capaz de criar um arquivo KMZ, do tipo vetorial, com
a pluma de dispersão e seus diferentes níveis de concentração do poluente. Esse arquivo pode
ser processado no também software livre Google Earth® e convertido em KML, outro
arquivo vetorial que pode ser processado diretamente no QGIS 2.8.1.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Taxa de emissão do H2S
A partir da modelagem de emissão do H2S, através do software WATER9 foi
determinada uma taxa média de emissão de 0,000194 g s-1
para o dia 21 de maio de 2013.
Santos et al. (2006) obtiveram uma taxa de emissão semelhante utilizando o modelo
WATER8, de 0,000175 g s-1
, também para um reator UASB de pequenas dimensões,
operando a uma vazão de 1 L s-1
.
A taxa de emissão obtida pode ser muito menor do que o valor real, visto que o modelo
considerou apenas a remoção do H2S da fase líquida via volatilização, sendo que a turbulência
causada pela queda da água residuária nas canaletas de coleta do efluente tratado pode ser a
principal causa de emissão do gás odorante na unidade.
Já Silva (2007), simulando também a emissão do H2S em reator UASB, obteve uma taxa
de emissão de 0,04 ± 0,029 e 0,002 ± 0,0003 g s-1
, para os períodos da manhã e noite,
respectivamente. Valores mais elevados que o encontrado no presente trabalho, visto que a
unidade estudada por Silva (2007) apresenta maior capacidade (vazão média de 53 L s-1
) e,
portanto, recebe maior carga de H2S. Além disso, fatores ambientais, como pH e temperatura,
podem afetar formação e emissão do H2S.
3.2. Dispersão atmosférica do H2S
A taxa de emissão determinada pelo WATER9 foi um dos parâmetros de entrada do
modelo AERMOD. Foi considerado que taxa de 0,000194 g s-1
não se alterou durante o dia.
Sendo assim, a figura 1 apresenta o mapa da dispersão do H2S, para o dia 21 de maio de
2013.
Figura 1 – Dispersão do H2S no local de estudo
Nota-se que as concentrações ao redor da fonte, determinadas pelo modelo AERMOD,
apresentaram-se baixas. Para esse cenário apenas os domicílios vizinhos a ETE (interior do
polígono vermelho na figura 1) seriam impactadas negativamente, visto que segundo USEPA
(1985) a presença de H2S em concentrações acima de 0,47 ppb (aproximadamente 0,655 µg
m-3
) já causa incômodo em relação ao odor. Em relação ao impacto à saúde humana, esses
valores não são expressivos, uma vez que somente a partir de 10 ppm alguns efeitos adversos
à saúde podem ocorrer, tais como dores de cabeça e náusea (USEPA, 1985). No entanto, esse
resultado obtido não representa a realidade do local, pois foi simulado apenas um dia do ano.
A figura 2 apresenta o mapa topográfico do local de estudo.
Figura 2 – Mapa topográfico do local de estudo
É possível observar que o local de estudo (arredores da ETE) se encontra em uma região
de fundo de vale. Sendo assim, o relevo tende a dificultar a dispersão do poluente (MELO,
2011). Essa tendência pode ser observada (apenas visualmente) na figura 1.
A velocidade e direção do vento também podem influenciar significativamente na
dispersão do poluente (MELO, 2011). Para analisar o efeito dessas variáveis meteorológicas
na dispersão, plotou-se a rosa dos ventos para o intervalo de dados, como apresentada na
figura 3.
Os ventos em direção ao noroeste ocorreram em maior frequência, sendo possível
observar (apenas visualmente) também essa tendência na dispersão do poluente, apresentada
na figura 1.
Figura 3 – Rosa dos ventos para o intervalo de dados
Como não foram monitoradas as concentrações reais do poluente em diferentes pontos do
local de estudo, não foi realizada uma comparação das concentrações preditas pelo modelo
com os valores observados. Dessa forma não foi possível verificar a precisão do modelo para
o cenário proposto.
Ainda assim, pode-se constatar que essa metodologia apresenta potencial para auxiliar na
etapa de concepção de uma ETE. É possível simular diferentes cenários (variações na
concentração de H2S afluente a ETE, diversas condições climáticas, entre outros) e, dessa
forma, propor um local mais adequado para instalação da unidade de tratamento,
considerando também o impacto negativo da emissão de gases odorantes.
4. CONCLUSÃO
Os resultados obtidos nesse trabalho não são suficientes pra determinar o impacto da
emissão de gases odorantes no local de estudo, nem mesmo podem ser considerados precisos,
pois não foram comparados com dados de monitoramento do H2S na atmosfera. No entanto,
foi possível verificar que a integração dos modelos WATER9 e AERMOD pode fornecer uma
previsão do impacto negativo, através de tendências de dispersão (direção de deslocamento da
pluma). Considerando diferentes cenários (condições ambientais, operacionais e localização
da ETE), a metodologia proposta pode se apresentar útil para auxiliar a determinação do
melhor local de instalação de uma ETE.
Ainda assim, estudos mais aprofundados são necessários para verificar a precisão dos
modelos e confirmar estatisticamente a viabilidade da metodologia na avaliação de impactos
associados à emissão de gases odorantes em unidades anaeróbias de tratamento de águas
residuárias.
5. REFERÊNCIAS
BELLI FILHO, P.; DA COSTA, R. H. R.; GONÇALVES, R. F.; CORAUCCI FILHO, B.;
LISBOA, H. M. Tratamento de odores em sistemas de esgotos sanitários. In:
CHERNICHARO, C. A. L. (Coord.). Pós-tratamento de Efluentes de Reatores
Anaeróbios. Belo Horizonte: PROSAB/FINEP, 2001. p. 455-490.
CHERNICHARO, C. A. L. Princípio do tratamento biológico de águas residuárias:
Reatores anaeróbios. 2. ed. Belo Horizonte: DESA/UFMG, 1997. 380 p.
GOSTELOW, P., PARSONS, S. A.; STUETZ, R. M. Odour measurements for sewage
treatment works. Water Research, v. 35, n. 3, p. 579-597, 2001
MEIRA, L. H. R. Estudo da remoção de sulfeto de hidrogênio e amônia utilizando
resíduos alcalinos da construção civil. Itajubá: UNIFEI, 2014. Originalmente apresentada
como dissertação de mestrado, Universidade Federal de Itajubá, 2014.
MELO, A. M. V. Avaliação de desempenho dos modelos AERMOD e CALPUFF
associados ao modelo PRIME. Vitória: UFES, 2011. Originalmente apresentada como
dissertação de mestrado, Universidade Federal do Espírito Santo, 2011.
SANTOS, J. M.; SÁ, L. M.; REIS JR, N. C.; GONÇALVES, R. F.; SIQUEIRA, R. N.
Modelling hydrogen sulphide emission in a WWTP with UASB reactor followed by aerobic
biofilters. Water Science & Technology, v. 54, n. 9, p. 173-180, 2006.
SILVA, A. B. Avaliação da produção de odor na estação de tratamento de esgoto
Paranoá e seus problemas associados. Brasília: UNB, 2007. Originalmente apresentada
como dissertação de mestrado, Universidade de Brasília, 2007.
UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY - USEPA. AERMOD:
Description of Model Formulation. North Carolina: Research Triangle Park, 2004a. 91 p.
UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY - USEPA. Air Emission
Models for Waste and Wastewater. North Carolina: Research Triangle Park, 1994. 532 p.
UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY - USEPA. Design
Manual: Odor and Corrosion Control in Sanitary Sewerage Systems and Treatment Plants.
Cincinnati: Office of Research and Development, 1985. 132 p.
UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY - USEPA. User’s guide
for the AERMOD meteorological processor (AERMET). North Carolina: Research
Triangle Park, 2004b. 252 p.