O tratamento e a utilização eficaz do
lodo no Japão
24/janeiro/2014
Japan Sewage Works Association
Associação das Empresas de Tratamento de
Esgoto do Japão
Conteúdo
1 Apresentação do Japão
２ O tratamento do lodo no Japão
３ Utilização eficaz do lodo no Japão
３．１ Resumo da utilização eficaz do lodo de
esgoto
３．２ Utilização energética do lodo de esgoto
３．３ Utilização agrícola do lodo de esgoto
Resumo do Japão
１．
Área
Aprox. 380.000 km
2
２．População Aprox. 130 milhões（março/2013）
３．
Capital
Tóquio
（
Cidade da Olimpíada e Paraolimpíada de 2020）
４．
Índice de cobertura de esgoto: aprox. 76% （março/2013）
５．Índice de tratamento de esgoto: aprox. 88% （março/2013）
６．
ETEs :
2.145 （março/2011）
55% 56%
58% 60%
62% 64%
65% 67%
68% 69%
71% 72%
73% 74%
75%
1,8241,8631,864
1,877
1,977
2,047
2,1052,138
2,1742,2272,2352,2512,2082,1772,268
1,170
1,2411,2931,261
1,3011,3021,317
1,3741,4071,383
1,4291,3931,4441,427
1,471
500
1,000
1,500
2,000
2,500
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
発
生
汚
泥
量
(千
D
S
-t）
処
理
水
量
（
千
万
m
3
）
下
水
道
普
及
率
（
％
）
下水道普及率
発生汚泥量
処理水量
Com o aumento do índice de cobertura de esgoto, o volume
gerado de lodo apresenta tendência de aumento.
Evolução do índice de cobertura de esgoto, do volume gerado de lodo e do
volume de esgoto tratado
(volume de lodo: com base em sólidos secos na geração do lodo;
com base na medição do volume do esgoto tratado: primário, secundário e tratamento avançado)
Volume gerado de lodo de esgoto
Volume de esgoto gerado
Volume tratado
Índice de cobertura
Forma final do lodo de esgoto
2,3 milhões
toneladas
de lodo de
esgoto
(Sólido
seco)
Lodo seco 4%
Lodo desaguado 8%
Composto 11%
Escória de fusão 10%
Cinza de incineração
67%
Material de construção
Aterramento
Adubo
Material de
construção
Adoção do forno de incineração （１）
・
O lodo é gerado inevitavelmente pelo tratamento de
esgoto.
・
Com o aumento do índice de cobertura de esgoto e do
tratamento avançado, torna-se necessário efetuar o
tratamento e a disposição de forma estável frente ao aumento
do lodo.
･
Com a introdução do forno de incineração, o volume do lodo
fica reduzido para 1/8 a 1/10, sendo grande o seu efeito
redutor.
・
Principalmente nas grandes metrópoles, onde é difícil
assegurar o local de disposição final do lodo, tem aumentado a
construção de fornos de incineração aproximadamente a partir
de 1970.
Adoção do forno de incineração （２）
・
No início, a maioria dos fornos de incineração era de
múltiplos estágios, sendo que era possível a incineração
estável de lodo de relativamente baixo poder calorífico como o
lodo desaguado com floculante inorgânico.
・
Depois, no sentido de conter o volume de lodo no processo
de desaguamento, o floculante foi alterado de inorgânico para
polímero (alta caloria), de modo que o forno de leito fluidizado
tornou-se o tipo principal pois era mais adequado à
incineração estável do lodo desaguado de alta caloria.
・
Com a legislação de esgoto, existe a obrigatoriedade de
esforço no sentido de redução do volume de lodo por parte
dos administradores de tratamento de esgoto.（1996）
Quantidade de tipos de fornos de
incineração de lodo （ano 2010）
Tipo de forno de
incineração
No. total
Capacidade de incineração
（lodo desaguado ton/dia）
‹ 50
50～100
100～300
≥ 300
Forno de leito
fluidizado
236
53
89
83
11
Forno de
múltiplos
estágios
10
2
4
4
0
Outros
32
20
4
8
0
Total
278
75
97
95
11
焼却炉方式の比較
項 目 流動床焼却炉 多段焼却炉 外形図 処理フロー(例) 煙突①焼却炉本体
②補助燃焼装置
（バーナ）
①焼却炉本体
②ｾﾝﾀｰｼｬﾌﾄ
③補助燃焼装置
④駆動装置
Comparativo de fornos de incineração（１）
Comparativo de tipos de fornos de incineração
Item
Forno de incineração de leito fluidizado
Forno de incineração de múltiplos estágios
Figura do
formato
externo
Fluxo do
tratamento
(exemplo)
①
Corpo
principal
do forno
②
Dispositivo
auxiliar
de queima
(queimador)
①
Corpo
principal
do forno
②
Eixo central
③
Dispositivo
auxiliar
de queima
④
Dispositivo
tracionador
焼却炉方式の比較
項 目
流動床焼却炉
多段焼却炉
原 理
概 要
設計諸元
主要機器
①焼却炉本体（シェル、耐火材、断熱材）
②補助燃焼装置（バーナ、ガン）
③空気分散管
①焼却炉本体（シェル）
②センターシャフト（炉床、ラブルアーム、ティース）
③補助燃焼装置（バーナ）
炉内は流動層（硅砂）およびフリーボードにより構成される。
燃焼用空気は流動層下部の分散管より炉内へ送られ、この空気
により硅砂は流動化する。ケーキは流動層上へ供給され、短時
間のうちに乾燥・燃焼する。焼却灰は全て微粒子となり排ガス
とともに炉外へ排出される。補助燃料は、オイルガンまたはガ
スガンにより流動層内に直接吹き込まれる。
炉は数段の耐火性の炉床、ラブルアーム、及びティースを取り
付けたセンターシャフト、それをとり囲む鋼製の円筒形外殻
（シェル）とから成っている。ケーキは炉頂より投入され、図
では外周から中央へ、中央から外周へとラブルティースの回転
により移動しながら乾燥し、燃焼段で燃焼する。燃焼空気は炉
底より供給され、灰または汚泥の落下穴（ドロップホール）か
ら上昇して燃焼段に供給される。燃焼ガスはケーキを乾燥させ
た後排ガス出口より排出される。
空気過剰率 m=1.3 ～ 1.5
燃焼温度 800 ～ 850℃
炉内圧力 -0.2 ～ -0.3kPa
空気過剰率 m=1.3 ～ 2.0
燃焼温度 800 ～ 850℃
炉内圧力 -0.03 ～ -0.05kPa
Comparativo dos fornos de incineração（２）
Comparativo de métodos de incineração
Item
Forno de incineração de leito fluidizado
Forno de incineração de múltiplos estágios
Resumo do
princípio de
funciona-mento
Parâmetros
de projeto
Principais
equipamen-Taxa de ar em excesso: m= 1,3 ~ 1,5
Temperatura de incineração: 800 ~ 850 ⁰C
Pressão interna do forno: -0,2 ~ -0,3 kPa
Taxa de ar em excesso: m= 1,3 ~ 2,0
Temperatura de incineração: 800 ~ 850 ⁰C
Pressão interna do forno: -0,03 ~ -0,05 kPa
①
Corpo principal do forno (shell, refratário,
isolante térmico)
②
Dispositivo auxiliar de queima (queimador,
pistola)
①
Corpo principal do forno (shell)
②
Eixo central (leito do forno, braço raspador
de lodo e dentes de raspagem)
Dispositivo auxiliar de queima(queimador)
A parte interna do forno é constituída de camada fluida e placa livre. O ar destinado à queima é enviado da parte inferior da camada fluida para a tubulação de distribui-ção. A areia de silica é fluidizada através desse ar. A torta é enviada para a parte superior da camada fluida e é desidratada e queimada em curto espaço de tempo. A cinza toda da incineração se torna partícula minúscula e é expelida para fora do forno juntamente com a fumaça. O combustível auxiliar é injetado diretamente no interior da camada fluida através da pistola de óleo ou de gás.
O forno é composto pelos leitos refratários de várias
estágios, eixo central com braço raspador de lodo (rabble arm) e dentes (teeth) e parede externa cilíndrica envol-vente de aço (shell). A torta é inserida pelo topo do forno. Na figura, através da rotação dos dentes de raspagem (rabble teeth), o lodo vai se movimentando da parte externa para o centro e do centro para a parte externa e com isso vai se desidratando e é incinerado no estágio da combustão. O ar para a combustão é fornecido do fundo do forno. A partir do furo para a queda das cinzas e do lodo (drophole) sobe para o estágio da combustão. O gás da combustão faz a secagem do lodo e é expelido pela saída correspondente.
Comparativo de fornos de incineração（３）
焼却炉方式の比較
項 目 流動床焼却炉 多段焼却炉 運転操作 ケーキの適用性 補修・点検 灰性状 し渣との混焼・高温状態の熱媒体(硅砂 600～900μm）の撹拌作用と伝熱
特性により、脱水汚泥の乾燥、熱分解（ガス化）、燃焼の過程
を短時間に進行する。
・高効率に燃焼しやすく、運転操作も容易。
・間欠運転が可能である。流動砂があるため、炉の熱容量が
大きく短時間の負荷変動を吸収できる。運転停止後の温度降
下が少なく、日中の運転のみの場合でも夜間の保温運転が不
要である。
・多段の乾燥、燃焼ゾーンで燃焼が行われ、燃焼が緩慢であ
るため、温度制御等、運転操作が複雑
・炉床レンガの保護のため24時間連続運転が原則である。日
中実負荷運転で夜間保温運転を行った場合、多量の燃料が
必要である。
・砂の流動等により粉砕され完全燃焼する為、微粉状になる。
・未燃分はほとんど残らない。
・静かな焼却工程であるため粉塊状の微粒子化し易い灰にな
る。
・未燃分は少ない。（５％未満）
・炉内熱容量が大きいため負荷変動・性状変動に強く、し渣の
・高カロリーのし渣の混焼は、燃焼温度が高くなりすぎクリンカ
・広い範囲のケーキ性状に適用できる。
・比較的広い範囲のケーキ性状に適用できる。
・高分子ケーキの場合、燃焼温度が高くなりすぎる為、燃焼段
から高温の燃焼ガスを一部引抜く抽熱等の対策が必要であ
る。
・焼却炉内部に機械的な稼動部分が無いため、交換部品等は
少ない。
・炉内の耐火物の補修頻度は多段焼却炉と比べ少ない。（5～
10年に１回程度）
・概ね12ヶ月ごとに定期点検を行う。
・熱媒体が摩耗等により細くなると、炉外に飛び出すため、必
要に応じ熱媒体の補充を行う。
・3～5年に１回アームおよびティースの交換が必要である。
・3～5年ごとに炉床レンガ（燃焼段２段分）の張り替えが場合
により必要である。
・概ね12ヶ月ごとに定期点検を行う。
Comparativo de tipos de fornos de incineração
Item
Forno de leito fluidizado
Forno de múltiplos estágios
Operação
Aplicação às
tortas
Reparo /
Inspeção
Tipo de cinza
Incineração conjunta• Efetua a secagem do lodo desidratado, a decomposição por calor
(gaseificação) e a sua queima em curto espaço de tempo através do efeito da mistura da mídia de calor em alta temperatura (areia de silica 600 ~ 900
μm) e da sua característica de condutividade de calor.
• A incineração é fácil e de alta eficiência, sendo de fácil operação. • É possível a operação intermitente. Pelo fato de ter areia fluida, a
capacidade calorífica do forno é alta e é capaz de absorver oscilações de carga em curto tempo. Após a parada da operação, a queda da temperatura é lenta e mesmo apenas com a operação diurna, não há necessidade de operação noturna para a manutenção da temperatura.
•A incineração é feita em vários estágios de secagem e de
queima. Pelo fato da queima ser lenta, o controle da temperatura e de outros fatores torna a sua operação complexa.
• No sentido de proteger os tijolos do fundo do forno, a
regra básica é a operação contínua durante as 24 horas. No caso de efetuar a operação noturna para manutenção da temperatura com base em operação diurna com carga real, uma grande quantidade de combustível será necessária.
•
Pode ser aplicada a uma ampla faixa de característica de tortas.• Pode ser aplicada para uma faixa relativamente ampla de características de tortas.
• No caso de tortas com polímeros, pelo fato da
tempera-tura de incineração ficar muito alta, torna-se necessário tomar providências como a retirada parcial do gás da
incineração para a redução do calor.
• Pelo fato de não haver peças mecânicas no interior do
forno, são poucas as peças que precisam de substituição.
• A frequência de reparo de refratários do interior do forno é
baixa comparado com o forno de múltiplos estágios (da ordem de uma vez a cada 5 ~ 10 anos).
• A inspeção periódica deve ser feita aprox. 1 vez a cada ano. • Quando a mídia de calor se torna fina devido ao atrito, este
pode saltar para fora do forno e por isso torna-se necessário repor a mídia de acordo com a necessidade.
• Há necessidade de trocar os braços raspadores e os
dentes 1 vez a cada 3 ~ 5 anos.
• Dependendo, há necessidade de substituição dos tijolos
do fundo do forno (do segundo estágio de incineração) a cada 3 ~ 5 anos.
• Efetuar a inspeção periódica aprox. 1 vez a cada ano.
• Como é triturado devido à fluidez da areia, é incinerado
totalmente virando um pó fino.
• Quase não deixa resto sem incineração.
• Pelo fato de ser um processo silencioso de incineração, torna-se um
aglomerado de pó facilmente transformado em cinza microscópica.
• A parte não incinerada é pequena (menos de 5%).
• Como a capacidade calorífica interna do forno é grande, é resistente às
Forno de carbonização（１）
・
A carbonização é uma técnica de decomposição por calor e é
utilizada desde os anos a.C. para produzir carvão vegetal e
outros.
・
Aquecendo-se o lodo em situação de pouco oxigênio, começa
a decomposição por calor e após liberar o gás de
decomposição dos componentes não-carbônicos, forma-se a
substância carbonizada que possui o carbono como principal
componente.
・
A carbonização apresenta a possibilidade de novas formas de
utilização eficaz da substância carbonizada, podendo ser
Forno de Carbonização （２）
・A substância carbonizada é uma biomassa e o dióxido de carbono
que surge da combustão em termelétricas, por exemplo, possui a
característica neutra de não ser contabilizado como gás de efeito
estufa.
・
No Japão, ainda são poucos os exemplos de utilização de forno de
carbonização, ficando restrito apenas a 4 ETEs que têm como
objetivo a sua utilização como alternativa ao carvão mineral.
・
Por outro lado, há ETEs que estão sendo planejadas ou em
construção principalmente em grandes metrópoles, havendo
perspectiva de aumento de exemplos de sua adoção.
・
O ponto importante para a sua adoção consiste em assegurar um
local de destinação estável para a substância carbonizada.
Fornecimento para
a demanda
residencial
発電
Centro de Tratamento de Água da Região Leste de Kinuura
Usina Termelétrica de Hekinan
Transformação do lodo de esgoto em combustível sólido
○
Numa operação conjunta com a empresa de energia elétrica, foi efetuada a utilização
do lodo carbonizado como combustível alternativo ao carvão em usinas termelétricas.
○
Neste exemplo foi aproveitado o fato da ETE ser vizinha à usina termelétrica.
Combustível sólido
（2.700 t/ano）
Instalação para transformação em combustível（capacidade de tratamento: 100t/dia）
Eletricidade
（4,6 milhões kWh/ano）
※※Quantidade presumida de energia elétrica gerada através do combustível sólido de lodo de esgoto. Equivalente ao consumo de 1.270 residências comuns.
A operação e manutenção da
instalação, bem como a compra
e venda do combustível sólido é
feita pela "Aichi Kinuura Bio
S.A."
Redução da quantidade em cerca de 4.000 t na instalação de transformação em combustível Redução da quantidade em cerca de 4.000 t na usina termelétricaRedução da
quanti-dade total em cerca
３．１ Resumo da utilização eficaz do
lodo de esgoto
３．
Utilização eficaz do lodo de
esgoto no Japão
Situação atual do descarte do lodo de esgoto e a sua
utilização eficaz
⃝
Aumento da utilização eficaz do lodo de esgoto, redução do descarte em aterro sanitário
⃝
Aumento da utilização em material de construção, principalmente cimento.
Utilização do lodo de esgoto como matéria prima
para cimento
Principais componentes do cimento
Fe
2
O
3
Escória do alto-forno
Cinza de
Cinza de
incinera
incinera
ç
ç
ão
ão
SiO
SiO
2
2
CaO
CaO
Al
Al
2
2
O
O
3
3
Sílica
Calcário
Argila
Recursos
naturais
（
alternativa aos
recursos naturais）
Diferença entre a região de Kansai e Kanto
Fábricas de cimento
Na região de Kansai há aterros sanitários que podem ser
utilizados até o ano 2027.
Na região de Kanto não
há aterros sanitários
suficientes, mas há
muitas fábricas de
３．２ Utilização energética do lodo de
esgoto
Situação da utilização energética do lodo de esgoto
Metas e resultados do Terceiro Plano de Prioridade ao
Investimento Social (decisão ministerial de agosto de 2012)
Ano 2010
→
Ano 2016
Utilização energética do lodo de esgoto
O índice de transformação do lodo em energia foi
estabelecido como indicador.
※O índice de transf. em energia é a parcela
energética devido aos compostos orgânicos do lodo
que pode ser utilizada para geração elétrica, por
exemplo.
○ Pelo fato de cerca de 80% do lodo de esgoto ser
constituído por biomassa, promove-se a sua
utilização energética aproveitando a sua
característica como biomassa.
○ Por outro lado, a situação atual é de
aproveita-mento de cerca de 13%, necessitando de uma
promoção ainda maior.
＜
Índice de transformação do lodo de esgoto em energia＞
消化ガス
12.0%
汚泥燃料
1.1%
緑農地利用
10.6%
バイオマスと
して未利用
76.4%
（Volume total de biomassa do lodo de
esgoto: 1,81 milhões de toneladas）
（ano 2010）
Utiliz. energética
Combustível
de lodo
Ainda não utilizado
como biomassa
Gás de
digestão
Tecnologia de recuperação de energia a partir
do lodo de esgoto
Digestor anaeróbio
Motor a gás
Turbina a gás
Célula combustível
Lodo carbonizado
○
No município de Saga, cerca de 20% do gás de digestão é utilizado como combustível para
elevar a temperatura do digestor e os 80% restantes são queimados.
○
Foi introduzido um sistema de co-geração com a utilização do motor a gás de pequeno
porte capaz de suprir cerca de metade da necessidade de energia elétrica da ETE.
○
Controlando-se o número de motores de acordo com o volume de gás, consegue-se efetuar
uma operação otimizada (25 kW x 16 unidades).
Introdução de geração elétrica de pequeno
porte a gás de digestão
ETE
消化槽
Tanque
digestor
Metano
60%
Fornecimento de gás de rua
Biogás Refinado
Biogás
Residência
Injeção direta na tubulação do gás de rua
＜
12/Out/2010＞
Utilidades Públicas do Gás
Compra de biogás
altamente refinado
Fornecimento como
gás de rua
Refino ainda maior
do “biogás refinado”
Tubulação
de gás
Fornecimento de gás
de rua
Criação de uma sociedade de baixo carbono e baseada na reciclagem
Remoção
dos traços
constituintes
Ajuste do
valor
calorífico
Ac
ré
sc
im
o
de
o
do
r
Combustível para veículos
Combustível para veículos a
gás natural （cidade de
Kobe ）
Refinaria de Biogás
Combustível suplementar para
aquecimento e geração elétrica
Utilização eficaz do biogás pela cidade de Kobe
Lo
do
Metano
97%
Posto de biogás
Bio
gá
s R
efin
ad
o
３．３ Utilização agrícola do lodo de
esgoto
Valores permitidos de metais pesados em
adubos provenientes do lodo de esgoto
○
A legislação estabelece os valores permitidos para 6 tipos de metais
pesados em adubos provenientes de lodo de esgoto.
Valores permitidos (mg/kg)
Arsênico
50
Cádmio
5
Mercúrio
2
Níquel
300
Cromo
500
Metal pesado
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
セ
メ
ン
ト
化
量
(千
D
S
-t/
年
)
焼却灰
その他
Situação da utilização do lodo de esgoto como
material de construção ou uso agrícola
Volume do lodo de esgoto transformado em adubo
Volume do lodo transformado em cimento
・
O volume do lodo é o de
sólidos secos na geração
・
O estado do lodo é o seu
estado final.
・汚泥量は発生時DS
・汚泥形態は最終形態
時
Lodo
desaguado
Compost
o
Lodo
seco
Outros
○ Está havendo aumento gradual no uso agrícola, principalmente como composto. Está assegurado o seu uso estável.
○ Na transformação em cimento, houve um rápido aumento do seu uso, aproveitando-se a característica da indústria cimenteira de
conseguir processar de forma estável grandes quantidades de material de descarte. Entretanto, nos últimos anos o seu volume tem
se mantido estável.
○ Na utilização como material de construção exceto o cimento, tem sido reutilizado como material proveniente de aterro ou como
material estrutural leve.
・
O volume do lodo é o
de sólidos secos na
geração.
・
O estado do lodo é o
seu estado final.
OutrosCinza de incineração
