Desaguamento de lodo anaeróbio em sistema natural com uso de manta geotêxtil


Resultados de uma pesquisa envolvendo desaguamento de lodo anaeróbio em leito de drenagem permitem concluir que há forte tendência desse sistema natural em reduzir o volume de lodo, tornando possível sua aplicação, que tem como vantagens a dispensa do uso de energia elétrica e de produtos químicos.


Paulo Ricardo S. Coimbra, Gustavo Smidt Oliveira, Bruna Caroline Marola, Amanda D. Escobal, alunos de engenharia civil da UFSCar – Universidade Federal de São Carlos, e Cali Laguna Achon, profa. da UFSCar

Data: 20/09/2017

Edição: Hydro Setembro 2017 - Ano XII - No 131

Compartilhe:

Fig. 1 – Leito e protótipode drenagem desenvolvido por Cordeiro [1] utilizado na pesquisa em escala reduzida

A universalização do saneamento básico ainda é um grande desafio no Brasil. De acordo com dados de 2015 do SNIS – Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento, pouco mais da metade da população urbana do país (58,0%) é atendida por redes de esgoto e apenas 42,7% do esgoto gerado é tratado.

A fim de atingir a plena cobertura desses serviços, os investimentos relativos à construção de ETEs – estações de tratamento de esgotos devem ser ampliados. Esses sistemas de tratamento, contudo, geram um resíduo sólido, denominado de lodo de esgoto, que exige destinação final adequada [1]. Conforme estimativa da produção de lodo de ETEs no Estado de São Paulo, baseada nos processos de tratamento e na população atendida, concluiu-se que são geradas 150 mil toneladas de lodo seco por ano [2]. Dessa forma, a perspectiva de universalização do saneamento no Estado e também em nível nacional elevará progressivamente a geração desse resíduo. O lodo, porém, possui gestão complexa, que representa entre 20% e 60% dos custos operacionais de uma planta de tratamento, fazendo com que muitas vezes esse aspecto seja negligenciado e o resíduo tenha destinação inadequada [1].

Entretanto, a legislação brasileira tem evoluído nas questões de controle ambiental. Nesse sentido, destaca-se a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), Lei 12.305/2010, que conceitua e diferencia resíduo e rejeito em seu art. 3º, incisos XV e XVI, e classifica o lodo gerado em ETE como resíduo sólido, portanto, este deve estar em consonância com os preceitos dessa lei e da série de normas NBR 10.004/2004.

No campo normativo é importante ressaltar as Resoluções No 357/2005 e No 430/2011 do Conama – Conselho Nacional de Meio Ambiente, as quais têm por objetivos o estabelecimento de classes de enquadramento dos corpos d’água e nortear o controle de lançamento dos efluentes líquidos. Dessa forma, mesmo que gradativamente, as operadoras têm sido obrigadas a destinar o lodo de esgoto de forma ambientalmente correta.

A dificuldade encontrada na gestão e destinação adequada do resíduo está em sua composição. O lodo gerado pelo esgoto doméstico é constituído por micro-organismos, matéria orgânica e inorgânica, e em sua maior parte (> 95%), é composta de água, dificultando o manejo e sua disposição final. Por esse motivo, uma etapa importante no gerenciamento do lodo é o desaguamento, que consiste na retirada da água livre contida nos interstícios dos sólidos.

Segundo Cordeiro [1], os principais benefícios do desaguamento são:

Além dessas vantagens, o lodo desaguado ainda apresenta alternativas de reaproveitamento. A torta de lodo desaguado pode ser empregada para recuperação de áreas degradadas, como matéria-prima para indústrias da construção civil ou como biossólido na agricultura.

As tecnologias utilizadas para o desaguamento podem ser classificadas em sistemas mecânicos, com equipamentos como filtros-prensa, centrífuga e prensa desaguadora, e sistemas naturais, com destaque para lagoas de lodo e os leitos de secagem [3]. Mas segundo Kuroda et al. [4], os sistemas naturais têm se destacado em relação aos mecânicos graças aos baixos gastos de implantação e manutenção, facilidade de operação e por não necessitarem de recursos como energia elétrica e condicionantes (produtos químicos).

Cordeiro [1] pesquisou modificações na estrutura dos tradicionais leitos de secagem, adicionando mantas geotêxteis como camada filtrante e retirando a camada de areia. As melhorias observadas no tempo de drenagem da água livre com o novo arranjo levaram ao desenvolvimento do leito de drenagem (LD).

Fig. 2 – Variação da vazão de drenagem da água livre

Todavia, grande parte dos estudos relacionados ao LD trata apenas do desaguamento de lodo gerado em ETAs – estações de tratamento de água, com a evidência de excelentes resultados, o que justificou o estudo de aplicação desse sistema no desaguamento de lodo proveniente de ETEs. Poucas foram as pesquisas encontradas ou relacionadas indiretamente ao desaguamento de lodo de ETE em LD.

Objetivo

Avaliar o desaguamento e redução de volume de lodo anaeróbio gerado em estação de tratamento de esgoto sanitário usando protótipo de leito de drenagem, sistema de desaguamento natural aberto, com uso de manta geotêxtil não tecida e sem uso de condicionantes, avaliando também a qualidade do efluente durante a fase de drenagem e a concentração final do lodo desaguado durante a fase de secagem.

Materiais e métodos Inicialmente foram realizados ensaios preliminares com duração de 60 minutos sem uso de condicionante (polímero), que serviram para testar e aperfeiçoar os procedimentos utilizados e, portanto, seus resultados não serão mostrados neste artigo.

O sistema natural de desaguamento de lodo denominado leito de drenagem (figura 1) foi desenvolvido por Cordeiro [1]. É composto por uma camada de brita 01 de cerca de 5 cm de altura e manta geotêxtil não tecida. Em seguida foram construídos mais dois novos protótipos de LD, baseados no original com uma pequena redução na área do leito e na altura do suporte (ambos foram usados na pesquisa). As dimensões do protótipo de LD em escala reduzida têm área externa de 60 x 60 cm e interna de 35 x 35 cm, e altura de 25 cm.

As amostras de lodo anaeróbio foram coletadas antes do início de cada ensaio nos reatores UASB da ETE Monjolinho localizada em São Carlos, SP. A estação é composta por sistema de gradeamento grosso e fino, reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), mistura rápida, floculação, sistemas de flotação e desinfecção. A capacidade de tratamento é de 600 L/s e a geração de lodo fica em torno de 15 toneladas por dia em base úmida, desaguado mecanicamente através de centrífuga e disposto em aterro.

Foram coletados 50 litros de lodo do reator UASB para realização de dois ensaios com aplicação de 20 litros de lodo bruto em cada, variando os tipos de manta geotêxtil (densidade):

Fig. 3 – Variação do volume acumulado de drenagem da água livre

Nesses Ensaios, com Nesses ensaios, com duração total de 29 dias, foram avaliadas a drenagem e a secagem do lodo e também a qualidade do líquido drenado. Para tal foram definidas as seguintes variáveis de controle: taxa de aplicação de sólidos (TAS), vazão de drenagem, volume drenado acumulado, cor aparente, turbidez e pH do drenado, e por fim o teor de sólidos totais do lodo bruto e desaguado. A determinação das variáveis seguiu métodos preconizados pela APHA/AWWA/WEF [5], conforme a tabela I.

Antes do início de cada ensaio foram coletadas amostras do lodo bruto em triplicata para verificar a concentração de sólidos inicial. Com esses resultados fez-se uma média aritmética, cujo valor serviu para cálculo da TAS em kgST.m -2, a partir da equação 1, na qual o volume de lodo aplicado ao sistema é representado pela letra V (L), a média da concentração de sólidos total inicial por ST (kg.L-1) e área de fundo do protótipo do LD por Af (m2):

Taxa de aplicação de sólidos = (V/Af).ST [kgST.m-2] (1)

Após a aplicação de 20 litros de lodo nos protótipos foi medida a vazão de drenagem e o volume acumulado do líquido drenado em intervalos de 1, 10, 30 e 60 min, e a cada 60 min até quando a vazão atingiu valor inferior a 10 mL/min. A vazão foi medida através de um volume pré-definido cujo tempo para coleta foi aferido com cronômetro. Nos intervalos em que foi medida a vazão também foram coletadas amostras do líquido drenado para verificar a qualidade (cor aparente, turbidez e pH) durante a primeira hora de ensaio.

Também durante a fase de drenagem foi avaliada a porcentagem de redução de volume de lodo, calculada pela equação 2, onde temos as variáveis medidas: volume inicial total aplicado no ensaio (Vit = 20 litros) e o volume acumulado drenado em determinado tempo de ensaio (Vad):

% Redução de volume do lodo = (Vad / Vit ).100 [%] (2)

Ao final da fase de drenagem, que durou três horas, em ambos os ensaios foi coletada uma amostra do lodo desaguado para verificar o teor de sólidos totais. Em seguida, iniciou-se a fase de secagem, quando foram coletadas amostras do lodo desaguado diariamente durante 5 dias, visando quantificar a evolução do processo de secagem. Por fim foi coletada apenas mais uma amostra do lodo, após 29 dias do início do ensaio, caracterizando o teor de sólidos totais final da torta de lodo desaguado.

Fig. 4 – Variação da redução de volume do lodo anaeróbio de ETE

Resultados

A tabela II apresenta as variáveis de controle de início dos dois ensaios realizados, de acordo com a metodologia. Ressalta-se que a amostra 3 do ensaio 1 foi perdida e por isso a concentração e o teor de sólidos iniciais desse ensaio foram determinados em duplicata.

A aplicação de lodo bruto com características semelhantes nos dois leitos é de extrema importância para permitir comparações entre as mantas. Na figura 3 têm-se os resultados da vazão de água livre drenada para os dois ensaios.

Analisando a figura 2, é possível notar que a drenagem atingiu um valor menor do que 10 ml/min após 3 horas, caracterizando esse tempo como fim da drenagem para os dois ensaios, conforme Barroso [6]. Além disso, percebe-se também que o comportamento da curva de vazão de ambos é semelhante à função exponencial negativa, tendendo a zero com o passar do tempo. Por fim, percebe-se que a manta de 200 g/m2 apresentou valor de vazão no tempo de 1 minuto, em torno de 51% superior à vazão do ensaio 1 no mesmo tempo. Mas a partir do tempo de 10 minutos, os valores de vazão apresentadas pela manta 2 foram sempre inferiores aos da manta 1.

A figura 4 evidencia os resultados do volume acumulado drenado nos ensaios de desaguamento em leito de drenagem, enquanto a figura 5 ilustra os resultados de redução de volume do lodo anaeróbio.

Ao avaliar as figuras 3 e 4, é possível notar que após 1 hora do ensaio 1, o volume acumulado era de 7,725 litros, o que corresponde a uma redução de 38,63%. Já no ensaio 2, esses valores eram de 7,350 litros e 36,75%, respectivamente. Pelo fato de as vazões apresentadas no ensaio 2 serem sempre menores que aquelas do ensaio 1 a partir dos 10 minutos, é esperado que o volume acumulado drenado final e também a redução do volume de lodo fossem menores nesse ensaio. Ainda assim, os valores finais de volume acumulado do líquido drenado e redução de volume do lodo foram bem próximos, podendo ser explicados pela proximidade entre os valores das taxas de aplicação de sólidos de ambos os leitos.

Em relação à qualidade da água drenada, na tabela III são apresentados os resultados de cor aparente, turbidez e pH para ambos os ensaios. Ressalta-se que a qualidade do líquido drenado apresentada na tabela III melhora à medida que o tempo de drenagem evolui, o que pode ser explicado pelo preenchimento dos vazios da manta geotêxtil, auxiliando a retenção dos sólidos. Além disso, a diferença entre as gramaturas das mantas geotêxteis é significativa para a turbidez e a cor aparente. Tal discrepância é bem acentuada até o tempo de ensaio de 10 minutos. Isso pode ser explicado devido à retenção de sólidos apresentada pela manta 1, que possui maior densidade, o que implica menores valores de turbidez e cor que aqueles da manta 2.

Fig. 5 – Evolução do teor de sólidos totais da torta de lodo em função do tempo

A figura 5 apresenta a evolução do teor de sólidos totais do lodo desaguado ao longo do tempo durante a fase de secagem do lodo. Percebe-se que há evolução considerável na concentração de sólidos da torta, mostrando grande potencial de reduzir ainda mais a umidade do lodo, visto que em apenas 48 horas o teor de sólidos aumentou mais que cinco vezes, atingindo valores de 23,30% e 24,91% de sólidos totais para os ensaios 1 e 2, respectivamente. É importante ressaltar também que ambos os leitos ficaram expostos às mesmas condições climáticas e, portanto, esse não é um fator causador de diferenças entre os ensaios.

Outro detalhe significativo é que a queda no teor de sólidos do ensaio 2 entre o terceiro e quinto dia é explicada pelo fato de a coleta de amostra do quarto dia ter sido realizada logo após intensa precipitação. Como a após intensa precipitaçãágua não havia escoado totalmente, isso influenciou consideravelmente a umidade da torta. Entretanto, é sabido que a precipitação não interfere sobremaneira na velocidade do processo de secagem de modo geral, e sim a alta umidade do ar, que permanecendo pode atrapalhar decisivamente a fase de secagem [6].

A ausência de dados para o quarto dia do ensaio 1 (figura 5) deve-se à quebra da cápsula com lodo seco no processo de retirada da estufa. Considerando a evolução do processo de secagem do lodo no LD em relação à contribuição da manta geotêxtil, apesar de o aumento do teor de sólidos do ensaio 1 ser mais acentuado durante os cinco primeiros dias, ao final do ciclo (29 dias), os resultados do teor de sólidos totais do lodo para ambas as mantas alcançaram valores muito semelhantes. Quanto às questões operacionais, destaca-se que a torta formada após 29 dias apresentou aparência de solo seco, facilitando a retirada do resíduo final.

Comparando os resultados com a literatura, Fontana et al. [7] apresentou redução de volume da ordem de 94% em 30 dias, para lodo gerado em lagoa de estabilização desaguado em LD usando manta tecida de 160 g/m e manta não tecida de 400 g/m2, e TAS entre 14 e 17 kgST/m2. Nesta pesquisa, a redução de volume foi avaliada durante a fase de drenagem atingindo valores de 55% em apenas três horas e teor de sólidos de 91% após 29 dias.

Mortara [8] obteve torta com concentração de apenas 34,65% de sólidos totais após 34 dias de secagem, sem a utilização de produtos químicos, com teor de sólidos inicial de 2,76% e TAS de 15,35 kg/m2. Os resultados desta pesquisa demonstram que em apenas cinco dias o teor de sólidos totais do lodo é 44,87% e 33,06%, e cerca de 90% após 29 dias, resultados superiores aos encontrados por Mortara, porém com teor de sólidos inicial do lodo bruto maior (4,50% e 4,86%) e taxa de aplicação de sólidos menor (TAS de 7,9 e 7,4 KgST/m2).

Em relação aos resultados de desaguamento de lodo de UASB em leito de secagem convencionais (areia), Silva e Chernicharo [9] atingiram 66% de teor de sólidos em 20 dias, com teor de sólidos inicial de aproximadamente 4% e TAS de 7,5kg/m2 e teor de sólidos 43% em 20 dias para o mesmo lodo com TAS 12,5 kgST/m2.

Esta pesquisa também apresentou resultados superiores, ou seja, teor de sólidos de cerca de 90% em 29 dias para as TAS de 7,4 e 7,9 KgST/m2, respectivamente.

Conclusões

Foram encontradas poucas pesquisas relacionadas ao desaguamento de lodo gerado em ETE em leitos de drenagem, porém com resultados promissores. Os resultados de pesquisas sobre desaguamento de lodo em LD são mais direcionados ao lodo gerado em ETAs, que concluem a eficiência e aplicabilidade desse sistema natural de redução de volume de lodo gerado em ETA.

A característica da manta geotêxtil pode infl uenciar na fase de drenagem, sendo que a vazão inicial do líquido drenado para a manta com menor densidade é maior. Porém ao longo da fase de drenagem esse fator se inverte e a vazão de drenagem após 10 minutos é maior na manta com maior densidade, aproximando-se os valores após uma hora de ensaio, o que pode ser explicado pelo preenchimento dos vazios da manta pelos sólidos presentes no lodo. A qualidade do líquido drenado melhora à medida que o tempo de drenagem evolui, atingindo resultados semelhantes para ambas as mantas após 30 min. O volume drenado acumulado, assim como a redução de volume durante a fase de drenagem (três horas) é maior para a manta 1, com maior densidade, considerando a taxa de aplicação de sólidos de 7,9 KgST/m2.

Durante a fase de drenagem para ambos os ensaios houve redução considerável de volume de lodo, da ordem de 55% para a manta 1 e 50% para a manta 2, em apenas três horas de ensaio. Além disso, a secagem mostrou-se eficaz, visto que foram atingidos teores de sólidos da ordem de 33% a 45% em cinco dias, e 91% após 29 dias.

Os resultados de desaguamento de lodo anaeróbio em LD permitem concluir que há forte tendência em reduzir o volume de lodo e, portanto, a aplicação desse sistema natural, que não usa energia elétrica e produtos químicos (condicionantes).

Recomendações

Indica-se a avaliação dos efeitos de diferentes taxas de aplicação de sólidos e da utilização sucessiva das mantas geotêxteis, visando analisar os possíveis efeitos causados por ciclos contínuos de operação, principalmente em relação à vazão e à qualidade do líquido drenado. Também é recomendável o uso de cobertura plástica sobre o LD para ampliar a eficiência da secagem do sistema, segundo Reis [10].

Referências

  1. Cordeiro, J. S.: Processamento de lodos de Estações de Tratamento de Água (ETA’s). In: Andreolli, C. V. (Coord). Resíduos sólidos do saneamento: processamento, reciclagem e disposição final. Capítulo 9. Rio de Janeiro: ABES, 2001. 282 p. (Projeto Prosab).
  2. São Paulo (Estado). Secretaria do Meio Ambiente. Plano de Resíduos Sólidos do Estado de São Paulo. 1a ed. – São Paulo: SMA, 2014, 350 p.
  3. Achon, C.L.: Barroso, M. M; Cordeiro, J.S. (2008).: Leito de Drenagem: sistema natural para redução de volume de lodo de estação de tratamento de água. Revista Engenharia Sanitária e ambiental. ABES, Rio de Janeiro. Vol. 13 – No 1 – jan/mar 2008, 54-62p. http://dx.doi.org/10.1590/S141341522008000100008.
  4. Kuroda, E. K.; Silveira, C.; Macedo, J. G.; Lima M. S. P.; Kawahigashi, F.; Batista, A. D.; Silva, S. M. C. P.; Fernandes, F.: Drenagem/secagem de lodo de decantadores de ETA em manta geotêxtil. Revista DAE, n. 194, p.2434, 2013.
  5. APHA American Public Health Association (2001).: Standard Methods for The Examination of Water and Wastewater. 20.ed. 20.ed. Washington DC, USA. 2001.
  6. Barroso, M. M.: Influência das micro e macropropriedades dos lodos de estações de tratamento de águas no desaguamento por Leito de Drenagem (Influence of micro and macroproperties in dewatering water treatment plants sludges by Drainage Bed). 249p. Tese (Doutorado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos.
  7. Fontana, A. O.; Oliveira, A. C.; Arvati Neto, O. A.; Granello, E. C. A.; Cordeiro, J. S. (2007).: Redução de lodo digerido gerado em lagoas de estabilização com utilização de leito de drenagem. In: Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 24. Belo Horizonte/MG, 2007.
  8. Mortara, F. C. (2011).: Utilização de leitos de drenagem no desaguamento de lodos anaeróbios. Dissertação (mestrado). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária. 241p.
  9. Silva, C. M.; Chernicharo, C. A. L. (2007).: “Desaguamento em leitos de secagem de lodo de reatores UASB tratando esgotos domésticos: rendimento do leito e características do percolado”. Anais do 24o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Belo Horizonte, Brasil, v.1, p. 1-14.
  10. Reis, R.F. (2011).: Estudo de Influência de Cobertura Plástica na Remoção de Água de Lodos de Estações de Tratamento de Água em Leitos de Drenagem. 131p. Dissertação (Mestrado). Universidade Federal de São Carlos/UFSCar. São Carlos.