UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CENTRO-OESTE - UNICENTRO SETOR DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS E AMBIENTAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
ASSOCIAÇÃO AMPLA ENTRE UNICENTRO E UEPG
TIAGO NEUMANN KUK
ALTERNATIVAS PARA IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA TÉRMICO DE HIGIENIZAÇÃO E SECAGEM DO LODO GERADO EM ESTAÇÃO DE TRATAMENTO
ANAERÓBIO DE ESGOTO SANITÁRIO DE PEQUENO PORTE
IRATI 2019
TIAGO NEUMANN KUK
ALTERNATIVAS PARA IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA TÉRMICO DE HIGIENIZAÇÃO E SECAGEM DO LODO GERADO EM ESTAÇÃO DE TRATAMENTO
ANAERÓBIO DE ESGOTO SANITÁRIO DE PEQUENO PORTE
Dissertação apresentada como requisito Parcial à obtenção de grau de Mestre em Engenharia Sanitária e Ambiental, Curso de Pós-Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental, associação ampla entre a Universidade Estadual do Centro-Oeste e a Universidade Estadual de Ponta Grossa, área de concentração em Tratamento de Água de Abastecimento e Águas Residuárias, da UNICENTRO.
Orientadora: Prof. Dra. Jeanette Beber de Souza
Coorientador: Prof. Dr. Gustavo Rafael Collere Possetti
IRATI 2019
Dedico este trabalho a todos que lutam e se esforçam por um mundo melhor! Nossa geração precisa de bons exemplos.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, que é o autor, provedor e condutor da minha vida.
A minha esposa e conselheira Suelen Sharlene de Lima Kuk e aos meus filhos Josué de Lima Kuk e Júlia de Lima Kuk, que não compreendiam porque o papai ao invés de brincar precisava estudar, mas um dia entenderão.
A toda minha família que sempre foi minha base e ajudaram-me de diversas maneiras, especialmente meu irmão Josiel Neumann Kuk e meus pais José Kuk e Cleide Neumann Kuk pelo cuidado a mim demonstrado e com as crianças nos momentos em que tive ausente.
Aos meus orientadores, Profa. Dra. Jeanette Beber de Souza e Prof. Dr. Gustavo Rafael Collere Possetti, pela paciência e pelo repasse imensurável de conhecimento.
À Companhia de Saneamento do Paraná (SANEPAR) pela parceria e oportunidade, em especial a Gerência Regional Guarapuava (GRGA), a Equipe responsável pela ótima operação das Estações de Tratamento de Esgoto de Guarapuava (Paulo, Clodoaldo, Marcia, Dora, Sandro, Davi, Glederson, Edegar, Cláudio e Valmir), a todos do Desenvolvimento Operacional de Guarapuava pelo carinho e amizade que temos, a Equipe da Gerência de Pesquisa e Inovação (GPIN), especialmente ao meu amigo parceiro de tantas coletas de dados Luiz Gustavo Wagner e, a Equipe laboratorial, em especial as sempre dispostas Audrei Osinski e Cynthia Malaghini.
Aos companheiros de longas, cansativas, mas divertidas viagens, meu amigo pessoal e incentivador Eng. Edwilson Luiz Gelinski e a amiga Eng. Jerusa Tonete Felde.
Também aos amigos que ganhei durante todas as disciplinas cursadas no campus da UNICENTRO em Irati e no campus da UEPG em Ponta Grossa, especialmente aos “Brothers” Gabriel Biglia, Adriana Fiori Moura e Larissa Pacheco Wendler, onde pudemos conviver e viver momentos inesquecíveis na viagem de intercambio realizada em 2017.
A todos os professores da PPGESA pelas incríveis aulas ministradas. Valeu a pena cada quilometro rodado para receber os conteúdos por vocês ensinados! Carinhosamente agradeço aos professores Gabriel Carranza e Giovana Wiecheteck, que além das aulas teóricas, proporcionaram uma experiência real e internacional, onde pude aprender tanto como estudante, mas também como pessoa, por meio de novos valores e novas culturas. Não poderia deixar de agradecer a querida e sempre prestativa Joelma Fedalto pelo apoio administrativo, documental e emocional junto a secretaria da PPGESA.
Aos amigos e professores da Escola Excellent Global Guarapuava pelo ensino e disposição. O retorno ao aprendizado da língua inglesa foi fundamental para os meus estudos.
A todos os professores e profissionais com quem convivi e os que ainda continuam repassando seus conhecimentos e construindo minha carreira profissional, especialmente a Eng. Rosa Maria Saunitti, pelo acompanhamento desde a universidade até o tempo presente.
RESUMO
O lodo resultante do tratamento de esgoto sanitário possui nutrientes e matéria orgânica, tornando-o um subprtornando-oduttornando-o aprtornando-oveitável na agricultura. Para que isstornando-o seja ptornando-ossível, é necessáritornando-o tornando-o desaguamento deste lodo, que “in natura” e proveniente de reatores anaeróbios possui em torno de 95% de água e principalmente, um processo de higienização para inativação dos microrganismos presentes, sendo assim considerado sanitariamente seguro. Com a expectativa de que os índices de coleta e tratamento de esgoto aumentem no Brasil e com as exigências de maiores eficiências no tratamento, aumentarão volumes de lodo gerados e para ETEs de pequeno porte (até 30 mil habitantes), além do processo por meio de produtos químicos, busca-se outras formas de higienização. Esta pesquisa investigou uma ETE de pequeno porte cujos resultados de metano presentes no biogás gerado no RALF foram de (69,45 ± 3,74)%. O lodo deste RALF foi testado em 3 campanhas usando protótipos de tanques com pisos radiantes, aquecidos por energia solar e energia elétrica que simulou a demanda de metano. Na primeira campanha, em tanque metálico, nos pontos mais desfavoráveis da camada de 20cm de lodo “in natura” com 5,11% de ST, a temperatura média foi de 44,6ºC e máxima de 48,6ºC, não alcançando os patamares de temperatura e tempo de higienização recomendados (70ºC por 30 minutos ou 54ºC por 2 horas). Na segunda campanha, também em tanque metálico, os pontos mais desfavoráveis da camada de 10cm de lodo desaguado em leito de secagem, com 39,56% de ST, alcançaram média de 54,7ºC e máxima de 55,4ºC, sendo considerado higienizado após 25 horas, sanando uma incógnita que restava sobre o comportamento do lodo higienizado por via térmica neste patamar de ST. Na terceira campanha em tanque metálico, nos pontos mais desfavoráveis de 10cm de camada de lodo “in natura” com 4,41% de ST, alcançou-se média de 55,6ºC e máxima de 57,1ºC, sendo que o tempo de higienização foi de 11,43 horas. Porém este mesmo lodo, em camada de 10cm em tanque com piso de concreto, não atingiu temperaturas para ser considerado higienizado, sendo que a parte mais desfavorável alcançou média de 49,7ºC e máxima de 53,8ºC. A secagem do lodo foi satisfatória em todas as campanhas, atingindo sólidos totais finais de 76,44%, 70,86% e 77,02%, respectivamente. A comparação destes testes e com outras pesquisas, resultou que a alternativa mais favorável para a ETE estudada é um sistema que realize a higienização e secagem do lodo no patamar de 40% de ST por meio de 2 tanques metálicos com 50m² de piso radiante, cada um, funcionando com 3 ciclos mensais, utilizando um sistema solar de aquecimento inicial e um complemento de 9.691,88Nm³/mês de metano. O sistema será autossuficiente, pois para esta ETE, o metano calculado é de 11.640Nm³/mês, mas devido a oscilação na produção de biogás é necessário armazená-lo em um gasômetro de 80m³.
ABSTRACT
The sludge resulting from sanitary sewage treatment has nutrients and organic matter, making it a usable by-product in agriculture. For this to be possible, it is necessary to dewater this sludge, which, in the natural state and from anaerobic reactors, has around 95% of water and mainly, it is necessary a process of hygienization for inactivation of the present microorganisms, in order to be considered sanitary safe. With the expectation that the rates of collection and treatment of sewage will increase in Brazil and with the requirements of more efficiency in the treatment, volumes of sludge generated will be increased and for small Wastwater Treatment Plants – WWTPs (up to 30.000 inhabitants), besides the process by means of chemical products, searching for other forms of hygienization. This research investigated a small WWTP in which methane results present in biogas generated in reactor were (69,45 ± 3,74)%. The sludge of this reactor was tested in 3 campaigns using prototypes tanks with radiant floors, heated by solar energy and electric energy that simulated methane demand. In the first campaign, in metallic tank, at the most unfavorable points of the 20cm layer of sludge in the natural state with 5,11% of total solids, the average temperature was 44,6ºC and the maximum of 48,6ºC, not reaching the levels of recommended temperature and cleaning time (70ºC for 30 minutes or 54ºC for 2 hours). In the second campaign, also in metallic tank, the most unfavorable points of the layer of 10cm of dewatered sludge in a drying bed, with 39,56% of total solids, reached average of 54,7ºC and maximum of 55,4ºC, being considered sanitized after 25 hours, responding an unknown information that remained on the behavior of the sludge sanitized by thermal path in this total solids level. In the third campaign in metallic tank, in the unfavorable points of 10cm of layer of sludge in the natural state with 4,41% of total solids, an average of 55,6ºC and maximum of 57,1ºC was reached, whereas the time of hygiene was 11,43 hours. However, this same sludge in a 10cm layer in tank with concrete floor, did not reach temperatures to be considered sanitized, thus the most unfavorable part reached average of 49,7ºC and maximum of 53,8ºC. Drying of the sludge was satisfactory in all the campaigns, reaching final total solids of 76,44%, 70,86% and 77,02%, respectively. The comparison of these tests and other researches, resulted that the most favorable alternative for the WWTP studied is a system that performs the sanitation and drying of the sludge on the 40% of total solids level by means of 2 metallic tanks with 50m² of radiant floor, each one, working 3 cycles monthly, using an initial solar heating system and a complement of 9.691,88Nm³/month of methane. The system will be self-sufficient, because for this WWTP, the calculated methane is 11.640Nm³/month, but due to oscillation in the biogas production it is necessary to store it in a gasometer of 80m³.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Rotas de conversão de matéria orgânica... 22
Figura 2 – Variação do volume de lodo em função do teor de sólidos... 26
Figura 3 – Relação Tempo-Temperatura para Lodos Classe A... 29
Figura 4 – Experimento de Andreoli et al (2002) - tubulação de cobre colocada na camada drenante do leito de secagem para a circulação do óleo aquecido pelo biogás... 32
Figura 5 – Disposição esquemática dos aparatos experimentais, em escala piloto e escala demonstração utilizados por Borges (2004)... 33
Figura 6 – Representação esquemática do sistema térmico de higienização do lodo, utilizado por Possetti et al (2002)... 34
Figura 7 – Localização da ETE estudada em Guarapuava... 44
Figura 8 – Croqui esquemático da ETE estudada em Guarapuava... 45
Figura 9 – Desenho esquemático do protótipo metálico... 48
Figura 10 – Desenho esquemático do protótipo com piso de concreto... 49
Figura 11 – Desenho esquemático da estrutura de ensaio utilizada nos testes... 50
Figura 12 – Protótipo vazio e com camada de 20cm de lodo (1ª campanha)... 52
Figura 13 – Protótipo com lodo, coberto com lona e termopares instalados (1ª campanha).. 53
Figura 14 – Leito de secagem convencional na ETE de Guarapuava... 54
Figura 15 – Protótipo com lodo em torrão e com camada de 10cm de lodo destorroado (2ª campanha)... 55
Figura 16 – Protótipo com lodo, coberto com lona e termopares inseridos (2ª campanha).. 56
Figura 17 – Protótipo metálico e protótipo com piso de concreto (3ª campanha)... 57
Figura 18 – Protótipo da esquerda, com fundo em concreto, com camada de 10cm de lodo e Protótipo da direita, metálico, com camada de 10cm de lodo (3ª campanha)... 58
Figura 19 – Protótipo da esquerda, com fundo em concreto, coberto com lona e termopares instalados sob a lona; protótipo da direita, metálico, coberto com lona e termopares instalados (3ª campanha)... 59
Figura 20 – Coleta de lodo para primeira campanha, por meio de descarga do RALF... 66
Figura 21 – Gráfico da evolução da temperatura nos 24 dias da 1ª campanha de testes, referente ao período de higienização e secagem... 68
Figura 22 – Gráfico da evolução da temperatura nos primeiros 3 dias da 1ª campanha de testes, referente ao período de higienização... 68
Figura 23 – Aspecto do lodo dentro do protótipo com a finalização da 1ª campanha, com
76,44% de ST. ...70
Figura 24 – Coleta de lodo do leito de secagem para segunda campanha... 71
Figura 25 – Gráfico da evolução da temperatura nos 4 primeiros dias da 2ª campanha de testes, referente ao período de higienização e secagem... 73
Figura 26 – Gráfico da evolução da temperatura nos primeiros 3 dias da 2ª campanha de testes, referente ao período de higienização... 74
Figura 27 – Aspecto do lodo dentro do protótipo com a finalização da 2ª campanha, com 70,86% de ST... 76
Figura 28 – Coleta de lodo para terceira campanha, por meio de descarga do RALF... 77
Figura 29 – Gráfico da evolução da temperatura nos 2 protótipos, nos 10 dias da 3ª campanha de testes, referente ao período de higienização e secagem... 79
Figura 30 – Gráfico da evolução da temperatura no protótipo com fundo em concreto, nos 10 dias da 3ª campanha de testes, referente ao período de higienização e secagem...79
Figura 31 – Gráfico da evolução da temperatura no protótipo com fundo metálico, nos 10 dias da 3ª campanha de testes, referente ao período de higienização e secagem... 80
Figura 32 – Gráfico da evolução da temperatura nos primeiros 3 dias da 3ª campanha de testes nos 2 protótipos, referente ao período de higienização... 80
Figura 33 – Gráfico da evolução da temperatura nos primeiros 3 dias da 3ª campanha de testes no protótipo com fundo em concreto, referente ao período de higienização... 81
Figura 34 – Gráfico da evolução da temperatura nos primeiros 3 dias da 3ª campanha de testes no protótipo com fundo metálico, referente ao período de higienização... 81
Figura 35 – Aspecto do lodo dentro do protótipo com piso de concreto, com a finalização da 3ª campanha, com 77,02% de ST... 83
Figura 36 – Aspecto do lodo dentro do protótipo metálico, com a finalização da 3ª campanha, com 49,07% de ST... 83
Figura 37 – Desenho proposto para os tanques de higienização e secagem... 91
Figura 38 – Layout de implantação do STHIL na Estação de Tratamento de Esgoto... 93
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Tempo de remoção de 90% de bactérias indicadoras (coliformes
termotolerantes e Escherischia Coli) em função da temperatura... 30
Quadro 2 – Quadro resumo das três campanhas realizadas... 51
Quadro 3 – Posição dos termopares na etapa de higienização da campanha 1... 53
Quadro 4 – Posição dos termopares na etapa de higienização da campanha 2... 56
Quadro 5 – Posição dos termopares na etapa de higienização da campanha 3... 59
Quadro 6 – Dados médios da ETE de Guarapuava... 63
Quadro 7 – Dados referentes a diminuição da camada de lodo na etapa de secagem da 1ª campanha... 70
Quadro 8 – Evolução do teor de sólidos na etapa de secagem da 2ª campanha... 75
Quadro 9 – Comparações etapa de higienização... 85
Quadro 10 – Comparações etapa de secagem... 86
LISTA DE ABREVIATURAS SIGLAS E SÍMBOLOS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. ºC – Graus centigrados.
Ca + Mg – Cálcio e magnésio.
CETESB – Companhia Ambiental do Estado de São Paulo. CFR – Code of Federal Regulations.
CH4 – metano.
CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente. CTE – Coliformes termotolerantes.
CRE – Corpo receptor. DES – Desarenador.
DQO – Demanda química de oxigênio. EAP – Estabilização alcalina prolongada. EEP – Estação elevatória de esgoto de processo. EME – Emissário do efluente final.
EPA - Environmental Protection Agency. ETE – Estação de tratamento de esgoto. FAN – Filtro anaeróbio.
GRD – Gradeamento. H2S – Sulfeto de hidrogênio.
IAPAR – Instituto Agronômico do Paraná. Kcal – Quilo caloria.
Kgf/cm² – Quilo-grama força por centímetro quadrado. kWh – Quilo-watt-hora.
LAB – Laboratório. LRE – Linha de recalque.
LSE – Leito de secagem de lodo. MCP – Macromedidor calha parshall. MJ – Mega joule.
MPa – Mega pascal.
NaOH – Hidróxido de sódio.
NBR – Norma brasileira regulamentadora. Nm³ – Normal metro cúbico.
NMP – Número Mais Provável. PAC – Pátio de Cura.
pH – Potencial hidrogeniônico.
RALF – Reator anaeróbio de lodo fluidizado. SANEPAR – Companhia de saneamento do Paraná. SEMA – Secretaria estadual de meio ambiente. SST – Sólidos suspensos totais.
ST – Sólidos totais.
STHIL – Sistema térmico de higienização do lodo. UASB – Upflow anaerobic sludge blanket.
UFF – Unidade Formadora de Foco. UFP – Unidade Formadora de Placa.
UFMG – Universidade Federal de Minas Gerais. UGL – Unidade de gerenciamento de lodo.
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 15 2. OBJETIVOS... 18 2.1 Geral: ... 18 2.2 Específicos: ... 18 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19 3.1 Lodo de esgoto ... 19 3.1.1 Definição ... 19 3.1.2 Constituição ... 19 3.1.3 Gestão ... 20
3.2 Lodo resultante do processo de tratamento por meio de Reator Anaeróbio de Leito Fluidizado (RALF) ... 21
3.2.1 Caracterização ... 21
3.2.2 Estimativa de produção de lodo ... 23
3.3 Tratamento e destinação do lodo de esgoto ... 23
3.3.1 Responsabilidades quanto a destinação ... 23
3.3.2 Formas de tratamento ... 24 3.3.2.1 Adensamento ... 25 3.3.2.2 Estabilização... 25 3.3.2.3 Condicionamento ... 26 3.3.2.4 Desaguamento ... 26 3.3.2.5 Higienização ... 27
3.4 Sistemas Térmicos de Higienização do Lodo (STHIL) ... 28
3.4.1 Equipamentos ... 28
3.4.2 Fundamentação da higienização por meio de processos térmicos ... 28
3.4.3 Legislação e resultados de pesquisas em diversas configurações ... 30
3.5 Biogás gerado em processos anaeróbios de tratamento de esgoto doméstico ... 38
3.5.1 Importância... 38
3.5.2 Origem e constituição do biogás ... 39
3.5.3 Estimativa da produção de biogás ... 40
3.5.4 Tratamento para fins de utilização ... 40
3.6 Indicadores de lodo de esgoto sanitariamente seguro ... 41
3.6.1 Metais pesados ... 41
3.6.3 Microrganismos patogênicos ... 42
4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 44
4.1 Caracterização da estação de tratamento de esgoto estudada ... 44
4.1.1 Localização e descrição ... 44
4.1.2 Coleta e verificação de dados operacionais na ETE de Guarapuava ... 46
4.2 Experimentos com STHIL em escala reduzida ... 47
4.2.1 Localização ... 47
4.2.2 Protótipos de Leitos de Secagem utilizados nos experimentos em escala reduzida .... 48
4.2.3 Ensaios para definir configuração de STHIL... 51
4.2.3.1 Primeira campanha de testes ... 52
4.2.3.2 Segunda campanha de testes ... 54
4.2.3.3 Terceira campanha de testes ... 57
4.2.4 Comparação entre os ensaios realizados e com outras pesquisas ... 60
4.3 Proposição de arranjo e pré-dimensionamento de STHIL para a ETE estudada ... 62
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 63
5.1 Dados e caracterização da ETE de Guarapuava obtidos em campo ... 63
5.2 Testes com o lodo nos protótipos ... 66
5.2.1 Primeira campanha de testes ... 66
5.2.2 Segunda campanha de testes ... 71
5.2.3 Terceira campanha de testes ... 76
5.2.4 Comparação entre os testes e com outras pesquisas ... 85
5.3 Pre-dimensionamento de STHIL para a ETE de Guarapuava ... 89
5.3.1 Tanque de Higienização ... 89
5.3.2 Volume de metano necessário e disponível ... 92
5.3.3 Localização do gasômetro e tanques de higienização ... 93
5.3.4 Fluxograma e funcionamento do STHIL ... 94
5.3.5 Resumo da alternativa proposta ... 96
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 97
6.1 Conclusões ... 97
6.2 Trabalhos Futuros ... 99
7. REFERÊNCIAS ... 100
1. INTRODUÇÃO
Segundo a Resolução Brasileira nº 375/2006 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), lodo de esgoto é o resíduo gerado nos processos de tratamento de esgoto sanitário (BRASIL, 2006). Esse subproduto possui elevado teor de umidade e é oriundo principalmente da degradação da matéria orgânica presente nos efluentes, agregado à matéria inorgânica e nutrientes e, de acordo com Andreoli, Von Sperling e Fernandes (2001), este lodo é concentrador de microrganismos patogênicos.
Ao mesmo tempo que a geração de lodo é um indicativo positivo de que existe um tratamento para as águas residuárias, há uma grande preocupação por parte dos responsáveis pelas estações de tratamento de esgoto quanto à destinação e disposição final deste lodo.
Embora o lodo de esgoto não se apresente num estado totalmente sólido, no Brasil, a lei federal 12.305/2010, chamada de Política Nacional dos Resíduos Sólidos, classifica o lodo proveniente de estações de tratamento de esgoto (ETEs) como sendo um resíduo sólido e sua destinação e disposição final são de responsabilidade do gerador, ou seja, o responsável pelo tratamento das águas residuárias (BRASIL, 2010).
Com as diretrizes de universalização do saneamento para o Brasil, enfatizadas com a lei federal nº 11.445/2007 (BRASIL, 2007), há uma grande expectativa que os índices com coleta e tratamento de esgoto aumentem no país e, este tratamento deverá ser cada vez mais eficiente para cumprimento das legislações e consequente melhoria do meio ambiente.
Portanto, tendo as diretrizes lançadas e asseguradas por lei, mesmo que esta universalização aconteça em ritmo mais lento do que o necessário e almejado pela sociedade, é importante que todos os entes e agentes envolvidos na área de saneamento procurem desenvolver novas técnicas e melhorar técnicas já conhecidas no tratamento de esgoto e seus subprodutos, visando alcançar o conceito de ETEs sustentáveis, aumentando a eficiência das unidades e diminuindo os custos necessários com a implantação, operação e manutenção.
Nesse contexto, mais tratamento de esgoto e maior eficiência deste tratamento, implicam em maiores volumes de subprodutos gerados, que são os resíduos do gradeamento, gases, escumas e lodos, sendo que Von Sperling (1996) classifica o lodo como o principal, devido ao volume e importância.
Especificamente, o lodo produzido em uma ETE por meio de um reator anaeróbio de lodo fluidizado (RALF), é denominado de lodo secundário e este, segundo Andreoli, Von Sperling e Fernandes (2001), é chamado de lodo biológico, já digerido e estabilizado.
Antes de uma destinação correta, é necessário que o lodo seja desaguado para redução do volume e haja uma higienização visando deixá-lo sanitariamente seguro. A higienização ou desinfecção é parte das etapas do tratamento do lodo e visa prepará-lo para uma destinação ambientalmente adequada, ao invés de simplesmente descartá-lo em aterros sanitários ou incinerá-lo. São várias as experiências de utilização deste lodo higienizado em diversas culturas com a função de adubação e embora esta alternativa esteja mundialmente consolidada, no Brasil, a aplicação de lodo de esgoto em áreas agrícolas ainda é limitada a poucos estados (Bittencourt, Aisse e Serrat, 2017).
Existem várias formas e propostas de se higienizar este lodo, tais como químicas, físicas, radiações ou combinação destas. Um dos métodos mais usuais é por meio da aplicação de produtos químicos, sendo muito comum a prática de aplicação de cal para posteriormente destiná-lo para fertilização de solos, chamado de estabilização alcalina prolongada – EAP (Bittencourt et al., 2009). Além de proporcionar a inativação dos microrganismos por meio da elevação da temperatura e elevação do potencial hidrogeniônico (pH), também deixa no lodo higienizado um certo teor residual de cal, que auxilia na correção de alguns tipos de solos, quando é destinado para agricultura.
Apesar de ser uma alternativa aceita, aumentando-se as quantidades de lodo, aumentam-se a quantidade e os custos com produtos químicos necessários e o volume final de lodo tratado, uma vez que Andreoli, Von Sperling e Fernandes (2001), citam que são aplicados de 30% a 50% de cal em relação ao peso seco do lodo e, a constante presença de produtos químicos como cal nem sempre é desejável, principalmente quando a destinação do lodo é para solos já alcalinos. Portanto, buscam-se outras alternativas sanitariamente seguras, que possam higienizar o lodo sem a necessidade de aplicação de produtos químicos e porque não dizer, de uma maneira ambientalmente correta e sustentável.
Para ETEs de médio e grande porte, a alternativa de higienização e também de secagem do lodo de esgoto por processo térmico está consolidada em termos de eficiência, inclusive com disponibilidade comercial de equipamentos para estas grandes estruturas, mas ainda busca-se que haja a viabilização e implantação também para ETEs de pequeno porte.
A viabilidade de sistemas térmicos para pequenas estações está muito relacionada com a produção de lodo e com o tipo de energia a ser utilizada, sendo que o biogás gerado durante o próprio processo de tratamento de esgoto pode viabilizar e, se necessário, é desejável que se utilize de outras energias renováveis, como a solar.
Uma das alternativas para estações de pequeno porte, já conhecida e estudada, porém somente em escala reduzida, é o Sistema Térmico de Higienização do Lodo, denominado de
STHIL, no qual se utiliza o aumento de temperatura por meio de diversas fontes de energia para promover a desinfecção do lodo de esgoto. As pesquisas já realizadas de STHIL apresentam diversos layouts de configurações e possibilidades de funcionamento. Dentre estas, Borges (2004) testou lodo “in natura” utilizando tanques de higienização, enquanto outros autores como Passamani (2000), Andreoli et al. (2002), Ferreira et al. (2003), Possetti et al. (2012), Wagner et al. (2015) e Gontijo (2017), testaram lodo em patamares de 20% de sólidos totais sobre pisos radiantes, restando dúvidas ainda quanto ao comportamento do lodo em patamares de mais avançados teores de sólidos.
Esta pesquisa caracterizou os parâmetros reais de uma ETE de pequeno porte e buscou uma investigação comparativa operacional das configurações de STHIL já propostas por diversos autores em pequena escala, com realização de novos testes ainda em escala piloto com disposição de lodo em piso radiante, onde foi avaliado o lodo proveniente do RALF da ETE onde pretende-se a implantação de um STHIL em escala real.
Em dois dos três experimentos realizados neste trabalho, testou-se o aquecimento do lodo de esgoto com umidade natural (em torno de 5%) e posteriormente, mantendo-se o aquecimento, este lodo foi submetido ao processo de secagem. Para sanar a incógnita sobre a higienização no outro extremo, testou-se o lodo já submetido ao processo de desaguamento em leito de secagem convencional, com elevado teor de sólidos (em torno de 40%). Em todos os testes foram avaliadas as etapas de higienização e de secagem, por meio do monitoramento das temperaturas atingidas e da evolução do teor de sólidos.
Finalmente, o presente trabalho indicou um arranjo e pré-dimensionamento de uma alternativa de sistema térmico para higienização e secagem do lodo da ETE avaliada.
2. OBJETIVOS
2.1 Geral:
Investigar alternativas para propor um arranjo e pré-dimensionamento de um sistema de higienização e secagem térmica do lodo gerado por uma estação de tratamento anaeróbio de esgoto sanitário de pequeno porte, com perspectivas do uso agrícola.
2.2 Específicos:
Diagnosticar uma estação de tratamento de esgoto de pequeno porte quanto às características analíticas e físicas de capacidade de recuperação energética do biogás e necessidade de higienização do lodo;
Ensaiar e comparar em nível de protótipo, condições de higienização e secagem do lodo em duas diferentes condições: lodo “in natura” e lodo já submetido ao desaguamento;
Propor um arranjo e pré-dimensionamento de sistema higienização e secagem térmica a ser operacionalizado em escala real, que atenda às condições de campo da ETE de pequeno porte diagnosticada, priorizando a utilização energética renovável.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A revisão bibliográfica foi realizada de acordo com os termos relacionados a pesquisa. Partindo-se do lodo de esgoto, que é o principal subproduto investigado neste trabalho, foram descritos os principais temas correlacionados.
3.1 Lodo de esgoto
3.1.1 Definição
O termo do “lodo” de esgoto tem sido utilizado para designar os subprodutos sólidos do tratamento de esgotos, sendo que nos processos biológicos de tratamento, também é chamado de biossólido, mas para que este termo seja adotado, é necessário que suas características químicas e biológicas sejam compatíveis com uma utilização produtiva, como, por exemplo, na agricultura (ANDREOLI, VON SPERLING e FERNANDES, 2001).
3.1.2 Constituição
O lodo de esgoto “in natura” é praticamente líquido, com baixo teor de sólidos e, conforme Imhoff (2002), sob o ponto de vista técnico, a propriedade mais importante do lodo de esgoto é o seu teor de água, que pode ser determinado pela perda por secagem completa em banho-maria e estufa.
Em relação à parcela dos sólidos presentes no lodo de esgoto sanitário, as quantidades e características presentes são extremamente variáveis, sendo que os constituintes específicos desses sólidos incluem: compostos orgânicos e inorgânicos, dentre os últimos os nutrientes, organismos patogênicos, metais e eventualmente compostos organotóxicos (NUVOLARI et. al., 2011).
Sobre as características químicas, Jordão e Pessôa (2011) descrevem que, em média, cerca de 70% dos sólidos presentes no esgoto são de origem orgânica, dos quais em torno de 40 a 60% são compostos de proteínas, 25 a 50% são carboidratos e em torno de 10% são gorduras e óleos, podendo ainda ser verificado em menor quantidade, a presença de uréia, surfactantes, fenóis, pesticidas e outros.
Segundo Von Sperling (1996), a matéria orgânica (ou matéria carbonácea) presente no esgoto pode ser dividida, quanto à sua biodegradabilidade, em inerte (não biodegradável) e biodegradável, sendo que ambas apresentam-se nas formas solúvel e particulada (em
suspensão) e, para a matéria orgânica biodegradável, a fração solúvel é usualmente identificada como rapidamente biodegradável, e a fração particulada como lentamente biodegradável.
A densidade do lodo de esgoto é definida por Jordão e Pessôa (2011), como a razão entre o peso da amostra, incluindo todos os componentes do lodo, e o peso de igual volume de água, sendo que em geral, para baixos valores de sólidos totais, da ordem de 3 a 5%, o lodo de esgoto possui densidade próxima ou praticamente igual a 1,0.
Especificamente para lodo secundário anaeróbio, Andreoli, Von Sperling e Fernandes (2001), consideram como usuais a densidade entre 1,02 a 1,03 e massa específica entre 1.020kg/m³ a 1.030kg/m³.
3.1.3 Gestão
Para Turonskiy e Mathai (2006) apud Mathioudakis et al. (2009), mesmo que a quantidade de lodo produzida seja cerca de 1% da quantidade de água residual tratada, a gestão do lodo custa entre 40 e 50% dos custos de uma estação de águas residuais, o que corrobora com as afirmações de Andreoli, Von Sperling e Fernandes (2001), que o gerenciamento do lodo de esgoto é bastante complexo e tem um custo geralmente entre 20% a 60% do total gasto com a operação de uma estação de tratamento de esgoto, embora este lodo de esgoto represente apenas 1% a 2% do volume do esgoto tratado.
E, quanto maior a eficiência de uma determinada forma de tratamento de esgoto, maior será a geração de resíduos, pois estes são retirados do esgoto. Portanto um dos indicativos de que o sistema de tratamento é eficiente, é a geração de lodo ao final do tratamento e a tendência é que cada vez mais os índices com coleta e tratamento de esgoto aumentem, pois o lançamento de esgoto doméstico ou as águas que não passam por um tratamento eficaz, enquadram-se como uma das principais fontes de contaminação das águas superficiais (GONÇALVES et al., 2003).
Este crescimento dos índices com coleta e tratamento de esgoto, com consequente aumento dos subprodutos gerados, são resultantes de planos e leis, em especial pelas diretrizes da lei brasileira nº 11.445/2007 (BRASIL, 2007), onde a grande expectativa é para a universalização do saneamento no país. Por outro lado, enquanto a geração de lodo proveniente do esgoto aumenta a cada ano, cada vez mais a destinação final deste material para as duas mais tradicionais formas de disposição destes resíduos, que são os aterros
sanitários e o emprego do lodo na agricultura, é restringida por normas ambientais mais rigorosas (BORGES, 2004).
Jordão e Pessôa (2011) indicam as seguintes alternativas para disposição final do lodo de esgoto: aterros sanitários, incineração, usos agrícolas diversos, reuso industrial e lançamento no oceano.
Metcalf e Eddy (1991) já relatavam que o gerenciamento do lodo é o trabalho mais complexo no tratamento de esgotos e portanto, devido a esta complexidade e os elevados custos, é essencial a evolução do conhecimento em novas tecnologias voltadas para o tratamento dos subprodutos, em especial do lodo de esgoto.
Enquanto os elevados teores de água e microrganismos patogênicos são limitantes ao reaproveitamento do lodo, a matéria orgânica e nutrientes presentes potencializam o seu uso como fertilizante, porém a Resolução brasileira CONAMA 375/2006 informa que somente poderá ocorrer a aplicação de lodo de esgoto e produtos derivados no solo agrícola mediante a existência de uma Unidade de Gerenciamento de Lodo (UGL), que deverá ser devidamente licenciada pelo órgão ambiental competente (BRASIL, 2006).
Embora a gestão do lodo proveniente do esgoto deva ser criteriosa, a norma brasileira ABNT NBR 10.004/2004, que dispõe sobre a classificação dos resíduos sólidos, não classifica o lodo de esgoto como resíduo perigoso (BRASIL, 2004).
Assim como no Brasil, internacionalmente, a maioria dos países possuem normas que regulamentam e exigem controle e monitoramento do uso de lodos de ETE em solo, garantindo uma destinação segura (LEITE, 2015), como é o caso da norma norte americana EPA 40 CFR Part 50 (Código de Regulamentos Federais) da Agência de Proteção Ambiental dos Estados unidos (USEPA).
3.2 Lodo resultante do processo de tratamento por meio de Reator Anaeróbio de Leito Fluidizado (RALF)
3.2.1 Caracterização
No caso do tratamento de esgoto doméstico, as alternativas de tratamento biológico se destacam no cenário atual, sendo geralmente parte integrante de qualquer estação de tratamento de esgoto sanitário, seja aeróbia ou anaeróbia, devido a sua vantagem econômica, tanto em termos de investimento na implantação, quanto aos custos operacionais em relação a outros processos de tratamento, como de oxidação química, oxidação térmica e outros.
No caso do tratamento anaeróbio, predominante no Brasil e considerado de menor custo, podemos ver que principalmente as concentrações esperadas de gases e geração de lodos variam em relação ao sistema aeróbio (CHERNICHARO, 2007), sendo que o tratamento aeróbio é considerado como mais eficiente (Figura 1).
Figura 1 – Rotas de conversão de matéria orgânica: a) sistema anaeróbio e b) sistema aeróbio.
Fonte: Chernicharo (2007).
Dentro das várias configurações de tecnologias para tratamento de esgoto para o sistema anaeróbio, destaca-se o tratamento por meio de reatores, onde é realizado o chamado tratamento secundário, no qual além do efluente líquido purificado com certa eficiência, resulta também outros subprodutos, destacando-se os gases, denominado de biogás e, o lodo, ambos resultantes principalmente da degradação da matéria orgânica e resíduos minerais presentes no efluente.
Conforme Ferreira et al. (2003), o lodo resultante do processo anaeróbio, descartado de reatores, possui muita umidade e somente 5 a 10% de teor de sólidos, sendo que esse teor de sólidos é a relação entre a massa de sólido seco e a massa de sólido úmido.
Mesmo que o lodo seja constituído de mais de 95% de água na maior parte das etapas do seu manuseio, apenas por convenção é designado por fase sólida, para distingui-lo do fluxo do líquido tratado ou fase líquida (ANDREOLI, VON SPERLING e FERNANDES, 2001).
O lodo de esgoto pode se apresentar em vários estados, sendo que há diferenças entre os lodos gerados pelas diversas fases e tecnologias utilizadas no tratamento. Segundo Imhoff (2002), o aspecto, a cor e o cheiro, já dão frequentemente indícios sobre o estado do lodo, sendo que o lodo digerido é preto (devido ao sulfeto de ferro) e tem cheiro de piche, enquanto o lodo estabilizado aerobicamente, tem coloração tirante a marrom e cheira terra.
3.2.2 Estimativa de produção de lodo
A quantidade de lodo gerada varia de acordo com a tecnologia adotada, sendo que o sistema de tratamento anaeróbio destaca-se em relação ao tratamento aeróbio, no que se refere à geração de lodo, por apresentar baixa produção deste material, com boa desidratabilidade e elevada concentração do lodo excedente (CHERNICHARO, 2007).
A quantidade média de lodo produzido em estações de tratamento por processo anaeróbio é de 0,5 litros/hab.dia, enquanto em estações com a tecnologia de tratamento por meio de lodo ativado (processo aeróbio), a produção de lodo é de 2 litros/hab.dia (GONÇALVES e LUDUVICE, 2000 apud PHILIPPI JR. et al., 2005).
Mathews (1992) apud Nuvolari et al. (2011) corrobora com esta afirmação descrevendo que a produção de lodos oriundos de processos aeróbios de lodos ativados é considerada bastante alta, sendo que para efeito de planejamento os europeus estimam uma produção percapita da ordem de 82 gramas de sólidos secos por dia, estimativa esta bastante alta em relação às feitas por especialistas para as condições brasileiras.
Portanto, com relação ao lodo resultante de processos anaeróbios, no que se refere à produção percapita, estes valores variam de 0,2 a 0,6 litros/hab.dia, ou 12 a 18 gramas de sólidos secos (ANDREOLI, VON SPERLING e FERNANDES, 2001).
Na literatura encontra-se várias formas teóricas para estimativa da produção de lodo resultante dos processos de tratamento de esgoto, na qual destacam-se as proposições de Chernicharo (2007) e Pontes (2003).
3.3 Tratamento e destinação do lodo de esgoto
3.3.1 Responsabilidades quanto a destinação
No Brasil, o tratamento e destinação dos resíduos gerados por estações de tratamento de esgoto são de responsabilidade do gerador, conforme a lei brasileira nº 12.305/2010 (BRASIL, 2010) e, conforme a legislação brasileira para crimes ambientais (Lei nº 9.605, de 12/02/98), a responsabilidade pelos problemas que podem ser causados devido ao destino inadequado de um resíduo é sempre do gerador deste (BRASIL, 1998).
A legislação ambiental internacional, no que se refere ao gerenciamento de lodo, vem se desenvolvendo nas últimas décadas. Os princípios da reciclagem e as técnicas ambientalmente corretas foram adotados pelas Nações Unidas, tendo sido incluídos na Agenda 21, na conferência do Rio de Janeiro, em 1992 (WEISZ et al., 2000 apud BORGES, 2004).
As normas são cada vez mais restritivas mesmo que a destinação do lodo seja para aterros sanitários. Como exemplo desta afirmação, Kurt et al. (2015) relatam que diretrizes da União Europeia restringem a disposição em aterros sanitários para lodo com teor de sólidos menor que 50%.
A reciclagem agrícola é reconhecida como a solução mais correta em termos ambientais, uma vez que promove o retorno de nutrientes ao solo, colaborando para o fechamento do ciclo dos mais variados elementos (ANDREOLI et al., 1999), pois lodos provenientes do tratamento de esgoto doméstico possuem nutrientes importantes, podendo conter quantidades significativas de vários elementos essenciais às plantas, como nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio, magnésio, enxofre, cobre, ferro, manganês, zinco, boro e molibdênio. Muitos desses elementos se apresentam em concentrações maiores que as encontradas em diversos adubos orgânicos de uso tradicional na agricultura (MELO e MARQUES, 2000 apud LIMA, 2010).
Portanto, uma destinação adequada e ambientalmente correta utilizada na atualidade é a aplicação do lodo de esgoto tratado como fertilizante de solos, sendo que para Andreoli, Von Sperling e Fernandes (2001), a destinação do lodo tratado mais utilizada no mundo é a reciclagem agrícola, recuperação de áreas degradadas, pastagens e silviculturas.
A Resolução brasileira CONAMA 375/2006 em seu artigo terceiro, informa que os lodos gerados em sistemas de tratamento de esgoto doméstico, para serem aplicados na agricultura, deverão ser submetidos a processo de redução de patógenos e da atratividade de vetores (BRASIL, 2006).
Especificamente para o estado do Paraná, a Resolução nº 21/2009 da Secretaria Estadual de Meio Ambiente (SEMA), regulamenta procedimentos, padrões e requisitos, para que o lodo proveniente do tratamento de esgoto, seja utilizado em áreas agrícolas e, para isso, alguns parâmetros indicadores de que o lodo está sanitariamente seguro e apto para utilização agrícola precisam ser analisados, pois o lodo tratado inadequadamente possui capacidade de atrair roedores, insetos ou outros vetores de agentes patogênicos (PARANÁ, 2009).
3.3.2 Formas de tratamento
Conforme Borges (2004), o objetivo de todos os tratamentos do lodo de esgoto, é melhorar as características microbiológicas de desidratação e de degradação.
As etapas do tratamento do lodo de esgoto, antes de sua disposição final são: adensamento, estabilização, condicionamento, desaguamento e higienização (ANDREOLI, VON SPERLING e FERNANDES, 2001).
Para os tratamentos do lodo por meio químico os custos são originários do emprego de produtos químicos enquanto que para os tratamentos mecânicos, físicos e biológicos, o custo provém da demanda de energia para o funcionamento de equipamentos ou geração de calor (KEEP e SOLHEIM, 2001 apud BORGES, 2004).
Ainda para os tratamentos com produtos químicos, além dos custos de aquisição e aplicação, existem as desvantagens da necessidade do tempo de cura e o aumento do volume final do lodo tratado, uma vez que Andreoli, Von Sperling e Fernandes (2001), indicam que no caso de utilização de cal, são aplicados em torno de 30% a 50% em relação ao peso seco do lodo. Bittencourt, Aisse e Serrat (2017) corroboram com esta afirmação, citando a aplicação de 25% em relação ao peso seco do lodo e informando o tempo de aproximadamente 60 dias para período de cura e análises.
Emissões e elevado custo energético constituem desvantagens dos tratamentos térmicos do lodo de esgoto (KURT et al. 2015).
3.3.2.1 Adensamento
Adensamento, também chamado de espessamento, trata-se de um processo físico que visa reduzir a umidade do lodo de esgoto, por meio da concentração de sólidos e, em decorrência, também reduz o volume do lodo, facilitando as etapas subsequentes de tratamento (ANDREOLI, VON SPERLING e FERNANDES, 2001).
3.3.2.2 Estabilização
A estabilização de lodos de esgoto tem o objetivo fundamental de reduzir organismos patogênicos, eliminar odores ofensivos e inibir, reduzir ou eliminar o potencial de putrefação deste material, sendo que as principais maneiras de se alcançar tais objetivos são por meio da redução biológica ou oxidação química do material volátil, a adição de elementos químicos para inativar ou inviabilizar a sobrevivência de microrganismos e a aplicação de calor para desinfetar ou esterilizar o lodo (METCALF e EDDY, 1991 apud BORGES, 2004).
Esta estabilização visa atenuar o inconveniente de maus odores no tratamento e manuseio do lodo de esgoto, sendo que esta redução nos odores é alcançada por meio da remoção de matéria orgânica biodegradável componente do lodo (ANDREOLI, VON SPERLING e FERNANDES, 2001).
3.3.2.3 Condicionamento
O processo de condicionamento visa preparar o lodo de esgoto por meio da adição de produtos químicos, para aumentar sua aptidão ao desaguamento e melhorar a captura de sólidos nos sistemas de desidratação do lodo (ANDREOLI, VON SPERLING e FERNANDES, 2001).
3.3.2.4 Desaguamento
O desaguamento ou desidratação do lodo de esgoto, pode ser por métodos naturais ou mecânicos e tem o objetivo de remover água, reduzindo ainda mais o seu volume, produzindo lodo com comportamento mecânico próximo ao dos sólidos (ANDREOLI, VON SPERLING e FERNANDES, 2001).
Ferreira et al. (2003) considera o desaguamento uma dasmais importantes tarefas na diminuição dos custos operacionais, visto que o teor de sólidos do lodo anaeróbio se encontra na faixa de 5% a 10%, representando cerca de 80% a 90% da massa do lodo.
A figura 2, apresentada por Andreoli, Von Sperling e Fernandes (2001) mostra que para pequenos acréscimos de concentração de sólidos totais no lodo ou reduções no teor de umidade, há grandes reduções de volume. Por exemplo, quando o lodo passa de 2% para 5% de teor de sólidos, existe uma redução para 40% do seu volume inicial.
Figura 2 – Variação do volume de lodo de função do teor de sólidos.
Fonte: Andreoli, Von Sperling e Fernandes (2001).
Fernandes et al. (2017) relatam que a remoção da água livre presente no lodo é um processo fundamental para redução de volume e diminuição de custos de transporte.
3.3.2.5 Higienização
A higienização ou desinfecção (embora que não seja total) do lodo de esgoto é uma operação necessária caso o seu destino seja a reciclagem agrícola, já que os processos geralmente empregados de digestão anaeróbia e aeróbia, não reduzem o nível de patógenos a patamares aceitáveis (ANDREOLI, VON SPERLING e FERNANDES, 2001). Adicionalmente, informam que o lodo de esgoto para ser considerado higienizado, precisa ter a garantia que as concentrações de Salmonella, enterovírus e ovos de helmintos estão abaixo dos limites de detecção da metodologia analítica atual.
A Resolução brasileira CONAMA nº 375/2006, que norteia a higienização de lodos de ETE a nível federal, indica os processos de higienização a serem aplicados e que são necessários para obtenção de lodos tipo A e tipo B e, conforme estes tipos pode-se determinar a disposição final (BRASIL, 2006).
No estado do Paraná, predomina em todas as Unidades de Gerenciamento do Lodo (UGLs) o processo de higienização denominado Estabilização Alcalina Prolongada (EAP), por meio da adição de cal ao lodo oriundo do tratamento de esgoto, o qual eleva o pH do lodo a 12, com posterior período de cura, alcançando assim a redução dos agentes patogênicos aos níveis exigidos pela legislação (BITTENCOURT, AISSE e SERRAT, 2017).
Ainda, segundo Bittencourt, Aisse e Serrat (2017), no processo de higienização por Estabilização Alcalina Prolongada, é necessário que o lote de lodo de esgoto, depois de formado, permaneça no mínimo 60 dias armazenado em pátio, sendo 30 dias para o período de cura e 30 dias para a realização de análise de ovos viáveis de helmintos.
Embora a adição de cal ou outro material alcalino utilizado para higienização favoreça a disposição final do lodo como corretivo do solo, é preciso ter cautela na recomendação do uso, pois em solos com elevados teores de Ca + Mg (Cálcio e Magnésio), ou, em solos salinos, este lodo poderá prejudicar o desenvolvimento de culturas, bem como sua produtividade (ANDREOLI, VON SPERLING e FERNANDES, 2001).
Conforme Borges (2004), novas tecnologias de tratamento do lodo ganham força a cada ano, dentre as quais estão aquelas que se baseiam em altas temperaturas, para promover a hidrólise térmica de compostos orgânicos e a higienização do lodo e, deste modo, além de eliminar patógenos, tais processos promovem uma maior digestibilidade e desidratabilidade do lodo, o que reduz o volume final gerado, amenizando os problemas de destinação final e reduzindo os custos com transporte.
3.4 Sistemas Térmicos de Higienização do Lodo (STHIL)
3.4.1 Equipamentos
Para médias e grandes estações de tratamento de esgoto, equipamentos robustos e geralmente de alto custo, já são amplamente comercializados para o tratamento do lodo de esgoto, porém tornam-se inviáveis para as pequenas estações. A Resolução nº 21/2009 da Secretaria Estadual de Meio Ambiente do estado do Paraná define que estações que atendem até 30 mil habitantes são consideradas de pequeno porte, estações com capacidade de atendimento de 30 mil a 250 mil habitantes como de médio porte e, com atendimento acima de 250 mil habitantes, são chamadas de estações de grande porte (PARANÁ, 2006).
Jordão e Pessôa (2011) citam que equipamentos que promovem a secagem térmica, além de alcançar a evaporação da água e grande redução do volume, também conseguem a inativação dos microrganismos. Adicionalmente citam que os secadores mais usados no Brasil são os do tipo secagem direta, de tambor rotativo.
Qasin (1999) apud Nuvolari (2011), informa que o condicionamento térmico do lodo de esgoto por meio de vaso de reação, em temperaturas que variam entre 140ºC e 240ºC, só podem ser projetados em grandes ETEs, devido ao alto custo de instalação.
A revista Hydro, em sua edição nº 123, de janeiro de 2017, trouxe um guia de fornecedores de equipamentos que promovem o desaguamento e secagem de lodo, sendo alguns com consequente higienização, devido a utilização do processo térmico.
No contexto de necessidade de se viabilizar a higienização térmica também para estações de tratamento de esgoto de pequeno porte, o STHIL surge como uma boa alternativa que já vem sendo testada em escala reduzida e que precisa começar a ser implementada em escala real, utilizando-se para isso das experiências já realizadas.
3.4.2 Fundamentação da higienização por meio de processos térmicos
É necessário a combinação de duas variáveis de controle para redução de microrganismos patogênicos por meio de via térmica, sendo elas a temperatura e o tempo de permanência nessa dada temperatura (ANDREOLI, VON SPERLING e FERNANDES, 2001). Adicionalmente, devido às diferentes difusividades térmicas do lodo para diferentes concentrações de lodo, foi proposto pela Agencia de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (USEPA), 4 regimes de tempo-temperatura, considerando como o lodo é colocado em contato com o calor, o teor de sólidos e a facilidade de mistura e transferência de calor (Figura 3).
Figura 3 – Relação Tempo-Temperatura para Lodos Classe A (D=tempo de detenção; t=temperatura).
Fonte: Adaptado de Andreoli, Von Sperling e Fernandes (2001).
Borges (2004) utilizou ovos de helmintos, especificamente ovos de Ascaris Lumbricoides, como indicador da eficiência de higienização de seus experimentos, relatando que podem ser inativados em condições variadas de combinação entre parâmetros temperatura e tempo de exposição, particularmente trabalhando-se a temperaturas superiores a 50ºC. Adicionalmente, ressalta também que com os resultados obtidos nos testes e na revisão de literatura, que para baixas temperaturas, particularmente aquelas na faixa mesofílica (20ºC a 45ºC), mesmo para longos períodos de exposição, de horas ou dias, não se tem condições adequadas para inativação de ovos de helmintos.
Portanto para obter higienização por via térmica, é imprescindível alcançar as temperaturas necessárias, pois caso o objetivo seja produzir um resíduo digerido higienizado, a condição termofílica prevalece, dada a impossibilidade de ocorrer higienização em condição mesofílica (ZÁBRANSKÁ et al., 2000; CSIKOR et al., 2002 apud Leite 2015).
Além da própria temperatura, o tempo de exposição do lodo a uma determinada temperatura é fundamental para garantir a sua higienização, sendo necessário conhecer a relação desses dois parâmetros na destruição e inativação dos parasitos e microrganismos patogênicos mais termoresistentes e, o conhecimento da curva de sobrevivência térmica de organismos indicadores de qualidade sanitária possibilita estimar a relação adequada entre o
tempo de exposição do lodo e determinadas temperaturas, suficientes para alcançar a higienização (ANDREOLI et al., 2006). Adicionalmente, Andreoli et al. (2006) citam que a partir de curvas de sobrevivência térmica de bactérias indicadoras de contaminação, foi possível determinar os tempos de decaimento decimal (D), o que representa o tempo necessário para que ocorra a destruição de 90% desta população de bactérias (uma escala logarítmica), conforme quadro 1, ressaltando porém que devido a distribuição de calor não ser homogênea, poderão ser requeridos tempos maiores de exposição.
Quadro 1 – Tempo de remoção de 90% de bactérias indicadoras (Coliformes termotolerantes e Escherichia Coli) em função da temperatura.
Fonte: Andreoli et al. (2006).
A Resolução brasileira CONAMA nº 375/2006, indica pós a higienização, a possibilidade de obtenção de lodo de esgoto ou produto derivado tipo A e tipo B, porém após 5 anos da publicação desta resolução, ou seja, a partir do ano de 2011, somente o lodo tipo A pode ser usado para aplicação agrícola.
Segundo Muller (2001) apud Borges (2004), problemas de odores são sempre relatados em processos de tratamento térmico de lodo, porém na pesquisa de Borges (2004) não foi verificado geração de odores, provavelmente porque foi trabalhado com lodo anaeróbio, portanto bastante estabilizado.
Ainda, de acordo com Luduvice (1992), ao se trabalhar com lodos digeridos, os problemas com geração de odores podem ser minimizados.
3.4.3 Legislação e resultados de pesquisas em diversas configurações
Muitas citações literárias e diversas pesquisas foram realizadas e publicadas sobre sistemas térmicos de higienização do lodo em escalas reduzidas, nas quais foram utilizadas diversas configurações e alcançados diversos resultados.
A Resolução brasileira CONAMA nº 375/2006, dentre outros processos de redução adicional de patógenos, indica que um sistema térmico que mantenha o lodo de esgoto a uma temperatura mínima de pelo menos 70ºC, por um período de pelo menos 30 minutos, é capaz de higienizá-lo pelo processo de pasteurização (BRASIL, 2006).
Junto com a higienização, é de suma importância a consideração da etapa de secagem, pois além de reduzir volumes, a Resolução brasileira CONAMA 380/2006, indica a necessidade de se alcançar no mínimo 75% de sólidos totais ao final dos processos de secagem de lodos secundários.
Segundo Hindiyeh (1995) apud Possetti et al. (2012), é possível higienizar o lodo a uma temperatura de 54ºC, desde que esta temperatura seja mantida por pelo menos 2 horas.
Conforme Jung (1996) apud Schieder et al. (2000), o tratamento de lodos de esgoto, por meio do aquecimento a altas temperaturas não só aumenta o grau de hidrólise, mas também pode melhorar suas características de desidratação, rompendo as paredes celulares das bactérias e facilitando assim a remoção das águas fortemente retidas.
O pré-tratamento térmico de lodos é apropriado para que se alcance uma maior eficiência nas etapas posteriores de estabilização e desidratação, como também para a redução do número de microrganismos patogênicos presentes no lodo, podendo este pré-tratamento ser desenvolvido a custos relativamente baixos (MULLER, 2001).
Para Nuvolari et al. (2011), a opção do tratamento térmico, antecedendo o desaguamento, consiste em aquecê-lo sob temperaturas variando de 140 a 205ºC, durante curtos períodos de tempo (geralmente 30 minutos), sob pressões de 1 a 2 MPa (10 a 20 kgf/cm²), resultando na coagulação dos sólidos, na ruptura da estrutura gelatinosa e numa redução da afinidade das fases sólida e líquida do lodo, onde o lodo apresentar-se-á completamente esterilizado, praticamente desodorizado e pode então ser desaguado facilmente, por meio de processos mecânicos, sem necessidade de condicionamento com produtos químicos.
Passamani (2000) simulou em laboratório a pasteurização de lodos de esgoto provenientes de um Reator tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) e observou que a exposição do lodo à temperatura de 70ºC, por um período de 30 minutos, foi suficiente para inativar 100% dos ovos de helmintos. Adicionalmente, testando por períodos de 10, 20, 30, 40, 50 e 60 minutos, observou a total inativação dos ovos de helmintos, a partir de 10 minutos de tratamento, para o lodo com um teor de 30% de sólidos totais (ST), exposto à mesma temperatura de 70ºC.
Andreoli et al. (2002), avaliaram o emprego do biogás como fonte de energia calorífica para aquecer leitos de secagem de lodo cobertos com estufas plásticas e, concluíram positivamente a respeito da viabilidade e da eficiência desta aplicação, sendo esta mais uma possibilidade em potencial para emprego do biogás dentro da própria estação de tratamento de esgotos. Utilizou ovos de helmintos como parâmetro para avaliar a higienização (Figura 4).
Figura 4 – Experimento de Andreoli et al (2002) - tubulação de cobre colocada na camada drenante do leito de secagem para a circulação do óleo aquecido pelo biogás.
Fonte: Andreoli et al (2002).
Semelhantemente, Ferreira et al. (2003), também associaram o desaguamento com a higienização, por meio da injeção subsuperficial de calor em leito de secagem coberto com estufa plástica, no qual o calor foi proveniente serpentinas, contendo óleo aquecido pelo próprio biogás produzido durante o processo de tratamento do esgoto. Concluíram que, além da higienização satisfatória, o sistema proposto contribuiu para a desidratação do lodo e consequentemente na redução no período de permanência do mesmo nos leitos. Nesta pesquisa também foram utilizados ovos de helmintos como parâmetro de avaliação e, como foram realizados vários testes com alturas de camadas diferentes, a menor camada resultou em maiores temperaturas e melhores resultados de redução de patógenos.
David (2002) promoveu pesquisa sobre lodos aeróbios, citando que a secagem térmica além de diminuir o peso e o volume do lodo, também melhora a qualidade do lodo, pois elimina microrganismos patogênicos e ao mesmo tempo preserva a matéria orgânica presente no lodo, que é fundamental quando este biossólido seco vai ser destinado para a agricultura.
Em sua pesquisa, Borges (2004), realizou experimentos em escala piloto e escala demonstrativa reduzida, também utilizando o biogás para higienização térmica do lodo proveniente de um reator UASB (Figura5).
Figura 5 – Disposição esquemática dos aparatos experimentais, em escala piloto e escala demonstração utilizados por Borges (2004).
Fonte: Borges (2004).
Neste trabalho do Borges (2004), o lodo com a umidade de descarte (96% na escala piloto e 97,7% na escala demonstrativa reduzida) foi aquecido em reator térmico ou digestor térmico, concluindo-se dentre outras informações, de que houve autossuficiência na produção do biogás para higienização do lodo. Alcançou as temperaturas de 54ºC por 2 horas no experimento piloto e 67ºC por 5 horas na escala demonstrativa reduzida, as quais foram capazes de eliminar/inativar microrganismos patogênicos, em especial ovos de Ascaris lumbricoides. Também concluiu que retornando o lodo de esgoto submetido ao tratamento térmico para o UASB, há uma melhora na eficiência do tratamento dentro do reator.
Posteriormente, em outra pesquisa semelhante, por meio de escala demonstrativa reduzida, Borges et al. (2009), novamente alcançaram a higienização pretendida e a autossuficiência do biogás. Também concluíram que o posterior processo de desidratação em leitos de secagem se mostrou muito mais difícil para o lodo tratado termicamente, devido a capacidade de deságue nos leitos de secagem ser prejudicada pela formação de uma camada permeável no fundo dos leitos. Observaram que o lodo tratado pelo processo térmico perde menos água por drenagem do que o lodo “in natura” e nestes lodos o desaguamento é maior por evaporação do que por drenagem, sendo este processo influenciado pela temperatura
ambiente e pela umidade relativa do ar. Destaca-se que neste trabalho, que antes da etapa de higienização, o lodo passava por um período de repouso e sedimentação mínimo de 4 horas e, após este tempo, era retirado o sobrenadante, aumentando o teor de sólidos para iniciar o protocolo de higienização.
Almeida et al. (2006) em sua pesquisa, na qual avaliaram as condições de lodo proveniente de umas estação de tratamento de esgotos doméstico, concluíram que somente o desaguamento em leitos de secagem, é insuficiente para reduzir os patógenos presentes no lodo a níveis considerados seguros para o uso agrícola. Adicionalmente, concluiu que os processos de higienização por meio químico e térmico testados em lodos provenientes de leitos de secagem (já com alto teor de sólidos), foram eficientes para reduzir o número de patógenos presentes no lodo de esgoto, possibilitando seu uso na agricultura. Usou temperaturas altas (autoclave), chegando a 121ºC, sendo os parâmetros analisados: coliformes termotolerantes e totais, Salmonella sp. e ovos viáveis de helmintos.
Possetti et al. (2012) desenvolveram pesquisa em escala reduzida de um sistema de térmico de higienização do lodo (Figura 6).
Figura 6 – Representação esquemática do sistema térmico de higienização do lodo, utilizado por Possetti et al (2002).
Fonte: Possetti et al (2002).
Por meio de um tanque com piso radiante, foram instaladas serpentinas com água aquecida com calor oriundo de biogás, no qual o aparato coberto por uma lona promoveu a desinfecção do lodo e posteriormente com a retirada da lona, a secagem. Nesta pesquisa utilizou lodo com 15% de teor de sólidos, alcançou temperaturas médias de 59ºC e utilizou a Salmonella e ovos de helmintos como parâmetros de análise.
Wagner et al. (2015), também desenvolveu pesquisa em escala piloto para testar o aquecimento de lodo anaeróbio proveniente de um reator UASB. Por meio de tanques com piso radiante, transferiu calor ao lodo na faixa de 20% de sólidos totais, utilizando energia solar e complementando com energia elétrica para quantificar o metano e consequentemente o biogás necessário na própria estação. Concluíram que a produção estimada de biogás da estação em estudo seria autossuficiente e alcançaram temperaturas superiores a 54ºC por período maior que 2 horas, indicada na literatura como suficiente para a higienização.
Semelhantemente, Gontijo (2017) também alcançou temperaturas superiores a 54ºC por mais de 2 horas, utilizando tanque com piso radiante aquecido por energia solar e energia elétrica, testando lodo com aproximadamente 20% de teor de sólidos, com três alturas de camadas de lodo, sendo 10cm, 15cm e 20cm.
Portanto, busca-se encontrar para cada situação o melhor layout ou configuração de STHIL, pois quanto a higienização por meio de processo térmico, praticamente está consolidado, pelo menos em escalas reduzidas, que o mesmo é eficiente na inativação dos patógenos ou redução a níveis satisfatórios, conforme determinam as legislações vigentes. Porém a maior eficiência e facilidade no desaguamento após o tratamento térmico, não foi comprovada na pesquisa realizada por Borges et al. (2009).
Além da conclusão da pesquisa de Borges et al. (2009), pode-se inferir que esta controvérsia entre os tempos de secagem do lodo pré-higienizado é devido ao tipo de lodo pesquisado, pois o próprio Borges (2004) relata que, embora muitos trabalhos se desenvolvam almejando o tratamento térmico de lodos provenientes de sistemas de tratamentos de esgotos, o que se constata, a partir da bibliografia, é que quase totalidade destes dá-se a partir de lodos provenientes de sistemas aeróbios, especificamente sistemas de lodos ativados, havendo nas plantas um digestor anaeróbio exclusivo para tratar o lodo submetido ao tratamento térmico (lodo hidrolisado) e, além disso, as temperaturas empregadas são bastante elevadas, sendo os processos altamente mecanizados.
O relatório final de 2017, de um estudo da empresa alemã DAHLEM Beratende Ingenieure (DAHLEM, 2017), realizado entre os anos de 2013 e 2014, no qual propôs três alternativas de configurações para higienização por processo térmico, do lodo de uma estação de tratamento anaeróbio de esgoto doméstico, no descritivo da alternativa nº2, cita o resultado da pesquisa do Borges et al. (2009), realizada na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), na qual o lodo higienizado previamente, apresentou uma piora significativa no processo de secagem por meio de leitos. Porém, este estudo também relata que:
Este resultado contradiz o conhecimento atual sobre a desidratação de lodo na Alemanha, que prevê uma melhoria dos processos de deságue do lodo com o aumento da temperatura. Contudo, é necessário salientar que a experiência na Alemanha se baseia em lodos de sistemas aerados (lodos ativados) e estabilizados. Ademais, o deságue é feito com máquinas (p.ex. centrífugas ou filtros prensas).
Resumidamente, com base no conhecimento atual, não é possível confirmar nem negar os resultados da UFMG.
Este trabalho da Dahlem (2017) também comenta que os resultados já obtidos em pesquisas tem como base a higienização de um lodo com um teor de sólidos de aproximadamente 20% e pelo fato da água possuir uma melhor difusividade térmica do que o lodo, há uma certa insegurança se o processo com o lodo com teor de sólidos de 50% funciona sem problemas. Adicionalmente, a alternativa nº1 do trabalho da Dahlen (2017), cita que deve haver uma criteriosa análise para definição da faixa de sólidos totais em que deve estar o lodo antes do processo de higienização, relatando que na faixa de 20% o lodo é de difícil manuseio e na faixa de 80%, o lodo seria um material extremamente isolante, com baixíssima difusividade térmica.
Já para Pinto (2001), é importante que o lodo esteja estabilizado e desaguado até a concentração de sólidos totais em torno de 20% a 35%, antes de ser tratado termicamente, visando diminuir custos do tratamento.
Kriguel (2015) relatou que as difusividades térmicas dos lodos dependem do teor de sólidos totais neles contidos e que o aumento do teor de sólidos totais dificulta o fluxo de calor pelos materiais e, em sua pesquisa propôs modelos de regressão para descrever tal comportamento. Esta difusividade térmica é uma das propriedades que indica a capacidade de transmissão de calor inerente a um determinado material, sendo expressa pela relação entre sua condutividade térmica e seu calor específico por unidade de volume (ÇENGEL; GHAJAR, 2012 apud Kriguel, 2015).
Conforme já citado, para Andreoli et al. (2006), é fundamental considerar que a distribuição de calor no lodo não é homogênea e apresenta-se diretamente relacionada com as propriedades físicas do material e da umidade, fazendo com que na prática, possa haver necessidade de tempos de exposição bem maiores que os valores indicados em curvas de sobrevivência e tabelas, porque haverá problemas de transporte de calor em unidades grandes, com lodo a ser higienizado.
Lima et al. (2005) também citaram em seu trabalho, que é fundamental estudar esta influência da umidade, bem como da espessura da camada de lodo, pois a distribuição do calor no lodo influencia na evaporação da água e inativação de patógenos, afirmando que
