Avaliação de sistemas térmicos de secagem e higienização como uma alternativa sustentável para a gestão do lodo de esgoto e biogás

Abstract

Resumo: A gestão do lodo de esgoto representa um dos principais desafios técnicos, ambientais e energéticos do setor de saneamento, especialmente diante da necessidade de reduzir volumes, assegurar higienização, recuperar energia e ampliar as possibilidades de valorização do resíduo. Nesta tese, avaliou-se a sustentabilidade de sistemas térmicos de secagem e higienização do lodo de esgoto, articulando abordagens experimentais, operacionais e ambientais. O estudo foi estruturado em quatro etapas inter-relacionadas: investigação, em escala de bancada e piloto, da influência do pré-tratamento térmico brando sobre a desaguabilidade do lodo anaeróbio, com vistas à proposição do Sistema Térmico de Higienização do Lodo (STHIL) para ETEs de pequeno porte; elaboração do inventário de produção de lodo e biogás em uma ETE de grande porte dotada de reatores UASB; monitoramento operacional de um secador rotativo em escala plena; e avaliação ambiental de diferentes rotas de gestão do lodo e do biogás por meio da Avaliação do Ciclo de Vida (ACV). Os resultados mostraram que o pré-tratamento térmico alterou o comportamento físico do lodo, reduzindo sua viscosidade aparente e tixotropia. Em bancada, a condição de 70 °C apresentou o melhor desempenho por centrifugação, com incremento de 15,21% no teor de sólidos da torta, enquanto, em escala piloto, o aquecimento favoreceu a liberação inicial de água, sem promover ganhos consistentes na eficiência global de desaguamento em leitos, embora sem prejuízo técnico-operacional relevante. Na ETE estudada, a baixa eficiência dos reatores UASB limitou a produção de biogás e o potencial de recuperação energética. Ainda assim, em condições reais de operação, a integração entre biogás e lodo seco permitiu suprir aproximadamente 97% da demanda térmica do secador. O lodo seco produzido apresentou cerca de 88,8% de sólidos totais, estabilidade, conformidade microbiológica compatível com biossólido Classe A segundo a regulamentação brasileira e atributos agronômicos relevantes, embora sua valorização agrícola em maior escala esteja condicionada ao controle do zinco associado aos insumos empregados no tratamento físico químico do esgoto. O secador operou com consumo específico real de calor de 3,89 MJ/kg de água removida, compatível com sistemas em escala plena, e as emissões atmosféricas mantiveram-se em conformidade com a legislação aplicável, inclusive nas condições de co combustão com lodo seco. A ACV indicou que os sistemas térmicos avaliados constituem alternativa ambientalmente promissora em relação à rota convencional, com destaque para as configurações que combinam recuperação energética do lodo seco e aproveitamento agrícola das cinzas. Em conjunto, os achados demonstram que a secagem térmica, analisada de forma integrada sob os enfoques operacional, energético e ambiental, configura uma rota tecnicamente consistente e ambientalmente favorável para a gestão sustentável do lodo de esgoto

Abstract: Sewage sludge management is one of the main technical, environmental, and energy-related challenges in the sanitation sector, particularly in view of the need to reduce volumes, ensure hygienization, recover energy, and expand opportunities for sludge valorization. This thesis evaluated the sustainability of thermal drying and hygienization systems for sewage sludge by integrating experimental, operational, and environmental approaches. The study was structured into four interrelated stages: investigation, at bench and pilot scales, of the influence of mild thermal pretreatment on the dewaterability of anaerobic sludge, aiming at the proposition of the Thermal Sludge Hygienization System (STHIL) for small wastewater treatment plants; development of an inventory of sludge and biogas production in a large-scale wastewater treatment plant equipped with UASB reactors; operational monitoring of a full-scale rotary dryer; and environmental assessment of different sludge and biogas management routes through Life Cycle Assessment (LCA). The results showed that thermal pretreatment altered the physical behavior of the sludge, reducing its apparent viscosity and thixotropy. At bench scale, the condition of 70 °C provided the best centrifugation performance, with a 15.21% increase in cake solids content, whereas at pilot scale the heating favored the initial release of water, without promoting consistent gains in overall dewatering efficiency in drying beds, although without relevant technical-operational impairment. In the studied wastewater treatment plant, the low efficiency of the UASB reactors limited biogas production and energy recovery potential. Even so, under real operating conditions, the integration of biogas and dried sludge supplied approximately 97% of the dryer thermal demand. The dried sludge produced showed about 88.8% total solids, stability, microbiological compliance compatible with Class A biosolids according to Brazilian regulations, and relevant agronomic attributes, although its broader agricultural valorization depends on controlling zinc associated with the inputs used in physicochemical wastewater treatment. The dryer operated with an actual specific heat consumption of 3.89 MJ/kg of water removed, compatible with full-scale systems, and atmospheric emissions remained compliant with the applicable legislation, including under sludge co-combustion conditions, although this led to increased emission rates of total particulate matter and NO2. The LCA indicated that the evaluated thermal systems constitute an environmentally promising alternative to the conventional route, especially the configurations combining energy recovery from dried sludge with the agricultural use of ashes. Overall, the findings demonstrate that thermal drying, when assessed from integrated operational, energy, and environmental perspectives, represents a technically consistent and environmentally favorable route for sustainable sewage sludge management