II-085 SECAGEM TÉRMICA DE BIOSSÓLIDOS NA REGIÃO METROPOLITANA DE SÃO PAULO

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1 II-085 SECAGEM TÉRMICA DE BIOSSÓLIDOS NA REGIÃO METROPOLITANA DE SÃO PAULO Airton Checoni David (1) Engenheiro da Superintendência de Pesquisas e Desenvolvimento Tecnológico da Sabesp. Engenheiro Mecânico pela Escola Politécnica da USP (1981). Especialização em Engenharia em Saúde Pública e Ambiental pela FSP-USP (1996). Mestrando em engenharia pela Escola Politécnica da USP. Milton Tomoyuki Tsutiya Gerente de pesquisas da Superintendência de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico da Sabesp. Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP (1975). Mestre em Engenharia pela Escola Politécnica da USP (1983). Doutor em Engenharia pela Escola Politécnica da USP (1989). Professor do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP. Endereço (1) : ): Rua Gonçalo Zarco, 20, Vila Aquilino, Santo André, SP, CEP , telefone: (0xx11) , fax: , adavid@sabesp.com.br. RESUMO A previsão de produção de lodos das cinco estações de tratamento de esgotos da RMSP operadas pela Sabesp, segundo o plano diretor de lodos, é de 748 toneladas em base seca por dia para o ano de 2015, já no ano de 2005 a produção deverá atingir 540 toneladas por dia. Foram estudadas várias possibilidades de destinação final desse material e verificou-se que apenas a utilização de aterro sanitário exclusivo para recepção dos lodos e a utilização agrícola se apresentavam como alternativas capazes de absorver as quantidades de lodos geradas nas ETEs. A aplicação dos lodos na agricultura é a forma que pode ser considerada como a mais adequada em termos técnicos, econômicos e ambientais, desde que convenientemente aplicada, e a operação de secagem térmica proporciona ao material as características necessárias para essa conveniência em termos de segurança e praticidade. A tecnologia de secagem térmica adotada pressupôs a produção de biossólidos secos e granulados, com teores de sólidos superiores a 90%, assegurando-se a eliminação de organismos patogênicos de modo a possibilitar sua classificação como biossólido classe A. Os metais pesados presentes nos lodos constituem seu principal aspecto poluidor, uma vez que não são removidos pelos tratamentos biológicos, entretanto, seu controle pode ser feito mediante a adoção de uma política voltada para o gerenciamento das descargas industriais assegurando-se assim seu enquadramento dentro dos limites seguros para aplicação na agricultura. Nem todo o lodo produzido poderá ser aplicado na agricultura, aqueles originados nas ETEs localizadas em áreas de maior concentração industrial, e portanto com concentrações de metais pesados acima dos limites serão destinados a aterro sanitário exclusivo. Os custos envolvidos revelaram-se variáveis em função da intensidade do aproveitamento dos biossólidos para uso agrícola, quanto maior seu aproveitamento, menor o custo médio marginal da disposição dos lodos. PALAVRAS-CHAVE:, Secagem, Secagem térmica, Lodo, Biossólido. INTRODUÇÃO A disposição final dos biossólidos produzidos nas ETEs da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), até o presente tem sido feita nos aterros sanitários da Prefeitura Municipal de São Paulo (PMSP) juntamente com os resíduos sólidos urbanos, essa solução é decorrente de um convênio entre a Sabesp e a PMSP, segundo o qual a PMSP recebe em seus aterros sanitários os resíduos sólidos das ETEs da Sabesp e esta recebe e trata o chorume produzido nos aterros sanitários. Entretanto, essa solução é temporária pois não comporta os novos volumes em constante crescimento sobretudo com a implantação das novas estações de tratamento inauguradas em A utilização de aterros exclusivos, solução visualizada no desenvolvimento do Plano ABES Trabalhos Técnicos 1

2 Diretor de Esgotos Sanitários da RMSP (COPLADES/1988), também se mostra insuficiente face às escassas áreas disponíveis na região. A busca de alternativas de menor custo e impacto ambiental tem conduzido a outras direções. A utilização do lodo na agricultura, prática já adotada na Europa, Estados Unidos e Japão há algum tempo, e recentemente iniciada no Brasil tem se mostrado uma alternativa apropriada do ponto de vista econômico e ambiental. O Plano Diretor de Uso/Disposição de Lodos das ETEs da RMSP, em sua alternativa denominada Aproveitamento dos lodos Uso Agrícola, recomenda a utilização de centrais de secagem térmica e aterro sanitário exclusivo como solução de custo otimizado frente à alternativa de destinação final exclusivamente para aterro sanitário. Entretanto, para tornar possível o uso agrícola intensivo dos biossólidos produzidos na RMSP deverá ser solucionado o problema de metais pesados nos biossólidos através do controle adequado dos efluentes das indústrias, que muitas vezes tem ultrapassado os limites recomendados pela norma norte americana EPA 40 CFR Part 503, e norma CETESB P para o uso agrícola. Além disso, devido aos custos de transporte é imprescindível a diminuição da umidade através da secagem, pois as áreas agrícolas com potencial para receber os biossólidos produzidos estão distantes da RMSP. PRODUÇÃO DE BIOSSÓLIDOS NA RMSP O sistema principal de esgotamento sanitário da RMSP, que abrange a área central, mais densamente povoada, é constituido de cinco sistemas de tratamento de esgotos com as ETEs: Suzano, Barueri, ABC, São Miguel e Parque Novo Mundo. As duas primeiras foram implantadas em 1982 e 1988 respectivamente, as demais foram inauguradas em Cada sistema de tratamento gera lodos com características próprias devido a diferentes tipos e concentrações de indústrias em sua área de abrangência. Atualmente, a produção total de lodos das cinco ETEs situa-se em torno de 300 toneladas por dia em tortas desidratadas em filtro prensa, com teores de sólidos entre 30 e 40%. Segundo o Plano Diretor de Lodos da RMSP, a produção de lodos das cinco estações de tratamento de esgotos da Sabesp deverá atingir a marca de 748 toneladas por dia em base seca no ano de 2015, final do plano de estudo, já no ano de 2005 a produção deverá atingir 540 toneladas por dia. A tabela 1 apresenta a evolução dessa produção até o final do plano. Tabela 1 Estimativa de produção de biossólidos nas ETEs da RMSP ANO PRODUÇÃO DE BIOSSÓLIDOS EM BASE SECA (t/d) Barueri Suzano ABC S.Miguel P.N.Mundo Total ,18 13,87 47,16 23,22 77,99 295, ,10 21,95 79,64 52,64 164,62 539, ,38 31,50 103,08 70,56 219,37 710, ,07 31,50 105,71 76,67 231,49 748,44 Fonte: Sabesp (1998) ALTERNATIVAS PARA DISPOSIÇÃO FINAL DE BIOSSÓLIDOS NA RMSP No Plano Diretor de Lodos da RMSP foram estudadas várias possibilidades de destinação final dos biossólidos e verificou-se que apenas duas delas se apresentam capazes de absorver as quantidades geradas pelas ETEs. As destinações factíveis são o aterro exclusivo para a recepção de lodos e o uso agrícola, como alternativa e benéfica. As demais possibilidades seriam viáveis para cidades de pequeno porte e com situações particulares que as viabilizassem. 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 A solução estruturada para a destinação dos biossólidos produzidos na RMSP foi a aplicação da tecnologia de secagem térmica em percentual significativo da produção de maneira a viabilizar a utilização benéfica dos biossólidos na agricultura. Foi assim preconizada a implantação de duas centrais de secagem técnica (CST), a serem implantadas em uma primeira etapa na ETE São Miguel, e posteriormente na ETE Barueri. O aterro sanitário exclusivo deverá receber assim uma parte dos lodos na forma de tortas desidratadas provenientes das ETEs situadas nas regiões de maior concentração industrial, e o excedente dos biossólidos secos e granulados rejeitados para o uso agrícola. A alternativa de incineração somente será necessária se fracassadas todas as alternativas de uso benéfico dos biossólidos. A figura 1 apresenta as alternativas estudadas para destinação final dos biossólidos da RMSP. Figura 1 - Alternativas de disposição final de biossólidos para a RMSP. Fonte: Sabesp, SISTEMA DE SECAGEM Um sistema de secagem térmica é um conjunto complexo de equipamentos do qual o secador é apenas um dos componentes, embora o essencial. É constituído por: silos de armazenagem dos biossólidos desidratados e secos, sistemas de alimentação e mistura, queimador de combustível, condensador para lavagem de gases e remoção de pó, sistemas de controle de odores, e equipamentos para transporte ou transferência dos biossólidos entre os diversos componentes. A secagem térmica é um processo relativamente caro pois além de envolver a utilização de combustível para geração de calor necessita de mão de obra especializada para manuseio e controle. Os processos de desidratação mecânica permitem obter teores de sólidos na faixa de 20 a 30%, podendo-se chegar a 40% com a utilização de cal, com a aplicação de secagem térmica pode-se obter teores de sólidos da ordem de 90 a 95%, o que reduz significativamente os pesos para transporte. A geração de calor para o aquecimento do biossólido é conseguida pela queima de combustível que pode ser: gás natural, biogás, óleo combustível ou uma combinação entre eles. A escolha da fonte de energia deve ser feita com bastante critério, procurando-se a mais eficiente em termos de custo, uma vez que o processo consome grandes quantidades de energia, e o custo e a disponibilidade desses combustíveis podem mudar com o tempo. É desejável portanto, que o sistema seja capaz de operar com mais de uma fonte de energia. A energia requerida pelo processo pode variar bastante em função da umidade inicial do lodo, do tipo de secador empregado, da existência ou não de sistemas de recuperação de energia, e do teor de sólidos que se deseja para o biossólido seco. De um modo geral, pode-se dizer que a quantidade de energia necessária para ABES Trabalhos Técnicos 3

4 evaporar a água contida no lodo é da ordem de 800 a 1000 kcal/kg de água evaporada. Tomando-se como valor médio de consumo específico de energia 900 kcal/kg de água evaporada, pode-se dizer que para um lodo com teor de sólidos de 30%, que se deseja secar para 90% o consumo de energia será da ordem de 2000 kcal por kg de lodo em base seca. O preço do gás natural é variável em função do consumo mensal, tomandose um valor médio de R$ 0,50 por metro cúbico chega-se a um custo de combustível da ordem de 110 Reais por tonelada do material seco. O teor de sólidos do material desidratado é o fator de maior importância no custo de secagem, quanto maior a umidade inicial do lodo, maior a necessidade de energia para sua evaporação e maior será a quantidade de combustível para a operação. Fazendo-se a mesma análise anterior, porém, partindo-se de um lodo com teor de sólidos inicial de 25%, chega-se a um custo de combustível de aproximadamente 140 Reais por tonelada seca e partindo-se de um lodo com teor inicial de sólidos de 20%, os custos com combustível ultrapassam 180 Reais por tonelada do material seco. O biogás produzido nos digestores anaeróbios de sistemas convencionais de tratamento por lodos ativados, que é composto basicamente por metano e gás carbônico, possui um poder calorífico de 5000 a 5500 kcal por metro cúbico, o aproveitamento dessa energia é um fator de extrema importância na diminuição dos custos operacionais de secagem. CLASSIFICAÇÃO DE SECADORES Os equipamentos para secagem podem ser classificados de diferentes formas, as mais úteis são quanto ao modo de transferência de calor para os sólidos úmidos, e quanto às características de manipulação e às propriedades físicas do material úmido. Quanto à forma de transferência de calor, os secadores podem ser classificados em diretos e indiretos. Nos secadores diretos o material entra em contato direto com o meio de seca, ar quente, gases de combustão e vapor superaquecido, que serve como fonte de calor para conduzir o processo de secagem. Nos secadores indiretos o lodo permanece separado do fluido de transferência de calor, que pode ser vapor saturado ou óleo térmico, não há contado do fluido quente com o lodo diretamente. Isso constitui uma vantagem quanto à geração de gases e odores. Existem vários tipos de equipamentos disponíveis no mercado para secagem térmica, muitos deles têm sido propostos para secagem de biossólidos gerados em ETEs. Entre eles pode-se destacar os seguintes: SECADORES ROTATIVOS: É um dos tipos de secadores mais empregados para secagem de lodos biológicos, podem ser do tipo direto ou indireto. São constituídos por um ou mais cilindros rotativos onde o biossólido é deslocado continuamente ao longo da sua geratriz inferior pela ação de pás direcionadoras presas na face interna do cilindro que também promovem o revolvimento do material. No secador do tipo direto o lodo entra em contato com uma corrente de ar quente ao longo de seu percurso, o que promove a evaporação da água. O fluxo de ar quente pode ser em contracorrente ou em corrente em relação ao fluxo de lodo, no de fluxo em corrente, o lodo é mais rapidamente aquecido próximo à entrada, o que diminui a perda de calor para a estrutura do secador aumentando assim sua eficiência térmica, e a temperatura do lodo próximo à descarga é menor, o que diminui a produção de odores e a perda de energia com a descarga do lodo muito aquecido. SECADORES TRANSPORTADORES DE ESTEIRA: São secadores contínuos a circulação permanente, operam com o princípio da passagem de ar quente através de um leito permeável de material úmido. São constituídos por uma ou mais esteiras transportadoras posicionadas horizontalmente dentro de uma caixa metálica isolada termicamente. O lodo é distribuido em uma fina camada sobre a superfície da esteira transportadora que se desloca dentro da câmara de secagem. O ar quente atravessa a esteira e a camada de lodo aquecendo-o e retirando a umidade nele contida 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 SECADORES A TRANSPORTE PNEUMÁTICO: Conhecido também como flash dryer, consiste de um longo tubo vertical através do qual o biossólido é arrastado para cima por uma corrente de ar quente enquanto sua umidade é transferida para o meio de seca. Os lodos úmidos são misturados com lodos secos em um misturador, triturados e pulverizados na corrente de gás quente que evapora a água das partículas de lodo rapidamente enquanto o arrasta pelo tubo até o ciclone que separa os sólidos dos gases. Do ciclone separador, o lodo seco é conduzido para os silos de armazenagem, e parte é recirculado no processo, os gases passam ainda por filtros de manga para retirada dos finos antes de serem liberados para a atmosfera. SECADORES DE SOLEIRAS MÚLTIPLAS: Consiste de um tubo cilíndrico vertical contendo várias soleiras anulares e horizontais montadas umas sobre as outras. O biossólido é despejado na parte superior do equipamento e arrastado para fora e para dentro nas soleiras sucessivamente até a saída na parte inferior. O calor é transferido para o material através das soleiras, que são aquecidas por óleo térmico ou vapor. O material seco é descarregado na parte inferior do equipamento em uma tremonha e transportado para os silos de armazenamento, uma parte é recirculada no secador, misturada com o lodo úmido na entrada para iniciar a formação de novos grânulos. O formato final dos biossólidos secos nesse equipamento constitui um fator de muita importância para a aplicação na agricultura. ALTERNATIVA ADOTADA NA SABESP A Sabesp, seguindo as diretrizes do Plano Diretor de Lodos, está implantando um secador peletizador do tipo indireto de soleiras múltiplas com capacidade de evaporação de água de 6 toneladas por hora. Esse equipamento já se encontra instalado na ETE São Miguel, foi dimensionado para compor um sistema de manipulação que será responsável pela secagem e granulação dos biossólidos das ETEs São Miguel, Parque Novo Mundo e Suzano. Nesse sistema, os silos de armazenagem dos lodos úmidos e secos são separados para cada ETE, para permitir total controle da origem e destino dos materiais processados. A energia térmica para a secagem é proveniente da queima de combustível em uma caldeira que aquece óleo térmico, e este é circulado através das bandejas para transferir o calor ao lodo e promover a evaporação da água. O combustível a ser utilizado é o gás natural, com possibilidade de utilização do biogás produzido na ETE São Miguel. Uma característica considerada importante nessa operação é a possibilidade de secagem e granulação realizadas como uma única etapa de processo. Os lodos desidratados provenientes dos silos de armazenagem são despejados em um misturador junto com o lodo seco recirculado, com essa mistura forma-se uma nova camada de lodo úmido em volta do grânulo já formado na passagem anterior aumentando assim seu tamanho. Em seguida o grânulo passa sobre as superfícies aquecidas da bandeja para evaporação da umidade, sendo revolvido continuamente até atingir a parte inferior do equipamento, de onde é encaminhado para um separador, se tiver atingido o tamanho desejado, 2 a 4 milímetros de diâmetro, seque para o silo de armazenagem final, senão é recirculado no processo. Os vapores são extraídos continuamente do secador por meio de um circulador de vapor, isso provoca a manutenção de uma leve pressão negativa em seu interior evitando-se o escapamento de vapores para a atmosfera. No condensador de contato direto os vapores são resfriados a uma temperatura de aproximadamente 50ºC e o líquido condensado é retornado à estação de tratamento de esgotos. CUSTOS ENVOLVIDOS Na formulação das alternativas de disposição dos lodos da RMSP, foram considerados todos os custos envolvidos, desde os de aquisição de área para implantação do aterro sanitário exclusivo, os operacionais ABES Trabalhos Técnicos 5

6 deste aterro, os de transportes entre as diversas unidades até os de implantação e operação das instalações de secagem e incineração. Os custos envolvidos nesse processo são variáveis conforme a intensidade da solução de aproveitamento dos lodos para uso agrícola e da intensidade das técnicas de secagem térmica e incineração praticadas. Quanto mais representativa for praticada a solução de uso agrícola, menor será o custo médio marginal da disposição dos lodos. A tabela 2 apresenta os custos médios marginais para o horizonte de projeto até 2015, levantados e atualizados para o ano de 1998 em Reais por tonelada seca de material: Tabela 2 Custos de disposição de lodos da RMSP ALTERNATIVA DESTINAÇÃO CUSTO (R$/TS) 1 Disposição em aterro sanitário exclusivo da totalidade dos lodos produzidos na forma de tortas desidratadas 2 Disposição em aterro sanitário exclusivo da totalidade dos lodos produzidos na forma de lodos secos e de cinzas de incineração 3 Uso agrícola dos lodos produzidos no sistema Parque Novo Mundo e aterro dos demais 4 Uso agrícola dos lodos produzidos nos sistemas Parque Novo Mundo e São Miguel, e aterro dos demais 5 Uso agrícola dos lodos produzidos nos sistemas Parque Novo Mundo, São Miguel e Barueri, e aterro dos demais Fonte: Sabesp (1998) 244,00 170,00 134,00 128,00 107,00 Os valores associados às alternativas de uso agrícola não levaram em consideração as receitas que poderão ser auferidas com a possível venda do biossólido. Estima-se que o valor agronômico médio do biossólido, face ao conteúdo de matéria orgânica, macronutrientes (NPK) e micronutrientes, situa-se em torno de R$ 30,00 por tonelada seca. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Com a utilização da secagem térmica os organismos patogênicos são destruídos e os sólidos totais presentes são mantidos praticamente inalterados. É um processo definido pela EPA - Environment Protection Agency como processo PFRP Processes to Further Reduction Pathogens, que pressupõe a eliminação de organismos patogênicos ao nível de detecção dos mesmos. Isso constitui um aspecto de fundamental importância para classificação dos biossólidos como classe A cuja aplicação na agricultura não tem nenhuma restrição. Os secadores rotativos e os de soleiras múltiplas são os que apresentam melhor capacidade de secagem e granulação em uma única operação, os transportadores de esteira conseguem proporcionar características semelhantes uma vez que o material é conformado antes da secagem, os do tipo flash dryer por formar material particulado precisam de nova operação de granulação, são melhores aplicáveis quando o produto será misturado com outros componentes para formação de fertilizante complexo. O produto final deve ter uma granulometria de 2 a 4 mm, sendo um fertilizante granulado complexo, com propriedade físicas e químicas semelhantes às dos fertilizantes químicos. O transporte, armazenamento e aplicação devem ser de forma semelhante, sem a necessidade de equipamento especial ou mudança na rotina e tecnologia de utilização pelos agricultores. O custo de implantação de um sistema de secagem térmica é bastante elevado, pois os equipamentos são sofisticados e caros, os custos operacionais também são altos principalmente porque envolvem a utilização de grande quantidade de combustível para geração de calor. A utilização do biogás gerado na ETE pode provocar diminuição significativa nesses custos, e a utilização do biossólido na agricultura pode ainda gerar 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 alguma receita, entretanto, o ponto de grande destaque nessa prática é o equilíbrio ambiental, a reciclagem de elementos no ambiente ao invés de acumulá-lo em aterros. A utilização do biossólido na agricultura é a melhor forma de reciclá-lo no ambiente, pois trata de devolver ao solo os micro e macro nutrientes dele retirados encerrando assim um ciclo de elementos na natureza. Além de ser a alternativa mais equilibrada do ponto de vista ecológico, foi verificada como a solução mais econômica para a RMSP. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. METCALF & EDDY, INC. Wastewater engineering: treatment, disposal, and reuse. 3 rd ed. McGraw- Hill, FROST, R.; POWLESLAND, C.; HALL, J.E.; NIXON, S.C.; IOUNG C.P. Review of sludge treatment and disposal techniques FOUST, A.S.; WENZEL L.A.; CLUMP, C.W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L.B. Princípios das operações unitárias. 2 nd.. ed. LTC Editora. 4. MCCABE, W.L.; SMITH, J.C.; HARRIOT, P. Unit Operations of Chemical Engineering. 4 th..ed. McGraw-Hill, PERRY, R.H.; CHILTON, C.H. Manual de Engenharia Química. 5 ª ed. Guanabara Dois. 6. CEEJ Consórcio ETEP-ESTATICA-JNS. Diretrizes para Implantação da Desidratação Mecânica nas ETE s PNM e SMG e Secagem Térmica na ETE SMG. Relatório do Contrato SABESP /93, Rev 3. Maio, CEEJ Consorcio ETEP-ESTATICA-JNS. Plano Diretor de Uso/Disposição dos lodos das ETEs da RMSP, Sabesp, Abril UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY EPA. Process design manual for sludge treatment and disposal, Washington : EPA, September WEF - Water Environment Federation; ASCE American Society of Civil Engeneers. Design of Municipal Wastewater Treatment Plants, Volume II, TSUTIYA, M. T. - Uso agrícola de biossólidos das estações de tratamento de esgotos sanitários. Revista Saneas, 9: , TSUTIYA, M.T. - Uso agrícola de biossólidos de estações de tratamento de esgotos sanitários do Estado de São Paulo. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 20 o, Rio de Janeiro, ABES. 12. TSUTIYA, M.T. Alternativas de disposição final de biossólidos gerados em Estações de Tratamento de Esgotos. Revista Saneas, 10; DAVID, A.C. Secagem Térmica de Biossólidos, Encontro Técnico AESabesp, Revista Saneas nº 11; São Paulo, ABES Trabalhos Técnicos 7