Drying of Sewage Sludge form Communal and Industrial Waste Water Treatment Plants: A sustainable way of sludge management
RESUMO
A conversão do lodo de esgoto em biossólidos de valor para a reutilização de forma benéfica, requer um processo de pré-tratamento adequado. Entretanto, as tecnologias tradicionais exigem altos custos em investimentos, custos de operação, demanda de energia; ou simplesmente não preenchem todos os requisitos exigidos pelas demandas do mercado. Com as recentes experiências das maiores plantas de secagem solar e de plantas de secagem solar-assistida, localizadas em Palma de Mallorca, Espanha e em Oldenburg, Alemanha, foi demonstrado que a secagem solar é uma alternativa efetiva para grandes instalações. Os custos de secagem e o consumo de energia são menores que a metade, a manutenção é pequena, a operação é simples e segura nessas plantas, quando comparadas com as tradicionais plantas de secagem térmica. Além disso, as emissões de dióxido de carbono (CO2) são reduzidas a um fator sete vezes menor, quando comparadas aos secadores convencionais. Com o uso do aquecimento dos resíduos por outros processos, a área requisitada pode ser reduzida a um fator de três a cinco vezes menor. O produto final é adequado para ser usado como combustível por plantas denominadas Resíduos-para-Energia (RPE), plantas de energia à carvão ou fábricas de cimento. O produto final também pode ser utilizado como fertilizante Classe-A de aplicação na agricultura.
Palavras-chave: Secagem. Biossólidos. Esgoto. Solar. Lixo. Energia. CO2.
ABSTRACT
The conversion of raw sewage sludge into valuable biosolids for beneficial reuse requires a suitable pre-treatment process. However, traditional technologies are causing high investment costs, operation costs, and energy demand; or are not fully meeting the demands of the market. As recent experiences from the world's largest solar drying and solar-assisted drying plants in Palma de Mallorca, Spain and Oldenburg, Germany show, solar drying is an effective alternative for large facilities. Drying costs and energy consumption are less than half, maintenance is low, and operation is simple and safe at these facilities when compared to traditional thermal dryers. Also, carbon dioxide (CO2) emissions are reduced by a factor of seven when compared to conventional dryers. By using waste heat from other processes, the area requirement can be reduced by a factor of three to five. The final product is suitable as fuel for Waste-to-Energy (WTE) plants, coal power plants, or cement kilns. It can also be used as a Class-A fertilizer for agricultural use, or land application.
Keywords: Drying, Biosolids, Sludge, Solar, Waste, Energy, CO2.
1 INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas, o foco do tratamento de águas residuais tem se voltado para a implantação de novos métodos para a coleta e tratamento das águas de uma forma mais eficiente, antes que sejam descartadas no meio ambiente. Estes processos, invariavelmente, produzem esgoto, cujos quais, todos os poluentes, patógenos e outras substâncias que não são degradadas durante o processo, ficam acumuladas. Pouca atenção tem sido dada quanto à disposição de resíduos de materiais. Entretanto, esse quadro vem mudando, pois, o uso benéfico desse subproduto é visto como parte importante de todo o processo de tratamento de águas residuais, tanto economicamente como ecologicamente. O lodo de esgoto é úmido, não é muito bem compactável e pode conter uma quantidade considerável de patógenos, poluentes orgânicos e metais pesados, além de ter o potencial de produzir odores altamente indesejáveis. A prática comum de simplesmente despejar-se o esgoto não tratado vem, consequentemente, tornando-se cada vez mais inaceitável.
Portanto, etapas de tratamento adicionais são necessárias para converter o lodo de esgoto em um biossólido valioso, e que possa ser reutilizado beneficamente (SPINOSA; AARNE VESILIND, 2001). Os teores de umidade, patógenos e odores devem ser reduzidos. E o valor calorífico e a estabilidade biológica devem ser maiores. Mais importante ainda é o fato de que o material deve ser seguro, e que possa ser tratado de forma conveniente para minimizar os custos de transporte que estão sempre em ascensão devido tanto ao aumento dos custos de combustível, como da falta de disponibilidade de locais próximos para o despejo.
Dependendo de sua composição, lodos de esgoto adequadamente tratados podem ser utilizados como combustível para a geração de energia, também como fertilizante para uso agrícola, ou como corretivo de solos para a restauração da terra. Entretanto, elevados custos de investimentos, consumo de energia, emissões e/ou pegada de CO2 têm dificultado o uso mais amplo dos processos de tratamento tradicionais de lodo de esgoto, como por exemplo, o de secagem térmica, compostagem, entre outros (MELSA et al., 1999).
Neste contexto, as plantas de secagem solar e de baixa temperatura auxiliadas pela secagem solar têm se mostrado serem novas alternativas promissoras, mesmo em locais de clima moderado a frio, como na Alemanha (BUX; BAUMANN, 2003a; BUX et al., 2002). Como prova dessa afirmação, mais de 300 plantas de secagem solar e de baixa temperatura auxiliada pela secagem solar, vêm sendo instaladas em todo o mundo, mediante a uma grande variedade de diferentes climas. Entretanto, a maior parte desses secadores solares são pequenos (BUX; BAUMANN, 2003a) e muitos especialistas ainda acreditam que secadores solares não são adequados para grandes instalações. Consequentemente, este artigo descreve as recentes experiências com a maior planta de secagem solar do mundo, localizada em Palma de Mallorca (Espanha), e a maior planta do mundo de baixa temperatura auxiliada pela secagem solar, localizada em Oldenburg (Alemanha).
2 SECAGEM SOLAR DO ESGOTO
Plantas de secagem solar utilizam a radiação solar e o potencial de secagem do ar do ambiente como fontes de energia térmica para secagem (BUX; BAUMANN, 2003a). Consequentemente, as necessidades requeridas por uma planta podem ser relativamente grandes e dependem das condições climáticas. Entretanto, não há consumo direto de combustíveis fósseis. Além disso, o consumo de energia elétrica é de 20 a 40 kWh por tonelada de água evaporada, o que significa de duas a três vezes menos em comparação com os secadores térmicos descritos na literatura (BUX; BAUMANN, 2003a; MELSA et al., 1999). Em condições de clima moderado, a pegada de carbono está sendo reduzida, como já encontrada na Alemanha, onde a pegada de carbono é de 24 kg de CO2 por tonelada métrica de água evaporada (BUX; BAUMANN, 2003b). Esse é um valor menor que 15% do que é tipicamente emitido em 170 kg de CO2 por tonelada de água evaporada de secadores térmicos a gás (HILL; BUX, 2010).
Atualmente, a maior fábrica de secagem deste tipo na Europa está localizada em Palma de Mallorca, Espanha. A planta está projetada para uma capacidade de 600.000 Equivalente de População (EP), ou aproximadamente 40 milhões de US por dia (MGD), abrangendo uma área total de 20.000 m² (215.000 ft2), sendo esses valores, o necessário para a secagem de quase 50% de todo o esgoto produzido em toda a ilha de Mallorca. A Figura 1 ilustra uma vista aérea da planta de secagem.
Figura 1 – Vista aérea da maior fábrica de secagem solar de lodo de esgoto da Europa, em Palma de Mallorca (600.000 EP, 40 US MGD)
Fonte: Thermo-System (2010).
Essa planta de secagem foi comprada pela empresa espanhola TIRME S.A., a qual também opera a planta do Governo das Ilhas Baleares. Ela foi projetada, medida e construída em 2007-2008 pela Thermo-System GmbH da Filderstadt, Alemanha. Atualmente, a Thermo-System – com cerca de 200 plantas de secagem e com quinze anos de experiência operacional – é a líder do mercado no campo de baixa temperatura de secagem. As pressões política e legal, para cessar a aplicação de lodo de esgoto em áreas agrícolas e o aumento dos custos de disposição, levaram à construção dessa planta pelo cliente. Hoje em dia, o esgoto mais poluído da ilha, é secado na planta solar e depois usado como combustível em uma Planta-de-Energia-do-Lixo. O valor calorífico da secagem do esgoto é equivalente à cerca de 2 milhões de litros (530.000 galões) de combustível fóssil por ano. Apesar das exigências locais, a decisão de utilizar a tecnologia de secagem solar foi impulsionada pelos baixos custos de secagem do processo. Hoje em dia, os custos da secagem por tonelada de água evaporada, incluindo o capital, energia e custos operacionais, são menores que a metade dos custos esperados em uma planta de secagem térmica. Isto se deve às baixas temperaturas de secagem, de 10 a 40 °C (50 a 104 °F), o que requer assim, equipamentos mais simples e menores exigências do operador.
Figura 2 – Recebimento de lodo úmido, secagem e carregamento de lodo seco na planta de secagem solar de Palma de Mallorca
Fonte: Thermo-System (2010).
Dessa forma, as exigências de manutenção tornam-se menores, já que as únicas máquinas que entram em contato com o lodo são uma pá carregadeira e 24 “Electric Moles®” – pequenas máquinas autônomas para mistura, aeração, e distribuição do lodo, como ilustrado na Figura 2.
Outros componentes das máquinas, tais como ventiladores, abas, sensores e os controles-PLC, são projetados para terem um prazo de uso de vida longa e de simplicidade na operação e manutenção. As câmaras de secagem são construídas com concreto e com vidro especial, consequentemente, quase nenhuma manutenção é necessária para esta parte da planta.
Devido ao fato de que a planta em Palma é uma facilidade regional, o esgoto é transportado em um caminhão, das diversas estações de tratamento de águas residuais (ETAR) para a fábrica de secagem. Por dia de trabalho, um carregador da parte frontal descarrega uma das doze câmaras de secagem de lodo seco. Então, ocorre um carregamento imediato com 80 a 150 toneladas de lodo úmido. A carga e descarga são rápidas, levando menos de três horas no total. Além disso, os tempos requisitados para a supervisão e manutenção são baixos, levando geralmente não mais do que 1-2 horas por dia para a averiguação de toda a instalação.
A Figura 3 ilustra os resultados das medições em Palma de Mallorca, em 2009. Um total de aproximadamente 30.000 toneladas de lama foram secas a partir de 19 a 72% de Sólidos Secos (SS). E isto, apesar de uma entrada de teor de SS menor que 6% do que o esperado pelo projeto original. O que corresponde a uma evaporação de quase 20.000 de toneladas de água.
A instalação não precisa ser permanentemente vigiada. Apenas para a operação de carga e descarga é exigida a presença de trabalhadores. Qualquer equipamento que esteja com defeito, não ocasionará riscos de segurança, como também não influenciará de forma significativa no processo de secagem. A água continuará a evaporar-se a partir do lodo e, portanto, de modo geral, não é necessária uma ação imediata. Caso ocorra uma falha, mesmo sendo durante um final de semana prolongado, o reparo poderá ser efeito no próximo dia, com a presença da equipe de colaboradores. Esta é uma importante vantagem do processo descontínuo em relação ao processo de secagem contínuo, onde qualquer falha reduzirá o desempenho a zero e, portanto, deverá ser reparado imediatamente.
A logística é extremamente simplificada devido a capacidade tampão das câmaras de secagem. O transporte para a instalação de secagem a partir de diversos ETAR e da planta de secagem para a planta-RPE são menos complicadas quando comparadas ao convencional processo de secagem térmica.
Figura 3 – Dados meteorológicos, de esgoto e da produção na fábrica de secagem solar de Palma de Mallorca, em 2009
No caso em que o lodo não suficientemente estabilizado seja levado à planta de secagem, as câmaras individuais de secagem podem, durante a primeira fase, serem ligadas a um sistema de tratamento de ar. Deve ser observado que, desde que devidamente estabilizado, o ar exaustado do lodo não necessita de tratamento. Isto se deve ao sistema de controle automático de temperatura que mantém o lodo refrigerado e sob condições aeróbias durante a primeira fase crítica de secagem. Até o momento, não ocorreram nenhuma violação dos limites legais de odores e outras emissões.
3 BAIXAS TEMPERATURAS AUXILIAM NA SECAGEM SOLAR DE LODO DO ESGOTO
Apesar das diversas vantagens do processo de secagem solar, como baixos custos de secagem, baixa exigência de energia, operação simples, e baixas pegadas de CO2; existem duas principais desvantagens nesse tipo de planta:
1. A exigência da área da planta depende das condições climáticas do local.
2. Devido às mudanças no clima, o desempenho de secagem varia durante o ano. Consequentemente, a área total da planta deve ser grande o suficiente para fornecer uma capacidade tampão adequada.
Isto é especialmente válido para os climas mais frios, ou quando a área disponível for limitada. Entretanto, se o calor proveniente de outras fontes estiver disponível, estas desvantagens poderão ser superadas. O excesso de calor, que não pode ser utilizado em outro processo, poderá ser aplicado, com um baixo custo, no secador solar. Esse calor poderá ser utilizado para a água de refrigeração de motores, turbinas ou processos industriais ou em outras fontes de calor. Se a temperatura do fluído for maior que 40 °C (104 °F), é possível uma utilização eficiente do calor.
Atualmente, a maior planta de baixa temperatura auxiliada pela secagem solar em operação está localizada em Oldenburg, perto de Bremen, no norte da Alemanha. A Figura 4 ilustra a vista geral da planta de secagem em Oldenburg.
Figura 4 – Vista panorâmica da maior planta do mundo de baixa temperatura auxiliada pela secagem solar, em Oldenburg, FRG (600.000 PE, 40 US MGD)
Os lodos de esgoto provenientes de diferentes menores ETAR são levados até a planta de Oldenburg, onde é realizada a secagem a partir de um teor inicial de Sólidos Secos de 15-30% para um teor de Sólidos Secos final de 60-70% DS. Apenas 6.000 m² (64.500 ft2) são necessários para a secagem de até 40.000 toneladas de lodo úmido por ano. O que é, pelo menos, cinco vezes mais, por metro quadrado, quando comparado com o rendimento de uma instalação de secagem solar, a qual não é submetida às mesmas condições climáticas. O material seco é utilizado como substituto do combustível em uma central elétrica de carvão, onde cerca de 6.600 MWh de eletricidade pode ser gerada, enquanto que 9.000 toneladas de carvão marrom e cerca da mesma quantidade de emissão de CO2 são reduzidas.
A energia térmica necessária para o “backup” do aquecimento do secador é um desperdício de calor do processo de esterilização industrial. Devido à natureza deste tipo de indústria, a disponibilidade de energia varia entre 0 e 6 MW durante uma semana. Assim como, o nível da temperatura do fluído de aquecimento (água) também não é constante nos ciclos entre 65 e 85 °C (150 – 185 °F). Entretanto, uma vez que o processo escolhido para a planta de Oldenburg é um processo descontínuo, as seis câmaras de secagem não apresentaram nenhum problema em relação à oscilação do fornecimento de calor. O tempo de secagem total se eleva apenas quando a disponibilidade de energia é baixa. Devido às baixas temperaturas de secagem, de 25 a 45 °C (77 – 113 °F) no interior das câmaras, os riscos técnicos são pequenos, assim como os riscos nas plantas de secagem solar não assistidas, e os erros de tempo crítico são excluídos. Devido à baixa exigência de pessoal para operação, é necessário apenas um operador em tempo parcial para cuidar da supervisão e manutenção da planta.
Devido ao fato de que a planta de secagem está localizada próxima a um local residencial, além do fato de que a secagem é realizada do lodo de esgoto instável, um sistema de tratamento do ar exaustado (água e biofiltro) é usado para limpar o ar exaustado antes da sua emissão ao ambiente.
4 O BIOSSÓLIDO NA AGRICULTURA
Além da capacidade de conversão do lodo de esgoto em combustível, a secagem solar também propicia a possibilidade de produção de biossólido Classe A para uso na agricultura, de acordo com a norma 503 US EPA (BUX et al., 2001). Nos últimos anos, diversas plantas, atendendo a esse requisito, foram construídas nos Estados Unidos. Atualmente, a maior planta Classe A com licença para operar é a planta 10 MGD, em Merced (CA).
5 CONCLUSÕES
Devido aos baixos custos de secagem, consumo de energia, e pegadas de CO2, assim como, a simplicidade e os baixos riscos de operação, as plantas de secagem solar e de baixa temperatura auxiliada pela secagem solar, mostraram-se como uma tecnologia eficaz para a conversão do lodo em biossólidos valiosos. Em comparação com as plantas de secagem convencionais de mesmo tamanho, a mão de obra, o consumo de energia e os custos para secagem são tremendamente reduzidos. Além disso, a maior parte dos custos totais está relacionada aos investimentos iniciais (custo de capital, depreciação) e, portanto, não está sujeita à alterações durante o período de vida de uma planta. Os custos variáveis, como energia, operação e manutenção, influenciam o custo total para uma extensão muito menor. Isso estabiliza os custos esperados para secagem, tornando-os independentes das condições do mercado.
Figura 5 – Material peletizado ensacado usado como fertilizante e carregamento de um caminhão com lodo de secagem solar usado como combustível em uma fábrica de cimento
O material solar seco é atualmente usado como um fertilizante US-EPA Classe-A, adaptado para a agricultura ou como combustível em plantas RPE, plantas de carvão e em fornos de cimento. A Figura 5 ilustra alguns exemplos localizados na Europa.
Devido ao conceito modular da tecnologia, ele é aplicado para pequenas instalações descentralizadas, grandes plantas centrais, ou ainda em instalações regionais. Contudo, o número de grandes instalações de secagem solar, como as novas grandes instalações localizadas em Nantes, França; Bettembourg, Luxemburgo e em Fayetteville (AR), USA, entre outras, ainda são limitadas. A maior fábrica de secagem solar do mundo está em construção em Dubai. Na fase final, essa fábrica terá a capacidade de tratar 140.000 t por ano de lodo mecanicamente desidratado, o que corresponde a cerca de 2,5 Mio PE.
REFERÊNCIAS
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BUX, Markus. Secagem do Lodo do Esgoto Comum e Industrial em Plantas de Tratamento de Águas Residuais: uma forma sustentável de administração do lodo. In: FRICKE, Klaus; PEREIRA, Christiane; LEITE, Aguinaldo; BAGNATI, Marius. (Coords.). Gestão sustentável de resíduos sólidos urbanos: transferência de experiência entre a Alemanha e o Brasil. Braunschweig: Technische Universität Braunschweig, 2015. Disponível em: <https://goo.gl/BE246I>. Acesso em: .
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