II INFLUÊCIA DA UMIDADE E DA ESPESSURA DA CAMADA DE LODO SOBRE A DISTRIBUIÇÃO VERTICAL DA TEMPERATURA

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1 II INFLUÊCIA DA UMIDADE E DA ESPESSURA DA CAMADA DE LODO SOBRE A DISTRIBUIÇÃO VERTICAL DA TEMPERATURA Eduardo Pedroza da Cunha Lima (1) Químico Industrial pela Universidade Estadual da Paraíba. Mestre em Desenvolvimento e Meio Ambiente pela Universidade Federal da Paraíba. Pesquisador bolsista DTI do Programa de Saneamento Básico (PROSAB). Adrianus C. van Haandel Professor do Departamento de Engenharia Civil do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Federal de Campina Grande. Paula Frassinetti Cavalcanti Catunda Professora do Departamento de Engenharia Civil do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Federal de Campina Grande. Pericles Rezende Barros Professor do Departamento de Engenharia Elétrica do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Federal de Campina Grande. Aretho de Oliveira Barbosa Graduando de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Campina Grande. Endereço (1) : Rua José Maria Tavares de Melo, 43 Jardim Luna João Pessoa - PB - CEP: Tel: (83) eduardopcl@uol.com.br RESUMO Um dos fatores mais importantes a serem considerados no projeto de um leito de secagem e higienização de lodo consiste em conhecer como ocorre a distribuição vertical da temperatura no material. A distribuição de calor no lodo influencia os processos de evaporação da água e de inativação ou destruição de patogênicos, pois as temperaturas elevadas promovem a desnaturação protéica e a inativação de enzimas fundamentais ao metabolismo desses organismos. A utilização de coberturas transparentes em leitos de secagem favorece a retenção de calor e conseqüentemente promove o aumento da temperatura do lodo. Entretanto a camada inferior do lodo apresenta-se como a região mais promissora de não ocorrer higienização, pois não está exposta ao sol e possui menores temperaturas. Os altos gradientes de temperatura no perfil vertical da camada de lodo evidenciam a propriedade termofísica deste material de não conduzir bem o calor. Entretanto à medida que ocorre a evaporação da água, se reduzem a capacidade térmica do sistema e a distância entre as camadas extremas do lodo. Conseqüentemente baseando-se na primeira lei da calorimetria e na lei de Fourier de condutividade, o lodo apresentará maior facilidade de aquecimento e distribuição de calor quando submetidos aos mesmos valores diários de radiação solar. Neste aspecto, verifica-se que a distribuição da temperatura do lodo relaciona-se com a umidade do material. Portanto, torna-se fundamental estudar a influência da umidade e da espessura da camada de lodo sobre o aquecimento e a distribuição de calor pelo perfil vertical do material. PALAVRAS-CHAVE: Temperatura das camadas do lodo, higienização, PROSAB. INTRODUÇÃO Uma das alternativas para o destino do lodo proveniente de estações de tratamento de esgoto é a aplicação deste material como adubo agrícola. Entretanto para esse fim são fundamentais os processos de higienização e secagem. A higienização do lodo poderá ser realizada com o auxílio da energia solar. O sol apresenta raios ultravioletas com ação bactericida e poderá ser fonte de calor para o tratamento térmico do lodo. Os maiores riscos potenciais de utilização de lodo de esgoto na agricultura estão relacionados com a densidade de ovos de helmintos. As temperaturas mais apropriadas para a eliminação de ovos de helmintos, que resistem bem à dessecação em leitos de secagem, são acima de 50 C (ANDREOLI, et al., 2001). De acordo com a EPA ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 (1995) a relação tempo de exposição e temperatura para a destruição de Ascaris ssp é de 60 minutos a 55 C ou 7 minutos a 60 C. Mesmo em regiões tropicais onde a radiação solar incidente atinge picos de 1kW/m² dificilmente será possível que o lodo em leitos convencionais alcance por todo o seu volume temperaturas suficientes para higienização; talvez apenas a camada seca e superior do lodo seja higienizada. Ainda que seja realizado o revolvimento do lodo provavelmente a higienização só ocorrerá após longo período sob altas condições de radiação solar. Dessa forma torna-se necessário buscar alternativas de acréscimo ou retenção de calor para acelerar o processo de higienização. Uma das formas de promover aumento da temperatura em leitos de secagem consiste em utilizar coberturas transparentes. A cobertura transparente permite o aquecimento do lodo (corpo negro) e retarda as perdas de calor para o ambiente. Para avaliar a potencialidade da utilização de coberturas transparentes em leitos de secagem no processo de higienização do lodo é fundamental conhecer a distribuição vertical da temperatura pelo material. Essa distribuição de temperatura relaciona-se com as propriedades termofísicas do lodo, principalmente com a condutividade térmica e o calor específico. Considerando que concomitante ao processo de aquecimento do lodo ocorre também à evaporação da água, pode-se afirma que a distribuição de calor pelo material é influenciada pelo processo de secagem. A secagem reduz a capacidade térmica do sistema e a altura da camada de lodo, facilitando o aquecimento e a distribuição de calor. Dessa forma a presente pesquisa investiga, em leitos de secagem com cobertura transparente, a influência da umidade e da altura da camada de lodo na distribuição vertical da temperatura. MATERIAIS E MÉTODOS Foram construídos modelos de leitos de secagem cobertos com vidro com o fundo e paredes laterais de poliestireno para isolação térmica. Usaram-se dois tipos de leito de secagem, aplicando-se diferentes cargas de lodo anaeróbio percolado (80% de umidade), 7, 14, 21, 28 e 35 kgsts/m 2 (valores em termos de massa seca). As cargas aplicadas promoveram inicialmente camadas de lodo com 4, 8, 12, 16 e 20 cm de espessura. Todos os leitos possuíam coberturas de vidro 4 mm dispostas com inclinação de O primeiro tipo de leito era totalmente fechado e, portanto não havia renovação do ar contido entre o lodo e a cobertura (Figura 1), conseqüentemente promovendo maior retenção de calor e umidade do ar. Diferentemente a configuração do segundo tipo de leito permitia uma convecção natural do ar (Figura 1), possibilitando a redução da umidade relativa do ar, mas apresentando uma menor retenção de calor. Convecção Natural Figura 1: Configuração dos leitos de secagem com cobertura de vidro. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Com a utilização de um Sistema Eletrônico de Aquisição de Dados de temperatura e radiação solar (SEAD) foi possível conhecer a distribuição diária da radiação global e as temperaturas da camada superior e inferior do lodo nos leitos de secagem. O SEAD foi desenvolvido pelo departamento de engenharia elétrica da UFCG para a realização desta pesquisa, permitindo a obtenção on-line de informações de temperatura e radiação global a cada 5 minutos. As pequenas dimensões dos leitos permitiram a determinação da taxa de evaporação de água pela pesagem diária, o que por sua vez possibilitou conhecer a redução da umidade do lodo no decorrer do tempo. Na Figura 2, há uma ilustração dos leitos de secagem utilizados no experimento. Figura 2: Ilustração dos leitos de secagem utilizados no experimento. RESULTADOS As Tabelas 1 e 2 apresentam o resumo das informações obtidas durante o experimento realizado com os leitos com convecção natural do ar e sem convecção. Neste período a radiação diária média foi de 250 W/m² com picos superiores a 1 Kw/ m 2. Tabela 1: Dados experimentais obtidos nos leitos sem convecção. Carga aplicada (kg/m²) Espessura inicial da camada de lodo (cm) umidade estava em 78%. umidade estava em 60%. umidade estava em 40%. umidade estava em 20%. umidade estava em 10%. Tempo para alcançar temperatura mínima de higienização 55 C (dia) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Tabela 2. Dados experimentais obtidos no leito com convecção natural. Carga aplicada (kg/m²) Espessura da inicial da camada de lodo (cm) Temperatura ( C) máxima da camada inferior do lodo(umidade do lodo 80%) Temperatura ( C) máxima da camada inferior do lodo (umidade do lodo 60%) Temperatura ( C) máxima da camada inferior do lodo (umidade do lodo 40%) Temperatura ( C) máxima da camada inferior do lodo (umidade do lodo 20%) Temperatura ( C) máxima da camada inferior do lodo (umidade do lodo 10%) Tempo para alcançar temperatura mínima de higienização 55 C (dia) Verifica-se nas Tabelas 1 e 2 que apenas os leitos com coberturas de vidro sem renovação do ar alcançaram para todas as cargas pesquisadas temperaturas superiores a 55 C na camada inferior do lodo, a região mais propícia de não ocorrer higienização. O fato dos leitos com convecção natural não proporcionarem ao lodo temperaturas em patamares suficientes para a higienização, deve-se às perdas de calor ocorridas quando há a renovação do ar. Se por um lado à remoção da umidade relativa do ar interno do leito, por convecção natural, acelera o processo de secagem, esta prejudica a higienização do lodo. Como esperado pode-se observar que à medida que a umidade do lodo se reduz mais altos são os valores de temperatura alcançados na extremidade inferior da camada. A utilização de coberturas transparentes em leitos de secagem promove vantagens na retenção de calor, no entanto o tempo para que ocorra a higienização é relativamente longo, pois este se relaciona com a velocidade do processo de secagem. A Tabela 1 apresenta uma relação da umidade, espessura da camada de lodo é a temperatura atingida em leitos cobertos sem renovação do ar. Verifica-se, por exemplo, que para umidades de 40% o lodo alcança temperaturas acima de 55 C quando se aplica uma camada com espessura inicial menor que 12 cm. Medindo a temperatura da camada superficial do lodo em leitos com renovação do ar verifica-se valores acima de 55 C, no entanto mostra-se na Tabela 2 que a extremidade oposta da camada de lodo dificilmente ultrapassa 35 C, exceto camadas muito pequenas menores que 5cm de altura. Esse gradiente de temperatura no lodo revela que este material não é um excelente condutor de calor. Outra evidência do caráter mal condutor de calor do lodo pode ser observada no gráfico da Figura 3. Neste pode-se notar que apenas no início da noite a camada inferior do lodo alcançou o seu valor máximo de temperatura. Interessante é que o pico de temperatura no extremo inferior da camada não ocorreu no momento de maior radiação solar. A Figura 4 mostra o comportamento típico da radiação solar global obtida durante o experimento O calor recebido pela camada inferior do lodo foi proveniente do calor acumulado pela camada superior durante todo o dia, sendo assim consta-se a importância da cobertura de vidro em reduzir as perdas de calor para o ambiente. Os gráficos da Figura 3 mostram que em um determinado instante a extremidade inferior do lodo atingiu temperaturas maiores que a da superfície. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 LEITO COM COBERTURA SEM RENOVAÇÃO DO AR (12cm) LEITO COM COBERTURA E SEM RENOVAÇÃO DO AR (16cm) Temperatura ( C) Extremidade inferior (12cm) Extremidade superior (2cm) Atmosfera Temperatura ( C) Extremidade inferior (16cm) Extremidade superior (2cm) Atmosfera :00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Tempo (hh:mm) 0 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:0 Tempo (hh:mm) Figura 3: Distribuição da temperatura da camada superior e inferior do lodo de leitos cobertos sem convecção. Radiação global Radiaçãao (W/m²) Média diária: 223 W/m² Média 6:00 as 18:00: 432 W/m² Máximo: 1113 W/m² Mínimo: 11 W/m² Horário do pico máximo: 12: :00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 Tempo (hh:mm) Figura 4: Distribuição diária da radiação global de um dia típico do período de realização do experimento. CONCLUSÕES A utilização de coberturas transparentes em leitos de secagem com renovação do ar não promovem no lodo temperaturas suficientes para ocorrer a higienização. A velocidade do processo de higienização térmica em leitos cobertos está relacionada com a velocidade do processo de secagem. Em leitos de secagem cobertos a higienização térmica poderá ocorrer em apenas um dia de sol (radiação diária média 250 W/m²) dependendo da umidade do lodo e da espessura da camada inicial. Por exemplo, ocorrerá para camadas menores que 20 cm quando a umidade for 10%, para camadas menores que 16 cm quando a umidade for 20% e para camadas menores que 12 cm para umidades de 40%. AGRADECIMENTOS A investigação experimental foi possível graças ao apoio financeiro da FINEP e do CNPq no âmbito do PROSAB (Edital 4, tema 4). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANDREOLI, C. V.; FERREIRA, A. C.; CHERUBINI, C.; TELES, C. R.; CARNEIRO, C.; FERNANDES, F. Resíduos sólidos do saneamento: processamento reciclagem e disposição final. IN: Higienização de Lodo. PROSAB. ABES. Curitiba, PR. (2001). 2. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY. Health effects of land application of municipal sludge. (EPA,n.1-85/015). Washington, DC. (1985). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6