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AGRENER GD 2015
10º Congresso sobre Geração Distribuída e Energia no Meio Rural
11 a 13 de novembro de 2015
Universidade de São Paulo – USP – São Paulo
SISTEMA TÉRMICO DE HIGIENIZAÇÃO E SECAGEM DE LODO DE
ESGOTO MOVIDO A ENERGIA SOLAR E BIOGÁS
Luiz Gustavo Wagner1,2, Gustavo Rafael Collere Possetti3,4, 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.
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Abstract
Sludge is a by-product from wastewater treatment plant. Its final destination must be eco-
friendly, 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
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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 4.000 W de potência que está
acoplada ao reservatório térmico. A utilização da resistência elétrica teve a função de
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mensurar a energia necessária para o aquecimento do sistema,
direta com o volume necessário de biogás.
Depois de aquecida, a água circula pelo protótipo de leito secagem, com auxílio d
bomba, retornando ao reservatório térmico após trocar calor na
dessa forma, consumo de água.
Figura 1. Representação esquemática do sistema piloto
O circuito hidráulico é constituído de tubos de cobre de 22 mm de diâmetro, revestidos
com polietileno expandido para isolamento térmico. As tubulações ext
com alumínio corrugado, acima da camada de polietileno expandido.
instalados sensores analógicos para monitorar a tempera
interior do piso à altura da serpentina (Figura 2) e a temperatur
saída da serpentina. O sistema também conta com sensores de temperatura na entrada e
saída do coletor solar e no ponto de consumo do reservatório térmico.
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mensurar a energia necessária para o aquecimento do sistema, a qual possui equivalência
direta com o volume necessário de biogás.
a água circula pelo protótipo de leito secagem, com auxílio d
bomba, retornando ao reservatório térmico após trocar calor nas serpentinas, não havendo,
consumo de água.
Representação esquemática do sistema piloto (Os autores
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
o corrugado, acima 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 ponto de consumo do reservatório térmico.
a qual possui equivalência
a água circula pelo protótipo de leito secagem, com auxílio da
s serpentinas, não havendo,
Os autores, 2015).
O circuito hidráulico é constituído de tubos de cobre de 22 mm de diâmetro, revestidos
foram revestidas
No protótipo foram
na base do piso radiante, no
a da água na entrada e na
saída da serpentina. O sistema também conta com sensores de temperatura na entrada e
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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
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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
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nublado. A Tabela 1 sumariza os desempenhos térmico e energético do sistema piloto
quando operado nos dias ensolarado e nublado.
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
(Os autores, 2015).
Dia 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
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Tempo (horas)
Evolução da temperatura utilizando energia solar
Ponto de
consumo (dia
ensolarado)
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Consumo (dia
nublado)
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ensolarado)
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nublado)
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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.
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.
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Evolução da temperatura na massa de lodo
T1(P1) T2(P1) TambienteTempo (dias)
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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).
Habitantes Lodo (m3/dia)
Volume de lodo a 4,2%
ST (m3)
Volume de lodo a 20%
ST (m3)
Área do leito de
secagem (m2)
Energia requerida
(kWh)
Energia requerida metano (80 %
rendimento) (kWh)
Volume de
metano requerido
(m3)
Volume de metano
disponível (m3)
Biogás requerido
(70% CH4) (m³)
10.000 2,2 4,4 0,924 9,24 658,76 823,45 83,18 136,00 118,82 20.000 4,4 8,8 1,848 18,48 1317,51 1646,89 166,35 272,00 237,65 30.000 6,6 13,2 2,772 27,72 1976,27 2470,34 249,53 408,00 356,47 40.000 8,8 17,6 3,696 36,96 2635,03 3293,78 332,71 544,00 475,29 50.000 11 22 4,62 46,2 3293,78 4117,23 415,88 680,00 594,12 60.000 13,2 26,4 5,544 55,44 3952,54 4940,67 499,06 816,00 712,94 70.000 15,4 30,8 6,468 64,68 4611,30 5764,12 582,23 952,00 831,76 80.000 17,6 35,2 7,392 73,92 5270,05 6587,57 665,41 1088,00 950,59 90.000 19,8 39,6 8,316 83,16 5928,81 7411,01 748,59 1224,00 1069,41 100.000 22 44 9,24 92,4 6587,57 8234,46 831,76 1360,00 1188,23
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
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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. 2011. 184f. Dissertação (Doutorado em saneamento) –
Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos,
Universidade Federal de Minas Gerais, 2011.
ORGANIZAÇÃO DAS NAÇÕES UNIDAS PARA O DESENVOLVIMENTO
INDUSTRIAL (ONUDI). Programa de Capacitação em Energias Renováveis: Energia Solar
Térmica. 2013.
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,
2012. 1 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, 2013. 1 CD-ROM