SISTEMA TÉRMICO DE HIGIENIZAÇÃO E SECAGEM DE LODO DE ESGOTO MOVIDO A ENERGIA SOLAR E BIOGÁS

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1 SISTEMA TÉRMICO DE HIGIENIZAÇÃO E SECAGEM DE LODO DE ESGOTO MOVIDO A ENERGIA SOLAR E BIOGÁS Luiz Gustavo Wagner 1,2, Gustavo Rafael Collere Possetti 3,4, Charles Carneiro³,4, Jair Urbanetz Junior² 1 Companhia de Saneamento do Paraná (Sanepar). Unidade de Serviços de Gestão Ambiental. Endereço: Rua Engenheiros Rebouças 1376, Rebouças, Curitiba PR, Brasil. 2 Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Departamento Acadêmico de Eletrotécnica. Endereço: Av. Sete de Setembro 3165, Rebouças, Curitiba PR, Brasil. 3 Companhia de Saneamento do Paraná (Sanepar). Assessoria de Pesquisa e Desenvolvimento. Endereço: Rua Engenheiro Antônio Batista Ribas 151, Tarumã, Curitiba PR, Brasil 4 Instituto Superior de Administração e Economia do Mercosul (ISAE). Programa de Mestrado Profissional. Endereço: Rua Visconde de Guarapuava 2943, Centro, Curitiba PR, Brasil. Resumo O lodo é um resíduo oriundo do tratamento de esgotos domésticos. Sua destinação final deve ser ambientalmente correta, sanitariamente segura e economicamente viável. Para tanto, o lodo deve ser submetido a um processo de higienização e secagem. A via térmica pode ser utilizada para tais fins e pressupõem o emprego de um sistema apto a transferir calor para o lodo a partir da transformação de insumos energéticos. Assim, o objetivo deste trabalho é apresentar os resultados do desenvolvimento de um sistema térmico de baixo custo concebido para higienizar e secar o lodo, em regime de batelada, a partir do aproveitamento da energia solar e da energia química acumulado no biogás proveniente do tratamento anaeróbio do esgoto. Um protótipo desse sistema foi construído e seu desempenho térmico e energético foi avaliado. Os resultados demonstraram que a energia solar promove o pré-aquecimento do sistema, proporcionando redução significativa no consumo de biogás. Verificou-se, ainda, que o sistema foi capaz de manter o lodo a ~67 C, após um dia de operação ininterrupta, promovendo sua higienização e proporcionando um incremento médio diário de ~9,3% em seu teor de sólidos totais. Logo, o sistema proposto é uma alternativa promissora para o tratamento de lodo em plantas de pequeno porte. Palavras-chave: Energia solar, biogás, lodo de esgoto, secagem térmica.

2 Abstract Sludge is a by-product from wastewater treatment plant. Its final destination must be ecofriendly, sanitary safe and economically feasible. For that, the sludge must be submitted to hygienization and drying process. Thermal via can be used for such purposes and depends on a system able to transfer heat for the sludge from the transformation of energetic inputs. The aim of this work is showing the results associated with the development of an low cost thermal system designed for hygienization and drying sludge, in a batch system, based on both solar energy and chemical biogas energy from sewage anaerobic treatment. A prototype was built and its thermal and energy performance was evaluated. Results showed that solar energy promotes pre-heating of the system, providing significant reduction in the biogas consumption. Additionally, the system was able to keep the sludge at ~67 C, after an uninterrupted operation during one day, promoting its hygienization and providing an average daily increase of ~ 9.3% in your content of total solids. Therefore, the proposed system is a promising alternative for sludge treatment in small size plants. Keywords: Solar energy, biogas, sewage sludge, thermal drying. 1. INTRODUÇÃO O lodo de esgoto é um subproduto do processo de tratamento de esgoto doméstico. Trata-se de um resíduo sólido rico em matéria orgânica e em nutrientes, porém concentrador de micro-organismos patogênicos. A disposição sanitária e ambientalmente segura desse material exige que esses micro-organismos presentes em sua composição sejam eliminados ou significativamente reduzidos por meio de um processo de higienização (POSSETTI et al., 2012). A utilização do biogás para higienização de lodos de esgotos já foi reportada na literatura e os resultados demonstraram que é possível utilizar o biogás para tais fins e que essa pode ser uma alternativa viável para estações de tratamento de esgotos de médio e pequeno porte (POSSETTI et al., 2012). No entanto, dependendo das características do esgoto e do porte da estação de tratamento de esgoto, a energia necessária para a higienização e secagem do lodo pode não ser suficientemente encontrada apenas na

3 recuperação do biogás gerado na ETE, necessitando de uma fonte de energia complementar (POSSETTI et al., 2013). Uma alternativa é a utilização da energia solar térmica, pois trata-se de uma fonte de energia pronto-disponível, sendo que seu uso induz a redução no consumo de energia primária, podendo ser combinada com quase qualquer sistema auxiliar de respaldo (ONUDI, 2013). Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo investigar a capacidade de higienização e de secagem de lodo de esgoto de um sistema térmico piloto, de baixo custo, com operação em batelada e movido a energia solar e biogás. 2. METODOLOGIA 2.1 Localização e características do sistema piloto O sistema piloto foi construído no pátio de uma ETE de médio porte localizada na cidade de Curitiba PR. O sistema piloto de higienização e secagem de lodo de esgoto, cujo desenho esquemático está representado na Figura 1, consiste em um protótipo de leito de secagem de lodo, constituído de um piso radiante, com área de 1 m² e construído em concreto na sua base apta a receber o lodo (Figura 2). Para que haja o aquecimento do piso, o protótipo é dotado de uma serpentina confeccionada com tubos de cobre de 15 mm de diâmetro, por onde circula água aquecida para transferir calor ao piso, que por sua vez transfere calor ao lodo de esgoto. Abaixo da serpentina foi instalada uma camada EPS e uma camada confeccionada com concreto leve, para atuarem como isolantes térmicos. O protótipo de leito de secagem foi construído em um laboratório de alvenaria e, portanto, protegido de intempéries. Para o funcionamento do sistema, a água da rede pública de abastecimento é enviada a um reservatório de 200 L e seu aquecimento é realizado por meio de sua circulação em um coletor solar, dotado de 15 tubos a vácuo, que direciona a água aquecida novamente ao reservatório térmico pelo processo de termossifão. A água aquecida é enviada ao protótipo com auxílio de uma bomba com potência de 67 W. Quando a energia solar não é suficiente para elevar a temperatura da água ao patamar desejado, é acionada uma resistência elétrica de W de potência que está acoplada ao reservatório térmico. A utilização da resistência elétrica teve a função de

4 mensurar a energia necessária para o aquecimento do sistema, a qual possuii equivalência direta com o volume necessário de biogás. Depois de aquecida, a água circula pelo protótipo de leito secagem, com auxílio da bomba, retornando ao reservatório térmico após trocar calor nas serpentinas, não havendo, dessa forma, consumo de água. Figura 1. Representação esquemática do sistema piloto (Os autores, 2015). O circuito hidráulico é constituído de tubos de cobre de 22 mm de diâmetro, revestidos com polietileno expandido para isolamento térmico. As tubulações externas foram revestidas com alumínio corrugado, acimaa da camada de polietileno expandido. No protótipo foram instalados sensores analógicos para monitorar a temperatura na base do piso radiante, no interior do piso à altura da serpentina (Figura 2) e a temperatura da água na entrada e na saída da serpentina. O sistema também conta com sensores de temperatura na entrada e saída do coletor solar e no pontoo de consumo do reservatório térmico.

5 Figura 2. Desenho esquemático do protótipo de leito de secagem vista em corte. (Os autores, 2015). Para monitorar a temperatura na massa de lodo foram instalados dois termopares do tipo K, os quais foram ligados a um módulo de aquisição de dados. O sistema também é constituído de um sistema de comando, para controlar a temperatura de operação do sistema e um medidor de energia elétrica, para quantificar a energia utilizada pela resistência elétrica. 3.2 Ensaios Ao todo foram realizados três ensaios para avaliar o funcionamento do sistema. Inicialmente, foi executado um ensaio com o sistema a vazio, ou seja, sem adição de lodo de esgoto no protótipo. Isso foi realizado com o objetivo de investigar o rendimento do sistema utilizando somente a energia solar, em dois dias distintos, sendo um dia nublado e outro dia ensolarado. O segundo ensaio ocorreu nas mesmas condições do primeiro, porém com a utilização da resistência elétrica simulando a energia do biogás, com o intuito de medir a quantidade requerida de energia e comparar o rendimento entre um dia nublado e um dia ensolarado. O terceiro ensaio consistiu em verificar a capacidade do sistema em higienizar e secar o lodo de esgoto. Para isso, o protótipo foi alimentado com lodo de esgoto oriundo do processo de tratamento de uma ETE com reatores UASB. O lodo foi coletado no pátio de cura, após passar por adensamento em centrífuga, o que resultou em um teor de sólidos inicial de 21,75%. O lodo foi depositado sobre o protótipo de leito de secagem em uma camada igualmente distribuída de 10 cm. Para monitorar a temperatura na massa de lodo, utilizaram-se dois termopares do tipo K, os quais foram instalados à uma altura igual a um terço da camada a partir da base do piso (3,3 cm) e ligados a um módulo de aquisição de dados que foi programado para registrar a temperatura a cada 30 segundos. Após a fixação dos termopares, o protótipo foi coberto com sacos plásticos para manter a umidade da massa de lodo. Com o protótipo coberto, deu-se início a circulação de água, que foi aquecida até 90 C e mantida nesse patamar por todo o restante do ensaio. O protótipo permaneceu coberto durante os três primeiros dias de ensaio, denominando-se este período como estágio de higienização. Após exatas 72 horas, as

6 coberturas plásticas foram retiradas, permanecendo por mais sete dias, denominando-se esse período como estágio de secagem. Coletaram-se amostras para monitorar o teor de sólidos com 1, 3, 7 e 10 dias. Por fim, com os resultados obtidos experimentalmente, com os dados operacionais de descarte de lodo e a partir dos dados teóricos de produção de biogás e de metano, determinaram-se algumas relações unitárias em função do porte da ETE com o intuito de gerar diretrizes para eventuais projetos que adotem o sistema piloto em questão. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Figura 3 apresenta a evolução da temperatura no sistema piloto nos dias em que foram realizados os testes utilizando somente a energia solar. Monitoraram-se as temperaturas que a água atingiu no ponto de consumo e a temperatura no piso do protótipo durante a circulação da água. No dia ensolarado, o coletor solar elevou a temperatura da água a 63,5 C no ponto de consumo, enquanto não havia circulação de água entre os protótipos e o reservatório térmico. A temperatura ambiente no início do ensaio foi de aproximadamente 24 C. A energia necessária para elevar a temperatura de 200 L de água de 24 até 90 C foi igual a 15,34 kwh. O coletor solar elevou tal temperatura a 63,5 C e, portanto, gerou 9,18 kwh de energia térmica, equivalendo a 60% da energia requerida para elevar a água a 90 C, temperatura estipulada para operação do sistema. Já a temperatura média no piso do protótipo foi igual a 37,5 C durante a circulação de água aquecida. No dia nublado a temperatura ambiente no início do ensaio foi de aproximadamente 21 C, enquanto que a temperatura da água no ponto de consumo foi de 47,9 C. A energia necessária para elevar 200 litros de água de 21 até 90 C equivale a 16,04 kwh. O coletor solar proporcionou uma elevação da temperatura da água até 47,9 C, gerando 6,25 kwh, o que equivale a 39% da energia requerida. A temperatura média no piso do protótipo foi igual a 31,2 C, durante a circulação de água aquecida, chegando a 33,2 C ao final do ensaio. O sistema piloto foi programado para elevar a temperatura da água no ponto de consumo a 90 C, sendo que a água circulou pelo protótipo durante todo o experimento, que foi de 6 horas e 20 minutos em ambos os dias. No dia ensolarado, o consumo de energia complementar foi 26% menor em relação ao dia nublado e a temperatura de operação desejada de 90,0 C foi atingida, fato que não ocorreu na simulação realizada com o dia

7 nublado. A Tabela 1 sumariza os desempenhos térmico e energético do sistema piloto quando operado nos dias ensolarado e nublado. Temperatura ( C) Evolução da temperatura utilizando energia solar Ponto de consumo (dia ensolarado) Ponto de Consumo (dia nublado) Piso (dia ensolarado) Piso (dia nublado) 0 0:00 0:27 0:54 1:22 1:49 2:16 2:44 3:11 3:38 4:06 4:33 Tempo (horas) Figura 3. Evolução da temperatura no sistema piloto utilizando energia solar (Os autores, 2015). Tabela 1. Temperatura da água no ponto de consumo e consumo de energia Dia (Os autores, 2015). Temp máxima da água ( C) Consumo de energia (kwh) Nublado 75,9 18,52 Ensolarado 90,0 13,66 Os resultados do terceiro ensaio, referentes a higienização e secagem de lodo de esgoto, são apresentados na Figura 4. Durante o estágio de higienização o lodo manteve temperatura média de aproximadamente 67,0 C, sendo que foi necessário um dia de operação do sistema para atingir a temperatura de saturação. Quando o lodo de esgoto atinge 54 C, são necessárias duas horas de permanência para sua higienização (HINDIYEH apud POSSETTI et al., 2012). Portanto, para fins de cálculo e dimensionamento do sistema, foi considerada a permanência do lodo no patamar atingido por duas horas. Após o período de higienização e com o protótipo descoberto, a temperatura na massa de

8 lodo foi diminuindo gradativamente, devido ao aumento no teor de sólidos pela evaporação da água. O teor de sólidos que se manteve próximo a 20% durante o período de higienização, foi elevado para 47,24% no sétimo dia e 88,07% ao final do décimo dia. Temperatura ( C) Evolução da temperatura na massa de lodo Tempo (dias) T1(P1) T2(P1) Tambiente Figura 4. Evolução da temperatura no sistema piloto em regime de operação (Os autores, 2015). A Tabela 2 apresenta algumas relações unitárias em função do número de habitantes atendidos por uma ETE. Para isso, utilizou-se a taxa de descarte médio de lodo do ano de 2014, que corresponde a 0,22 L/hab.dia com teor de sólidos médio de 4,2%. Para dimensionamento da área requerida pelo leito de secagem é importante o aumento desse teor de sólidos para 20%, buscando diminuir o volume a ser tratado e, consequentemente, a área requerida. A produção de metano foi estimada em função da população atendida. Segundo Lobato (2011), na pior situação, a produção de metano em reatores tipo RALF é em média de 6,8 NL/hab.dia. A camada de lodo depositada foi de 10 cm, o que significa dizer que 1 m² de leito de secagem é capaz de higienizar 0,1 m³ de lodo de esgoto. Assim, a energia necessária para higienizar o lodo de esgoto foi igual a 71,29 kwh, considerando que 1 m³ de metano possui poder calorífico de 9,9 kwh e considerando 80% de eficiência do equipamento que realiza a queima, chegamos a um valor de 90,02 m³ de metano por m³ de lodo higienizado. Os dados de produção diária de lodo não significam que na prática o lodo seja descartado diariamente. Portanto, propõe-se que o sistema opere em regime de bateladas, que estará relacionada à periodicidade em que se descarta lodo na estação de tratamento.

9 Quanto maior é esse período maior será a quantidade de lodo e, por consequência, maior será a área requerida pelo leito de secagem e energia para sua higienização, proporcionalmente. Os resultados apresentados se referem a um regime de batelada de 1 dia. Tabela 2. Dimensionamento preliminar do sistema piloto considerando um regime de descarte de lodo igual a 1 dia (Os autores, 2015). Habitante Lodo (m 3 /dia) Volume de lodo a 4,2% ST (m 3 ) Volume de lodo a 20% ST (m 3 ) Área do leito de secagem (m 2 ) Energia requerida (kwh) Energia requerida metano (80 % rendimento) (kwh) Volume de metano requerido (m 3 ) Volume de metano disponível (m 3 ) Biogás requerido (70% CH 4) (m³) ,2 4,4 0,924 9,24 658,76 823,45 83,18 136,00 118, ,4 8,8 1,848 18, , ,89 166,35 272,00 237, ,6 13,2 2,772 27, , ,34 249,53 408,00 356, ,8 17,6 3,696 36, , ,78 332,71 544,00 475, ,62 46,2 3293, ,23 415,88 680,00 594, ,2 26,4 5,544 55, , ,67 499,06 816,00 712, ,4 30,8 6,468 64, , ,12 582,23 952,00 831, ,6 35,2 7,392 73, , ,57 665, ,00 950, ,8 39,6 8,316 83, , ,01 748, , , ,24 92,4 6587, ,46 831, , ,23 5. CONCLUSÕES O coletor solar proporciona um pré-aquecimento da água utilizada para circulação e pré-aquecimento dos protótipos de leito de secagem. Em um dia ensolarado, o aquecimento solar proporcionou até 60% da energia requerida para elevar a temperatura da água ao patamar de operação. Portanto, a energia solar térmica pode ser utilizada como fonte complementar de energia, gerando economia na fonte primária, seja biogás ou qualquer outra fonte de energia. A operação do sistema com água circulando a 90 C proporcionou a elevação na temperatura no manto de lodo de esgoto a patamares suficientes para sua higienização. Com relação à energia requerida pelo sistema, as estimativas apontaram que a produção de metano, nas piores condições apontadas pela literatura, é suficiente para suprir energeticamente esse sistema, possuindo uma autonomia de 164 %. Neste trabalho foi estimada a energia demandada pelo biogás, atuando em conjunto com a energia proporcionada por um coletor solar e um reservatório térmico de 200 litros. Essa quantidade de água é muito superior ao volume necessário para circulação de água entre todo o sistema piloto. A quantidade de energia para aquecer a água está relacionada

10 ao seu volume. Portanto, quanto maior for o volume de água, maior deverá ser a quantidade de energia utilizada. Portanto, uma investigação utilizando um volume menor de água no reservatório é necessária para aperfeiçoar o rendimento desse sistema. Por outro lado, o armazenamento de água quente em forma de energia térmica também pode ser favorável e reduzir a energia consumida. No entanto, o excesso de água armazenado pode levar ao desperdício de energia. Portanto, deve-se buscar o equilíbrio entre volume de água necessário para circulação e volume armazenado em forma de energia térmica, ficando essa investigação como sugestão para trabalhos futuros. Conclui-se, portanto, que um sistema com as características do protótipo avaliado é recomendável para aplicação em plantas de pequeno porte, pois cumpre a função requerida, é de fácil implantação, pois utiliza materiais e mão de obra facilmente encontrados no mercado, e é de fácil operação. 6. REFERÊNCIAS LOBATO, Lívia C. da Silva. Aproveitamento energético de biogás gerado em reatores UASB tratando esgoto doméstico f. Dissertação (Doutorado em saneamento) Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos, Universidade Federal de Minas Gerais, ORGANIZAÇÃO DAS NAÇÕES UNIDAS PARA O DESENVOLVIMENTO INDUSTRIAL (ONUDI). Programa de Capacitação em Energias Renováveis: Energia Solar Térmica POSSETTI, Gustavo R. C.; JASINSKI, Vanessa P.; ANDREOLI, Cleverson V.; BITTENCOURT, Simone; CARNEIRO, Charles. Sistema térmico de higienização de lodo de esgoto movido a biogás para ETEs de médio e pequeno porte. In: Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 15, 2012, Belo Horizonte, MG. Anais... Belo horizonte, CD-ROM. POSSETTI, Gustavo R. C.; JASINSKI, Vanessa P.; MESQUITA, Nilton C.; KRIGUEL, Karina; CARNEIRO, Charles. Medições em tempo real do biogás produzido em reatores UASB alimentados com esgoto doméstico. In: Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 27, 2013, Goiânia, GO. Anais... Goiânia, CD-ROM