II INFLUÊNCIA DA DIFUSIVIDADE TÉRMICA NA EFICIÊNCIA DA PASTEURIZAÇÃO DE LODOS DE ESGOTO

Transcrição

1 II INFLUÊNCIA DA DIFUSIVIDADE TÉRMICA NA EFICIÊNCIA DA PASTEURIZAÇÃO DE LODOS DE ESGOTO Ana Lycia Barreira da Silva Engenheira Civil graduada pela Universidade Federal de Ouro Preto (1999), Pós-graduada em Eng. Sanitária e Ambiental pela FEAMIG, Mestranda pelo Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental da UFES. Fabiana Reinis Franca Passamani Bióloga graduada pela Universidade Federal do Espírito Santo (1992), Pesquisadora bolsista DTI / CNPq/RHAE UFES DHS (Programa de Saneamento Básico/PROSAB). Luciana Callegari Spavier Graduanda em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo - Aluna de Iniciação Científica - Bolsista CNPq Beatriz Signorelli Cribari Graduanda em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo - Aluna de Iniciação Científica - Bolsista CNPq Ricardo Franci Gonçalves (1) Engenheiro Civil e Sanitarista UERJ (1984), Pós-graduado em Enga de Saúde Pública - ENSP/RJ (1985), DEA - Ciências do Meio Ambiente - Univ. Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Água INSA de Toulouse, França (1993), Prof. Adjunto do DHS e do PMEA - UFES. Endereço (1) : Departamento de Hidráulica e Saneamento Universidade Federal do Espírito Santo Agência FCAA Vitória ES CEP.: Brasil Tel.: (027) Fax: (027) e- mail:franci@npd.ufes.br RESUMO O presente trabalho tem por objetivo a determinação dos coeficientes de difusividade térmica do lodo de dois processos distintos, cada um com diferentes teores de sólidos, para avaliar a influência da propagação de calor na eficiência da pasteurização. Os lodos utilizados no experimento foram provenientes de estações que tratam esgotos com características médias essencialmente de origem doméstica, uma sendo composta por um reator anaeróbio do tipo manta de lodo (UASB) e quatro biofiltros aerados submersos, havendo assim a recirculação do lodo aeróbio para o reator UASB. A outra ETE é composta apenas por um reator anaeróbio UASB, tratando esgoto sanitário de um bairro residencial. Resultados obtidos revelaram que a presença dos sólidos influi na propagação do calor no interior do lodo, influênciando o processo de pasteurização. Em média ocorreu uma queda da difusividade entre os teores contendo 2% e 5%, e a partir desses teores os valores das difusividades ficaram inconstantes. Em geral ocorre uma queda no valor da difusividade quando reduz-se o teor de água presente na amostra. Em relação a pasteurização, houve um recrescimento em todos as amostras provenientes dos diferentes teores de sólidos. A amostra contendo 20 % de sólidos apresentou um recrescimento antes das demais. Isto provavelmente ocorreu devido a uma temperatura não homogênea em toda a amostra durante a pasteurização. PALAVRAS-CHAVE: Lodo de Esgoto, Difusividade Térmica, Pasteurização de lodo, Transferência de calor, UASB. INTRODUÇÃO A compreensão da transferência de calor no lodo é fundamental em processos de higienização, como por exemplo a pasteurização, onde a temperatura é o fator principal. A difusividade térmica é um parâmetro que indica a propriedade dos materiais em transmitir calor, sendo expressa pela relação entre a condutividade térmica e o calor específico por unidade de volume. ABES Trabalhos Técnicos 1

2 O lodo de esgoto, subproduto do tratamento de esgoto, é considerado um resíduo sólido, de composição variável, contendo de 40 a 80% de matéria orgânica. Além de conter matéria orgânica, o lodo é um concentrador de microrganismos patogênicos que podem apresentar um sério risco à saúde humana e animal. A transmissão de doenças através destes agentes demonstra a preocupação com a disposição final desse material, pois além de constituir um veículo para transmissão de doenças, a disposição final deste material pode representar cerca de até 60% dos custos operacionais de uma unidade de tratamento de esgoto (Andreoli, et al, 1999). Uma das alternativas para a disposição de lodos vem sendo a sua aplicação na agricultura, como um fertilizante orgânico, não só em culturas como também em parques, jardins e na recuperação de áreas degradadas. No entanto, para que haja uma disposição segura do lodo no meio ambiente é necessário a utilização de processos de higienização que eliminem ou reduzam significativamente o teor de microrganismos patogênicos, tornando o produto final biologicamente inerte para as diferentes aplicações desejadas (Gonçalves,2000). Vários processos vem sendo estudados e se mostrando como alternativas para desinfecção do lodo (Passamani, et al 2000). Um destes processos é a pasteurização que baseia-se no fato de que vírus, helmintos, protozoários e bactérias patogênicas são inteiramente destruídos quando o lodo de esgoto é mantido a uma temperatura de 70 ºC durante um intervalo de tempo de 30 minutos (EPA, 1992). Keller (1986), apud Ward et al (1999), avaliando recrescimento de Salmonella e coliformes fecais em lodo pasteurizado com altos teores de sólidos totais, observaram que essas bactérias estavam recrescendo no lodo pasteurizado em densidades maiores do que a encontrada no lodo bruto. Com intuito de melhor garantir a eficiência da pasteurização, foram realizados estudos sobre como os diferentes teores de sólidos influem no comportamento do lodo, ou seja como ocorre a propagação da temperatura no interior do mesmo. Esta propagação de temperatura denomina-se difusividade térmica, parâmetro que indica a propriedade dos materiais em transmitir calor, e pode ser expressa pela relação entre a condutividade térmica e o calor específico por unidade de volume ( Clivati,1991). Este parâmetro pode ser afetado por inúmeras propriedades do meio em estudo, como umidade, estrutura e massa específica. Estudos relacionados à difusividade térmica do lodo são fundamentais para a compreensão da transferência de calor neste tipo de material e consequente utilização em processos de higienização, onde a temperatura é o fator principal. Dados experimentais sobre a transferência de calor em lodos digeridos anaerobicamente são apresentados por Telles et al (2000), Liu e Lee (2000), onde demostram a influência do teor de sólidos na propagação de calor no lodo. Em geral esses pesquisadores observaram que ao se remover água do lodo a transferência de calor fica prejudicada. Nesse sentido, este trabalho busca determinar os valores e o comportamento da difusividade térmica em função do teor de sólidos do lodo. Lodo este proveniente de dois processos de tratamento utilizados no brasil: Reator UASB e associação de UASB com biofiltros aerados submersos. Além disso, tenta avaliar a influência deste parâmetro no processo de pasteurização de lodos de esgoto. MATERIAIS E MÉTODOS LODOS UTILIZADOS Um dos lodos utilizado nos experimentos foi originário da Estação Experimental de Tratamento de Esgoto da Universidade Federal do Espírito, localizada na região da grande Vitória ES, com capacidade para 1000 habitantes. A estação conta com um reator anaeróbio do tipo manta de lodo, com volume total de 26 m3; quatro biofiltros aerados submersos com volume total de 12 m3 e um leito de secagem com 50 m2. A alimentação do processo é realizada com esgoto bruto de características médias, proveniente da rede coletora de bairro de classe média. A estação trabalha com uma vazão média de 1,0 l/s. 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 O outro lodo foi originário da Estação de Tratamento de Esgoto do Parque do Flamengo, localizada no Município de Viana, na região da Grande Vitória, operada pela Companhia Espírito Santense de Saneamento (CESAN). A referida ETE também trata esgotos com características médias essencialmente de origem doméstica atendendo a uma média de 500 habitantes. A estação é composta apenas por um reator anaeróbio UASB, com altura útil de 4,5 m e diâmentro de 3,0 m. Opera com uma vazão de 100 m3/dia. EXPERIMENTO DA DIFUSIVIDADE As amostras de lodo continham concentrações médias de 5% e 7% de sólidos totais nos lodos da ETE-UFES e ETE-Parque do flamengo respectivamente. O processo prévio aos testes de difusividade eram a desidratação do lodo até alcançar o teor de sólido desejado, sendo o sobrenadante acondicionado em becheres para posterior utilização deste na hidratação do lodo. As amostras de lodo utilizada nos testes de difusividade possuiam diferentes teores de sólidos totais: 0,5%, 1%, 2%, 3%, 5%,10%, 15% e 20%. Os dados da água pura e do sobrenadante do lodo após a centrifugação foram adicionados para comparação com os demais teores de sólidos. As três últimas concentrações de sólidos ( 10%, 15% e 20% ), foram obtidas desidratando-se o lodo através de centrifuga e, consequentemente, o sobrenadante dos lodos desidratados foram adicionados para a obtenção das demais concentrações inferiores a esta. A metodologia adotada para determinação da difusividadde térmica das amostras de lodo foi descrita por Chung & Jackson (1954), e citada posteriormente, por Clivati (1991). Sendo que os primeiros propuseram um método para obtenção da difusividade em materiais de baixa condutividade, onde a temperatura é função do tempo de aquecimento em banho maria. A aparelhagem necessária consistiu de um termômetro digital (termopar) e um sistema de banho-maria em temperatura constante (45 o C). As amostras foram inseridas em tubos de alumínio de 15,2 cm de comprimento e parede de 0,16 cm de espessura com 1,595 de diâmetro interno e 1,915 cm de diâmetro externo, que foram tampados de um dos lados com tampões de borracha para evitar a perda do material. Os tubos de alumínio contendo as amostras de lodo foram presos por meio de garras móveis na direção vertical e no centro da amostra foi inserido o termopar, o qual deveria estar na vertical, pois qualquer desvio do mesmo ocasionaria alterações na obtenção da temperatura. Quando da tomada de dados, inseria-se o termopar no centro do tubo, procedendo a primeira leitura, sendo esta a temperatura inicial, ou seja, antes do tubo ser inserido no banho-maria. Posteriormente colocava-se a amostra verticalmente posicionada em banho-maria até o nível da água alcançar uma marca previamente estabelecida para todos os tubos e iniciava-se a contagem do tempo. Foram realizadas 5 leituras de temperatura para cada teor de sólidos a cada 15 segundos por cerca de 180 segundos. A expressão utilizada para calcular a difusividade térmica é dada pela Equação (1) de acordo com Chung & Jackson (1954). D = K b (1) Onde: K = 2. rm 2,303 ( 2,405) 2 = r m = raio do tubo de alumínio. b- inclinação da curva log [Y,t ] ( segundos ). ABES Trabalhos Técnicos 3

4 Para o calculo de b utilizou-se uma série altamente convergente, que se reduz a Equação(2), de acordo com Chung & Jackson apud Clivati (1991): Y = A 10 bt (2) Onde: Y = diferença de temperatura ( Ta T )/ (Ta To ), adimensional T = temperatura no ponto r e tempo t ( o C ) Ta = temperatura constante do banho-maria ( o C ) To = temperatura inicial da amostra ( o C ) A = Valor retirado do gráfico log Y versus tempo. -b = inclinação da curva log [Y,t ] ( segundos ). Aplicando logaritmo a equação ( 2 ).,obtem-se a equação linear do tipo log y = ax + logb, que está representada na figura (2). O coeficiente a corresponde ao valor numérico de log a. EXPERIMENTO DA PASTEURIZAÇÃO O lodo coletado destinado a execução dos experimentos foi transportado em bombonas de 100 litros da ETE do parque do flamengo até a ETE UFES. O lodo foi desidratado por centrifugação até atingir os seguintes teores de sólidos totais 10%,15 e 20% e de 2%, 5%, sendo adicionados o sobrenadante dos lodos desidratados. Apenas o lodo proveniente do Parque do Flamengo foi utilizado para os testes de pasteurização, o qual lodo foi caracterizado ainda no que se refere a densidade de coliforme fecais. Após caracterizado o lodo, os testes de pasteurização foram realizados em escala de laboratório utilizando-se amostras de lodo com volume de dois litros. Estas amostras foram acondicionadas em bechers de ml. Este lodo foi mantido à temperatura de 70 C, em estufa, durante 30 minutos. Vinte e quatro horas após a pasteurização do lodo foram coletadas amostras simples para a realização das análises parasitológicas (determinação da densidade de coliformes fecais). A fim de se avaliar o recrescimento de coliformes fecais foram realizadas análises nos cinco dias consecutivos a pasteurização. A determinação da densidade de coliformes fecais ou termotolerantes foi realizada através da técnica de tubos múltiplos ( APHA.1995 ). Os experimentos foram realizados em duplicata RESULTADOS E DISCUSSÃO Para obtenção da difusividade térmica foi necessário calcular o coeficiente angular b da curva log Ta-T/ Ta-To (adimensional) em função do tempo, como esta exemplificado na Figura 1, para o lodo com teor de sólido de 20%. Após a obtenção dos valores de b, procedeu-se o calculo da difusividade D de acordo com a equação (1). 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Figura 1 variação da temperatura em função do tempo, usando como linha de tendência a função exponencial. Figura 2 Coeficiente angular b, obtido da função log (Ta-T)/(Ta-To) versus o tempo. Ta-T/Ta-To y = 1,2455*10-0,01x 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Tempo (s) Log (Ta-T/Ta-To) 0,2-0,4-0,6-0,8 logy = -0,0043x + 0,0954 R 2 = 0,9958 0, ,2 Tempo (s) A Figura 3 ilustra respectivamente a relação da concentração de sólidos com a difusividade térmica. Os dados demostram que a presença de sólidos influi consideravelmente na transmissão de calor no lodo. Lodos com teores de sólidos menores apresentam difusividade maior, havendo um decaimento até o teor de 5% ST, mantendo-se a partir daí uma certa instabilidade. Figura 3: Comportamento da difusividade térmica do lodo em função dos diferentes teores de sólidos totais. UASB UASB UASB UASB + BF UASB + BF 2,20 2,00 Difusividad (cm /s) 1,80 1,60 1,40 1,20 1, ST(%) ABES Trabalhos Técnicos 5

6 Com o declínio significativo da difusividade térmica até o teor de sólidos de 5%, realizou-se campanhas com teores de sólidos inferiores a este valor ( Figura 4 ). Observando que há uma redução de transferência de calor com o aumento do teor de sólidos. Figura 4: Comportamento da difusividade térmica do lodo em função dos diferentes teores de sólidos totais menores que 5%. UASB UASB + BF 2,50 Difusividade (cm /s) 2,00 1,50 1,00 0,50 0, ST(%) Os valores da difusividade térmica em relação aos sólidos totais são listados na Tabela 1. Tabela 1: Dados de difusividade térmica dos dois tipos de lodos estudados em relação ao teor de sólidos. LODO(%ST) DIFUSIVIDADE (cm /s) Lodo UASB + Biofiltro Lodo UASB 20 1,32 1, ,30 1, ,28 1,50 5 1,27 1,31 3 1,34 1,51 2 1,40 1,60 1 1,50 1,92 0,5 1,27 1,98 Tabela 2 : Dados de difusividade térmica estudados por Telles et al. (2000). TEOR DE ST (%) (cm /s) 5 5,45 0,15 32,7 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 Os dados de Telles et al. (2000), estão descritos na tabela 2, onde mostra melhor rendimento de difusividade em lodo com baixa concentração de sólidos. Observa-se que onde houve um aumento da difusividade térmica com o aumento da umidade. Para o lodo com 5%, resultado contido na tabela 1, comparado com os da Telles (Tabela 2), verifica-se que eles possuem a mesma ordem de grandeza. O comportamento da difusividade térmica em função da umidade está relacionado à formação de áreas de contato nas partículas sólidas. Como a água possui condutividade térmica em torno de 1,4x10-3 cal/cm.s.ºc, um aumento de umidade no lodo causa grande aumento na condutividade térmica do mesmo. Em altas umidades, por outro lado, o aumento do calor específico pela adição da água ganha mais importância sobre a condutividade térmica, fazendo com que ela decresça em relação à umidade. Isto se deve ao alto calor específico volumétrico da água ( 1.0 cal/cm 3.ºC). Em relação a pasteurização os resultados obtidos demostram que nos testes de pasteurização não foi detectada a presença de coliformes fecais no lodo com diferentes teores de sólidos imediatamente após a pasteurização. Entretanto de acordo com a Figura 5 houve um pequeno recrescimento bacteriano no terceiro dia de monitoramento do lodo contendo 5%, 15% e 20% de sólidos totais, isto provavelmente ocorreu devido a uma não homogeneização da temperatura em toda a amostra durante a pasteurização. A partir do quarto dia de monitoramento das amostras de lodo pasteurizado já foi possível detectar a presença de coliformes fecais em todas as amostras provenientes dos diferentes teores de sólidos totais (2%,5%,10%,15% e 20% ). Observa-se que no lodo contendo 20% de sólidos houve um decaimento na quantidade de coliformes fecais no quarto dia e um pequeno recrescimento no quinto, enquanto que nos outros teores de sólidos ocorreu crescimento maior. Vale ressaltar que para os teores de sólidos de 2% e 5%, no quinto dia de monitoramento as quantidades de coliformes foram 1,60x10 5 (NMP/100g), enquanto que para o teor de 20%. a quantidade de coliformes foram 3,50x10 4 (NMP/100g). O elevado crescimento de coliformes nas amostras (2% e 5% ) é provavelmente devido a elevada quantidade de água presente nas amostras. Figura 5 Densidade de coliformes fecais ( NMP/100g ) encontrados no lodo pasteurizado durante os cinco dias de monitoramento após a pasteurização. 2% 5% 10% 15% 20% Coliformes fecais (NMP/100 1,60E+05 1,40E+05 1,20E+05 1,00E+05 8,00E+04 6,00E+04 4,00E+04 2,00E+04 0,00E Tempo ( dias ) ABES Trabalhos Técnicos 7

8 Diante destes resultados a quantidade de sólidos totais no lodo parece influenciar no processo de higienização conhecido como pasteurização onde o fator determinante de uma perfeita erradicação bacteriana é a temperatura ( 70 C durante 30 minutos ) distribuída uniformemente em toda a amostra. De acordo com os resultados obtidos nos testes de difusividade térmica, essa influência parece estar relacionada com a transferência de calor no lodo, pois a medida que a quantidade de sólidos totais aumenta, o lodo começa a se comportar como um isolante térmico. Esse comportamento influi na propagação de calor no interior do lodo, e assim dificulta a obtenção dos 70ºC em 30 minutos, reduzindo com isto a eficiência da pasteurização. Apesar de ser extremamente interessante desidratar o lodo antes da sua disposição final, pois reduz o volume do material a ser descartado, por outro lado, do ponto de vista da pasteurização, essa desidratação além de diminuir a eficiência do processo, aumenta os custos com energia. Os dados produzidos nesta pesquisa serão utilizados na realização de balanços energéticos e de massa para definição do ponto ótimo de dimensionamento de um pasteurizador de lodos. CONCLUSÃO Esta pesquisa apresentou resultados preliminares sobre a influência da difusividade térmica na eficiência da pasteurização de lodos de esgoto. A secagem parcial do material através da transferência de calor a partir da fonte térmica pode gerar um aumento na resistência ao fluxo de calor e consequentemente, uma redução na difusividade térmica com o aumento no teor de sólidos. Em média ocorre uma queda da difusividade entre os teores contendo 2% e 5%, isto porque para teores de sólidos abaixo de 5% a difusividade térmica é basicamente controlada pela água, que é um bom condutor de calor. O mesmo não ocorre para teores maiores que 5%, pois para estes casos a difusividade já passa a ser influênciada por características próprias do lodo, como quantidade de sólidos voláteis, sólidos fixos e quantidade de metais presentes no lodo. Para o lodo da ETE UFES houve um crescimento mais uniforme na difusividade para teores maiores que 5%, enquanto o mesmo não foi observado para o lodo proveniente da ETE Flamengo, havendo em média um crescimento na difusividade entre 5 e 10 % e um pequeno decaimento entre 10 e 15% e novamente um crescimento entre 15 e 20 %. Em geral o lodo proveniente da ETE UFES ( composta da associação de reator UASB e biofiltros ) apresentou valores de difusividade menores que o lodo da ETE - Flamengo ( composta somente de um reator UASB) para um mesmo teor de sólidos nas amostras analisadas. O que pode ser explicado pelas características do lodo, pois um lodo tipicamente anaeróbio (ETE Flamengo) com menor teor de sólidos voláteis apresentou maior difusividade que um lodo misto (anaeróbio + aeróbio em digestão) típico da ETE- UFES. A taxa da variação da temperatura com o tempo é diretamente proporcional à difusividade térmica e, sendo a pasteurização um processo térmico, a quantidade de sólidos totais no lodo parece influenciar no processo. A menor eficiência encontrada, na pasteurização, foi com o lodo contendo 20% de sólidos totais, porque foi o primeiro a ter um recrescimento bacteriano. E este recrescimento ocorreu no terceiro dia de monitoramento após a pasteurização do mesmo Essa influência parece estar relacionada com a transferência de calor no lodo, pois a medida que a quantidade de sólidos totais aumenta, o lodo começa a se comportar como um isolante térmico, o que dificulta a obtenção dos 70ºC em 30 minutos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AMERICAM PUBLIC HEALTH ASSOCIATION - APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19 th edition. American Public Health Association, New York. 2. ANDREOLI, C. V.; LARA, A. E FERNANDES, F. Reciclagem de Biossólidos: transformando problemas em soluções. Curitiba: Sanepar, Finep, CLIVATI, A. A. (1191). Método proposto para determinação da difusividade térmica de meios porosos, Dissertação de mestrado, Curitiba-PR. 4. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY EPA. Control of Pathogens and Vector Attraction in Sewage Sludge: Under 40 CFR Part 503. EPA/625/R-92/ ABES Trabalhos Técnicos

9 5. GONÇALVES, R. F. Produzir lodos classe A nas novas Estações de Tratamento de Esgotos Sanitários Brasileira, I Semináriio Nacional de Microbiologia Aplicada ao Saneamento 5 a 7 de julho, 2000 UFES ES - Brasil. 6. PASSAMANI, F. R. F. E GONÇALVES, R. F. Higienização de Lodos de Esgoto, cáp. 7, p In:., Gerenciamento do lodo de lagoas de estabilização não mecanizados / Ricardo Franci (coordenação). Programa de Pesquisa em Saneamento Básico Rio de Janeiro: ABES, PATHOGENS IN PASTEURIZED DIGESTER SOLIDS. (1999). Water Environment Research, Vol. 71, Number 2, p LIU, Z. W., LEE, D. J. (2000). Int. Comm Heat Mass Transfer. Departament of Chemical Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan, , Vol. 27, n. 2, p TELLES, C. R., ANDREOLI, C. V. E BERNERT, P. M. Difusividade Térmica do lodo de esgoto. In: Operacionalização das alternativas de secagem e higienização do lodo de esgoto. Prosab 2 Tema 4, SANEPAR, Curitiba PR ABES Trabalhos Técnicos 9