DESIDRATAÇÃO DE LODOS DE REATOR UASB EM LEITOS DE SECAGEM -DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS

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1 DESIDRATAÇÃO DE LODOS DE REATOR UASB EM LEITOS DE SECAGEM -DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS Alem Sobrinho Pedro *, Miranda Samudio Edgar Manuel ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA Av. prof. Almeida Prado, trav. 2, s/nº, Edif. de Eng a Civil. Cidade Universitária, São Paulo-SP, Brasil Tel.: , FAX: samartez@usp.br RESUMO Com o objetivo de se obter parâmetros para o dimensionamento de leitos de secagem para a desidratação de lodos resultante do tratamento de esgotos através de reatores anaeróbios de manta de lodo e fluxo ascendente (reator UASB) foram realizados ensaios em escala piloto, com aplicação de lodos com teores de sólidos de 1,5% (como removido do reator UASB) e de 3,6% (após adensamento), com taxas de aplicação de sólidos de 1 a 17.5 kg sólidos/m 2 x ciclo. Para fins de comparação foram também desenvolvidos ensaios com lodos de ETE convencional. Os resultados mostraram que o adensamento do lodo do reator UASB a 3,6% de sólidos resultaram em muito bom desempenho do leito de secagem com taxa de aplicação de até 12.5 kg sólidos/m 2 x ciclo, chegando-se a 2% de teor de sólidos após 16 dias de secagem e 3% após 3 dias de secagem, com índice pluviométrico de aproximadamente 5 mm no período. A aplicação do lodo sem adensamento (1,5% de sólidos), embora apresentando o dobro do volume de filtrado do obtido com o lodo com teor de sólidos de 3,6%, apresentou uma camada de líquido sobre os sólidos, de difícil evaporação. Somente com a remoção deste líquido sobrenadante é que se conseguiu êxito na secagem, com taxa de aplicação de 1 kg sólidos/m 2 x ciclo. Dos resultados obtidos pode-se concluir que lodos de reator UASB aplicados em leitos de secagem, com teor de sólidos superior a 3-3,5% desidratam bem, com taxas de aplicação de até 12,5 kg sólidos/m 2 x ciclo. Recomenda-se a implantação de dispositivos para retirada de sobrenadantes dos leitos de secagem, para remoção de águas de chuvas,ou de sobrenadante resultante de aplicação de lodo com teores de sólidos mais baixos. Palabras clave: lodo uasb, secagem de lodo, leitos de secagem. INTRODUÇÃO O crescimento da utilização de reatores UASB para o tratamento de esgotos sanitários de comunidades de relativamente pequeno porte, onde a desidratação do lodo em leitos de secagem pode ser a solução mais adequada, foi a motivação para o desenvolvimento do presente estudo, que teve por objetivo a obtenção de dados capazes de orientar a elaboração de um projeto racional desse sistema de secagem. Embora este método de desidratação venha sendo utilizado há mais de 8 anos (WPCF, 1983 ) a área requerida geralmente tem sido calculada adotando-se parâmetros sem se ter pleno conhecimento das condições para as quais foram desenvolvidos. Devido a isto a área, assim determinada, pode resultar inadequada, bem como o seu desempenho.

2 Na década dos 8 um novo critério (ROLAN, 198), baseado na taxa de aplicação superficial de sólidos, foi recomendado para projeto, porém a ausência de informações a nível regional e local tem dificultado sua utilização. METODOLOGIA Para o desenvolvimento deste trabalho foram implantadas 8 unidades de leito de secagem em escala piloto em área exposta ao tempo, localizada no Centro de Pesquisas de Saneamento da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. As unidades foram construídas em tubo de concreto armado de 5 mm de diâmetro, todas com altura de 1.6 m. O material de enchimento usado obedecia ás especificações da norma NB 57/199 - Projeto de Estações de Tratamento de Esgoto Sanitário - da ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. O sistema de drenagem tinha fundo plano e impermeável que escoava o líquido filtrado na direção de um tubo de 5 mm de diâmetro, ao qual era acoplada uma mangueira flexível, que encaminhava o filtrado para um recipiente de plástico, com capacidade de 2 litros. Com a finalidade de possibilitar uma análises comparativa do desempenho dos leitos em termos de remoção de umidade através dos mecanismos de drenagem e de evaporação, em função da taxa e teor de sólidos aplicados para cada período de secagem, foram estudadas ao mesmo tempo, quatro taxas de aplicação de sólidos (1; 12,5; 15 e 17,5 Kg/m 2.ciclo) e dois teores de sólidos no lodo aplicado (dois leitos para cada taxa aplicada, sendo quatro com lodo bruto e quatro com lodo adensado). O lodo utilizado foi obtido do reator UASB da CETESB, de 12 m 3, tratando esgoto sanitário predominantemente doméstico, com tempo de detenção de 6 horas. Para fins de comparação, foram também desenvolvidos testes com lodo primário e lodo misto (primário+lodo ativado) digeridos anaerobiamente (ver tabela 1 e 2). O lodo era descarregado do reator UASB e armazenado em recipientes de plástico de 5 litros. Em seguida uma amostra do lodo era transportada para os laboratórios de pesquisa da CETESB onde era caracterizado. Os principais parâmetros determinados eram sólidos totais (ST) e sólidos voláteis (SV). Para adensar o lodo, o mesmo era deixado em repouso durante aproximadamente três dias, removendose posteriormente o sobrenadante, até atingir-se um teor de sólido de cerca de duas vezes o do lodo da amostra inicial. A seguir separavam-se os volumes de lodo requeridos para se atingir a taxa de aplicação de sólidos desejada, para cada unidade, tanto da amostra inicial como do lodo adensado. Imediatamente após aplicação do lodo media-se a altura que o mesmo atingia sobre o leito com uma regra limnimétrica que estava fixada à parede do leito. Esta medida também era registrada diariamente até cobrir um período razoável do ciclo de secagem, dando origem à curva de variação da altura através do tempo. Um dia após aplicação do lodo, eram realizadas medições dos volumes de líquido filtrado e coletadas amostras para determinar a DBO e DQO. Quando o líquido sobrenadante do leito era totalmente removido por condições naturais (momento em que a torta de lodo aparecia sobre o leito) eram iniciadas as coletas de amostras para determinação do teor de sólido. Este procedimento continuava até que a torta seca apresentasse boas caraterísticas de manuseio. Se após um tempo razoável de secagem, dependendo da precipitação pluviométrica, o sobrenadante remanescente (produto do lodo aplicado ou da contribuição pluvial) não havia sido removido naturalmente, o mesmo era removido por sifonamento. Nas determinações analíticas foram utilizados os métodos propostos pelo Standard methods for the Examination of Water and Wastewater, 17.ed., de O volume do líquido filtrado, removido através dos drenos, foi medido diariamente, e estes volumes foram somados para construir a curva de volumes filtrados acumulados.

3 Para comparar os resultados de desempenho do leito na remoção de líquido através dos drenos e diminuição da altura da torta do lodo, foram construídos gráficos utilizando as equações 1 e 2. V(%)= F x1 (1) L+ P onde: V(%) = esta relação representa a eficiência de remoção da fase líquida através do sistema de drenagem; F = volume filtrado acumulado até o dia da coleta da amostra, em litros; L = fração líquida do volume de lodo aplicado na partida, em litros; P = volume acumulado devido à contribuição pluvial até o dia da amostragem, em litros. H(%)= Y H + d x1 o (2) onde: H(%) = altura da torta de lodo residual no leito de secagem em relação à soma das alturas do lodo aplicado e devido à contribuição pluvial, em porcentagem; Y = altura da torta do lodo medida no leito, em centímetros; H o = altura inicial do volume de lodo aplicado sobre o leito, em centímetros; d = altura acumulada devido à contribuição pluvial até o dia da medição, em centímetros. Os principais fatores climáticos (pluviometria, evaporação temperatura e umidade relativa do ar) foram coletados no posto da cidade universitária, pelo CTH - Centro Tecnológico de Hidráulica, exceto evaporação que foram levantados pelo departamento de Meteorologia do Instituto Astronômico e Geofísico da Universidade de São Paulo - IAGUSP. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Para os lodos do reator UASB Resultados relativos à variação da altura da torta de lodo residual nos leitos Os resultados da variação da altura de lodo são apresentados na figura 1, mostrando a variação da mesma através do tempo. Os dados derivados dessas alturas, obtidos pela utilização da equação 2, são apresentados na figura 2. Nos 16 dias iniciais de secagem, a precipitação pluviométrica acumulada foi de 53 mm e, alcançou 1mm aos trinta dias de secagem. Da figura 2, nota-se que em termos de redução da altura do lodo, os leitos que apresentaram melhor eficiência foram os 2 e 4, os quais foram carregados com taxa de aplicação de sólidos de 1 e 12,5 Kg/m 2.ciclo respectivamente e teor de sólidos de 3,6 %; a altura inicialmente aplicada nesses leitos foram 27,8 e 34,8 cm respetivamente e após um tempo de secagem de 16 dias o leito 2 apresentou uma torta com espessura de 4,7 cm e o leito 4, com 5,7 cm. Após 3 dias de secagem, as alturas das tortas de lodo dos leitos 2 e 4, eram respectivamente de 3,5 cm e 4, cm.. Resultados relativos aos volumes filtrados Os volumes totais filtrados ao longo do tempo, removidos pelo sistema de drenagem de cada leito de secagem, são apresentados na figura 3. Os dados derivados desses volumes, obtidos pela utilização da equação 1, são apresentados na figura 4. Destas figuras, observa-se que em termos de eficiência de drenagem, os leitos 2 e 4, ambos recebendo lodo com ST = 3,6 % e com taxas de aplicação de sólidos respectivamente de 1 e 12,5 Kg/m 2.ciclo,

4 tiveram basicamente o mesmo desempenho, com remoção de cerca de 88% do total do líquido que entrou na unidade nos primeiros 16 dias de secagem. Entre os dias 16 e 3 de secagem, ocorreu precipitação de 47 mm, com 85% desta água removida por drenagem. Observe-se ainda que o leito 1, carregado com lodo com ST = 1,5% e taxa de 1 Kg/m 2.ciclo, apresentou desempenho bem inferior, mostrando o efeito benéfico do adensamento prévio do lodo. Resultados relativos ao teor de sólido atingido na torta de lodo Os valores determinados em laboratório do teor de sólidos alcançado na torta ao longo do ciclo de secagem são apresentados na figura 5 e a relação entre o teor de sólidos atingido ao longo do tempo e o teor de sólidos inicialmente aplicado é apresentada na figura 6. A figura 5, mostra que em relação à secagem total da torta de lodo devido à perda de umidade, por evaporação e drenagem, os leitos que foram carregados com lodo adensado (ST = 3,6%) e as menores taxas de aplicação de sólidos ( 1 e 12,5 Kg/m 2.ciclo) atingiram teores de sólidos de 2% após 16 dias de secagem. Aos 3 dias de secagem, o leito 2 ( 1 Kg/m 2.ciclo) atingiu teor de sólidos de 38 %, e o leito 4 ( 12,5 Kg/m 2.ciclo) atingiu teor de sólidos de 3%. Os leitos carregados com lodo não adensado ( ST = 1,5%) não atingiram teor de sólidos (ST > 2 %) adequados ao manuseio, mesmo após 3 dias de secagem. Para esse lodo, a efetiva secagem somente ocorreu após a remoção do sobrenadante dos leitos por sifonamento. Isto indica a possibilidade de aplicação de lodo não adensado, com o leito atuando como adensador em seus primeiros dias de operação, com a remoção do sobrenadante resultante. Nestes casos, os ciclos de secagem serão mais longos. Resultados relativos às determinações da DBO e DQO do líquido filtrado Os valores da demanda química e bioquímica de oxigênio do filtrado removido através do sistema de drenagem ao longo do tempo são apresentados nas figuras 7 e 8. Das curvas apresentadas na figura 7, observa-se valores relativamente altos da DBO apenas nos primeiros dias de operação dos leitos de secagem, com faixa de variação razoavelmente alta ( 4 a 9 mg/l) sem apresentar qualquer relação com o teor de sólidos ou com a taxa de aplicação de lodo. Do quarto dia de secagem em diante a DBO do filtrado foi sempre inferior a 2 mg/l em todos os leitos. Com relação à DQO (figura 8), as concentrações variaram de 15 a 22 mg/l no primeiro dia de secagem, passando depois a se manter na faixa de 6 a 14 mg/l, também sem apresentar qualquer relação com as condições operacionais dos leitos de secagem. Para lodos de ETEs convencionais O lodo primário adensado alcançou ST = 6% e desidratou muito bem com taxa de aplicação de sólidos de até 12,5 Kg/m 2.ciclo, resultando em uma torta com ST superior a 23% após 2 dias de secagem e 5% após 3 dias, mesmo com uma precipitação pluviométrica bem elevada, que acumulou 175 mm aos 2 dias e 218 mm aos 3 dias. O lodo misto apresentou características de desidratação bem inferiores às observadas para o lodo do reator UASB. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES O critério de projeto baseado na taxa de aplicação superficial de sólidos resultou ser adequado para dimensionamento de leitos de secagem de lodos, sempre que seja associado ao teor de sólidos contido no lodo aplicado.

5 Lodos de reator UASB aplicados em leitos de secagem, com teor de sólidos superior a 3-3,5% desidratam bem, com taxas de aplicação de sólidos de até 12,5 Kg/m 2.ciclo, para ciclos de 16 dias de duração, mesmo com precipitação pluviométrica acumulada no período de 5 mm. O teor de sólidos esperado na torta seca é de cerca de 2%. Recomenda-se a implantação de dispositivos para a retirada de sobrenadante dos leitos de secagem, especialmente em áreas com índices de precipitação mais altos. Recomenda-se estudar a alternativa de se utilizar os leitos de secagem também para adensamento do lodo de reator UASB, durante a fase inicial de operação, fazendo-se a remoção do sobrenadante gerado. Isto, sem dúvida, implicará em aumento do ciclo de secagem. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA; AWWA; WPCF. Standard methods for the Examination of water and wastewater. 17.ed ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Elaboração de projetos hidráulicos Sanitários de sistemas de tratamento de esgotos sanitários (PNB-57, 1975). ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Projeto de estações de tratamento de esgoto sanitário SAMUDIO, E.M.M. Critério racional para dimensionamento de leitos de secagem de lodos de ETEs convencionais e do reator UASB. São Paulo, p. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. NEBIKER, J.H. Drying of wastewater sludge in the open air. Journal Water Pollution Control Federation. v.39, n.4, p.68, ROLAN A.T. Determination of design loading for sand driying beds. Journal North Carolina Sect. Am. Water Works Assoc., North Carolina, Water Pollution Control Assoc. 25p WATER POLLUTION CONTROL FEDERATION. Sludge Dewatering. Manual of Practice N o 2. Washington, WATER POLLUTION CONTROL FEDERATION. Wastewater Treatment Plant Design. Manual of Practice N o 8. Washington 1977.

6 Tabela 1 - Dados Iniciais dos Lodos utilizados Tipo de lodo Valores no lodo bruto Valores no lodo adensado DQO (g/l) ST (%) SV (%) DQO (g/l) ST (%) SV (%) do UASB 7,83 1,5,85 35,6 3,6 2,3 Misto 11,42 2,23 1,22 21,3 4,7 2,42 Primário 27,4 3, 1,34-6, 2,64 Tabela 2 - Dados iniciais do lodo do reator UASB (bruto e adensado) IDENTIFICAÇÃO TEOR DE TAXA DE VOLUME ALTURA ALTURA DOS LEITOS SÓLIDOS SÓLIDOS APLICADO INICIAL APÓS APLICADO APLICADA APLICAÇÃO (%) (Kg/m 2 ) (ltr) (cm) (cm) Leito 1 1,5 1, 138,7 66,7 6,9 Leito 2 3,6 1, 57,8 27,8 26,5 Leito 3 1,5 12,5 163,3 83,32 8,5 Leito 4 3,6 12,5 68,1 34,75 33, Leito 5 1,5 15, 196, 1, 97,5 Leito 6 3,6 5, 81,7 41,7 39, Leito 7 1,5 17,5 228,7 116,68 13,3 Leito 8 3,6 17,5 95,3 48,62 44,

7 12 altura (cm) 12 altura (%) Figure 1. Lodo do Reator UASB: Curvas da variação da altura da massa de lodo residual, nos leitos, ao longo do tempo Figure 2. Lodo do Reator UASB: Curvas de variação percentual da altura da massa de lodo residual ao longo do tempo 2 volume (ltr) 1 volume (%) Figure 3. Lodo do Reator UASB: Curvas dos volumes totais do filtrado removido através do sistema de drenagem ao longo do tempo Figure 4. Lodo do Reator UASB: Curvas de eficiência de remoção da fase líquida através do sistema de drenagem ao longo do tempo

8 7 teor de solidos (%) 2 teor de ST atingido / teor ST aplicado Figure 5. Lodo do Reator UASB: Variação do teor de sólido na torta de lodo ao longo do tempo Figure 6. Lodo do Reator UASB: Curvas da relação entre o teor de sólidos atingido na torta de lodo e o teor de sólidos aplicado 1 DBO (mg/l) 25 DQO (mg/l) Figure 7. Lodo do Reator UASB: Curvas da demanda bioquímica de oxigênio, ao longo do tempo, do líquido removido através do sistema de drenagem Figure 8. Lodo do Reator UASB: Curvas da demanda química de oxigênio, ao longo do tempo, do líquido removido através do sistema de drenagem

9 SOBRE OS AUTORES Pedro Alem Sobrinho é Engenheiro Civil (1967) pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, Engenheiro Sanitarista (1969) pela Faculdade de Higiene e Saúde Pública da Universidade de São Paulo, Master of Science (1975) pela University of Newcastle upon Tyne na Inglaterra, Mestre em Saúde Pública (1976) pela Faculdade Higiene e Saúde Pública da Universidade de São Paulo, Doutor em Engenharia (1981) pela EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo e Professor Associado (1991) do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da EPUSP. Professor Titular do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da EPUSP. Trabalhou como pesquisador na CETESB de 197 a 1995, tendo sido Gerente do Departamento de Pesquisa Tecnológica e Ambiental. Atuou como consultor em vários projetos de sistemas de tratamento de esgotos sanitários e de resíduos industriais. Edgar Manuel Miranda Samudio é Engenheiro Civil (1988) pela Universidad Tecnológica de Panamá, Mestre em Engenharia Civil (1994), opção Saneamento Básico, pelo departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo e Doutorando em Engenharia Civil na EPUSP. Tem oito anos de experiência como consultor ambiental em organizações industriais.