Secagem e higienização térmica do lodo de esgoto a partir do aproveitamento do biogás produzido em reatores UASB

Abstract

Resumo: Embora o lodo apresente quantidades significativas de matéria orgânica e nutrientes, o que lhe confere um potencial insumo a ser empregado como biossólido na agricultura, o lodo é também caracterizado por conter elevados teores de água e microrganismos patogênicos. Dessa forma, torna-se indispensável, para tal destinação, a aplicação de processos de redução do teor de umidade e de higienização. Dentre as possibilidades existentes destacam-se os sistemas de secagem térmica do lodo. Devido aos elevados custos operacionais da secagem térmica, estando esses atrelados majoritariamente à demanda energética do processo, destaca-se que o emprego do biogás produzido em ETEs com reatores UASB vem sendo encarado como uma prática sustentável que pode fomentar o emprego dessa tecnologia. Diante do exposto, o objetivo geral apresentado na presente tese foi avaliar a potencialidade do aproveitamento energético do biogás produzido em reatores anaeróbios e verificar a eficiência do processo de secagem e higienização térmica do lodo de esgoto produzido em diferentes portes de ETEs. Para tanto, três objetivos específicos foram avaliados, sendo eles: (a) avaliar os diferentes modelos matemáticos de estimativa de produção de biogás em reatores UASB disponíveis na literatura; (b) investigar o desempenho de um secador térmico de lodo movido a biogás em ETEs de grande porte; e (c) investigar o desempenho de um sistema simplificado de secagem e higienização térmica do lodo para ETEs de pequeno e médio porte. A metodologia empregada para validação dos modelos matemáticos de produção de biogás pautou-se na comparação das estimativas realizadas com a mensuração real e in-loco do biogás produzido em uma ETE. Os resultados obtidos apontaram que dependendo do modelo matemático empregado a quantidade real de produção de biogás em reatores anaeróbios pode ser superestimada em até 2,6 vezes quando desprezadas todas as rotas de conversão da matéria orgânica e perdas de metano dentro do reator. Tratando-se do segundo objetivo específico, um secador térmico piloto do tipo tambor rotativo, movido a biogás, foi instalado em uma ETE de grande porte. Os resultados evidenciaram que o secador reduziu em aproximadamente 80% a massa dos diferentes tipos de lodos avaliados, aumentando a concentração de sólidos totais (ST) nesses materiais de 20 para 80%. Os valores da demanda energética do secador para remoção de 1 kg de água presente nos diferentes tipos de lodos variaram de 1.195 a 1.323 kcal. Adicionalmente, as características microbiológicas do biossólido produzido evidenciaram a possibilidade de seu emprego agrícola. Para realização do último objetivo específico da tese, um protótipo de leito de secagem convencional modificado, do tipo piso radiante, foi instalado em uma ETE para higienizar e secar o lodo de esgoto. Para garantir o aquecimento do piso e, consequentemente, do lodo depositado sobre ele, uma serpentina de cobre foi responsável por conduzir a água aquecida de um coletor solar e uma resistência elétrica. A operação ininterrupta do piloto ao longo de 3 dias possibilitou que o lodo atingisse valores de temperaturas superiores a 54 °C, garantindo, dessa forma, a higienização do material e a possibilidade de seu emprego agrícola. Verificou-se ainda que o sistema piloto foi responsável por elevar o teor de ST no lodo de 4,2 % para 86,5 %, em um período de aproximadamente 15 dias. Por fim, acredita-se que os resultados levantados na presente tese deverão fomentar discussões importantes para o aproveitamento energético do biogás e a secagem térmica de lodo no Brasil, impulsionando o setor de saneamento para um desenvolvimento mais sustentável, socialmente justo, ambientalmente correto, sanitariamente seguro e economicamente viável

Abstract: Although the sludge presents significant amounts of organic matter and nutrients, which gives it a potential input to be used as biosolids in agriculture, sludge is also characterized by containing high levels of water and pathogenic microorganisms. Therefore, it is essential, for this purpose, to apply processes to reduce moisture content and hygiene. Among the existing possibilities, thermal sludge drying systems stand out. Due to the high operational costs of thermal drying, which are mainly linked to the energy demand of the process, it is noteworthy that the use of biogas produced in STPs with UASB reactors has been seen as a sustainable practice that can promote the use of this technology. The general objective presented in this thesis was to evaluate the potential for energy use of biogas produced in anaerobic reactors and to verify the efficiency of the drying and thermal hygiene process of sewage sludge produced in different sizes of STPs. Three specific objectives were raised: (a) evaluate the different mathematical models for estimating biogas production in UASB reactors available in the literature; (b) investigate the performance of a biogas-powered thermal sludge dryer in large STP; and (c) investigate the performance of a simplified sludge drying and thermal sanitation system for small and medium-sized STP. The methodology used to validate the mathematical models of biogas production available in the literature was based on the comparison of the estimates made with the real and on-site measurement of the biogas produced in an STP. The results obtained showed that depending on the mathematical model used, the real amount of biogas production in anaerobic reactors can be overestimated by up to 2.6 times when all organic matter conversion routes and methane losses within the reactor are ignored. In the case of the second specific objective, a pilot thermal dryer of the rotating drum type, powered by biogas, was installed in a large STP. The results showed that the dryer reduced the mass of the different types of sludge evaluated by approximately 80%, increasing the concentration of total solids (TS) in these materials from 20 to 80%. The energy demand values of the dryer to remove 1 kg of water present in different types of sludge ranged from 1,195 to 1,323 kcal. Additionally, the microbiological characteristics of the biosolids produced highlighted the possibility of its agricultural use. To achieve the last specific objective of the thesis, a modified conventional drying bed prototype, of the radiant floor type, was installed in a STP to sanitize and dry sewage sludge. To ensure heating of the floor and, consequently, of the sludge deposited on it, a copper coil was responsible for conducting the heated water from a solar collector and an electrical resistance. The uninterrupted operation of the pilot over 3 days allowed the sludge to reach temperatures above 54 °C, thus guaranteeing the hygiene of the material and the possibility of its agricultural use. It was also found that the pilot system was responsible for increasing the TS content in the sludge from 4.2% to 86.5%, in a period of approximately 15 days. Finally, it is believed that the results raised in this thesis should encourage important discussions for the energy use of biogas and the thermal drying of sludge in Brazil, driving the sanitation sector towards a more sustainable, socially fair, environmentally correct, sanitary development safe and economically viable