ELEARNI NG FOR THE OPERATORS OFWASTEWATER TREATMENT
Capi t ul o2. 7
MANUSEAMENTO DEBIO SÓLIDOS
Projeto Nireas
2.7 MANUSEAMENTO DE BIO SÓLIDOS Os processos de tratamento de aguas residuais descritos até este ponto removem sólidos e CBO do curso de resíduos antes do efluente líquido ser despejado nas suas águas recetoras. O que fica para ainda ser removido é uma mistura de sólidos e resíduos, a que se chama residuais do processo, mais habitualmente referidos como lamas ou bio sólidos. O despojamento de bio sólidos tem vindo a tornar-se uma preocupação ambiental. Novos tratamentos, processos de desinfeção e métodos de descarga estão disponíveis para ajudar os sistemas a corresponderem a regulamentações cada vez mais exigentes. O aspeto mais dispendioso e complexo do tratamento das águas residuais é a recolha, processamento e descarga de lamas porque a quantidade de lama produzida pode corresponder a 2% do volume original das águas residuais, dependendo do tipo de processo de tratamento utilizado. Uma vez que a lama pode conter 97% de água e porque o custo da descarga está relacionado com o volume da lama a ser processada, um dos objetivos principais do tratamento de lamas (em simultâneo com a necessidade de as estabilizar para que não sejam prejudiciais para o ambiente) é separar dos sólidos a maior quantidade de água possível. Os métodos de tratamento de lamas podem ser concebidos para corresponder a estes dois aspetos.
Nota: Os métodos de tratamento de lamas são normalmente divididos em três categorias: espessamento, estabilização e secagem.
E-learning
Página 1
Projeto Nireas
2.7.1 Produção de Bio sólidos As formas de lama iniciais são 3 a 7% de sólidos em suspensão; com cada pessoa a produzir em média cerca de 10-15 L de material de lama por semana, a quantidade produzida por dia, por semana, por mês e por ano é significativa. Devido ao volume e à natureza do material, a gestão das lamas é um fator bastante relevante na conceção e operacionalização de todas as estações de controlo da poluição das águas.
Note: O tratamento dos sólidos das águas residuais constitui mais de metade dos custos totais numa estação de tratamento secundário regular.
A lama das águas residuais é produzida nos processos de tratamento primário, secundário e químico.
No tratamento primário, os sólidos que flutuam ou assentam são removidos. O material flutuante é uma porção dos resíduos sólidos conhecidos como escória (ou espuma). Normalmente a escória não é considerada lama, no entanto, deve ser descartada de um modo ambientalmente aceitável. O material depositado recolhido no fundo de um clarificador é conhecido como lama primária. A lama primária pode também ser referida como “lama ou lodo corrida/o” porque não passou por um processo de decomposição. Lamas primárias em bruto oriunda de uma habitação doméstica comum podem ser deveras ofensivas e contêm uma elevada percentagem de água, duas características que tornam difícil o seu manuseamento.
Os sólidos que não são removidos no clarificador primário são conduzidos para a unidade primária. Estes sólidos são conhecidos como sólidos coloidais suspensos. O sistema de tratamento secundário (por exemplo, filtro biológico, lama ativada) é concebido para transformar estes sólidos coloidais em sólidos em depósito que possam ser removidos. Uma vez depositados,
E-learning
Página 2
Projeto Nireas
assentes, estes sdólidos podem ser removidos para o clarificador secundário. A lama em depósito no fundo do clarificador secundário denomina-se lama secundária. As lamas secundárias são leves, fofas e mais difíceis de processar do que as lamas primárias – em suma, o processo de desidratação das lamas secundárias não é eficaz, estas lamas não secam bem. Adicionar químicos e várias substâncias orgânicas e inorgânicas antes da sedimentação e da clarificação pode favorecer a captura de sólidos e reduzir a sua perda no efluente. Esta adição de químicos conduz à formação de sólidos mais pesados que armadilham os sólidos coloidais ou convertem os sólidos dissolvidos em sólidos depositáveis. Estes sólidos resultantes são conhecidos como lamas químicas.
Fontes de sólidos de ETARs convencionais Processo de operação da unidade Triagem
Sólidos em bruto
Remoção de areia/cascalho
Cascalho e escória
Pre-arejamento
Cascalho e escória
Sedimentação primária
Sólidos primários e escória
Tratamento biológico
Sólidos suspensos
Sedimentação secundária Instalações de processamento de sólidos
Tipos de sólidos
Biosólidos secundários e escória Sólidos, composto e cinzas
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 3
Projeto Nireas
Características de sólidos e lamas produzidos durante o tratamento de águas residuais Sólidos ou lama Descrição Triagem (rastreios)
Cascalho/areia
Escória/gordura
Lama primária
Lama de precipitação química
Lamas ativadas
Filtro de lama escorrido
Bio sólidos digeridos aerobicamente
Bio sólidos digeridos anaerobicamente
E-learning
Os rastreios incluem todo o tipo de materias orgânicos e inorgânicos suficientemente grandes para serem removidos por crivos de barras. O conteúdo organic varia, dependendo da natureza do sistema e da estação do ano. As areias são normalmente formadas pelos sólidos inorgânicos mais pesados que assentam a velocidades relativamente altas. Dependendo das condições de operacionalização, a areia também pode conter quantidades significativas de matéria orgânica, especialmente gorduras e graxas. A escória é composta pelos materiais flutuantes rastreados da superfície dos tanques de depósito primários e secundários, das câmaras de areia e dos tanques de contacto de cloro. A escória pode conter gorduras, óleos vegetais e minerais, gordura de origem animal, ceras, sabões resíduos de alimentos, vegetais e cascas de frutas, cabelos, papel e algodão, picas de cigarros, materiais plásticos, preservativos, partículas de cascalho e outros materiais semelhantes. A gravidade específica da escória é inferior a 1.0 , sendo normalmente cerca de 0.95. A lama dos tanques de depósito primários é normalmente cinzenta e viscosa e, na maior parte das vezes, tem um odor extremamente agressivo. A lama primária pode estar pronta para ser digerida sob condições de operação adequadas. A lama derivada da precipitação química com sais metálicos é normalmente de cor escura, embora a sua superfície possa ser vermelha se contiver muito ferro. A lama da cal é cinzenta-acastanhada. O cheiro da lama química pode ser tão agressivo como o da lama primária. Enquanto a lama química é, de algum modo, viscosa, o hidrato de ferro ou alumínio que contenha torna-a gelatinosa. Se a lama for deixada no tanque, passa por um processo de decomposição semelhante ao da lama primária, mas mais lentamente. Podem ser libertadas quantidades substanciais de gás e a densidade da lama pode aumentar devido a longos períodos de retenção. A lama ativada é, normalmente, castanha e floculenta. Se a cor estiver escura, significa que pode estar a ficar sética. Se a cor estiver mais clara do que habitualmente, pode significar que esteve sujeita a arejamento, implicando um assentamento mais lento dos sólidos. A lama em boas condições tem um odor a terra inofensivo. A lama tem tendência para ficar sética com rapidez, resultando na emissão de um cheiro desagradável a putrefação. A lama ativada está pronta a digerir-se por si só ou quando misturada com lama primária. A lama de húmus oriunda dos filtros escorridos é acastanhada, floculenta e relativamente inofensiva em termos odoríficos, quando fresca. Geralmente, decompõe-se mais lentamente do que outras lamas não digeridas. Quando a lama de filtros escorridos contém muitas larvas, pode tornar-se inofensiva rapidamente. A lama de filtros escorridos digere-se facilmente. Os bio sólidos digeridos aerobicamente são castanhos, castanhos escuros, e têm uma aparência floculenta. O odor da lama digerida aerobicamente é agressivo; é muitas vezes caracterizado como musty. As lamas aeróbicas bem digeridas desidratam facilmente nos leitos de secagem. Os bio sólidos digeridos anaerobicamente são de cor castanha escura a preta e contêm uma quantidade excecionalmente grande de gás de bio sólidos digeridos Quando bem digeridos, não são agressivos, o seu cheiro é relativamente fraco, semelhante ao de alcatrão quente, borracha queimada ou lacre. A lama primária, quando digerida anaerobicamente, produz cerca de duas vezes mais metano do que a lama ativada residual. Quando drenada para leitos porosos em camadas finas, os sólidos são primeiro transportados para a superfície pelos gases infiltrados, deixando um lençol de água límpida. A água escoa rapidamente, permitindo que
Página 4
Projeto Nireas os sólidos se depositem lentamente no fundo do leito. À medida que os sólidos secam, os gases libertam-se, deixando a superfície com fissuras e com um cheiro semelhante ao de barro num jardim. Os sólidos compostados são normalmente castanhos escuros a pretos, mas a cor pode variar caso tenham sido utilizados, no processo de compostagem, agentes promotores de volume, como composto reciclado ou lascas de madeira. O odor de sólidos bem compostados é inofensivo e assemelha-se aos fertilizantes de solo que são vendidos para fertilizar jardins, por exemplo.
Composto
(Eddy, 1999)
Quantidade de Água Habitual nas Lamas Processo de Tratamento da
Percentagem da
Água
Mistura de Lama, % 95
kg de Água/kg de Sólidos Produzidos por Lamas 19
Húmus, baixa velocidade
93
13,3
Húmus, alta velocidade
97
32,3
99
99
Sedimentação primária Filtro de lodo/lama escorrido/a
Lama ativada
(Frank R. Spellman, 2009)
E-learning
Página 5
Projeto Nireas
2.7.1 Pré-tratamento O pré-tratamento da lama é frequentemente necessário antes da secagem ou espessamento. Inclui a eliminação de cascalho, a triagem, mistura e armazenamento antes de qualquer tratamento posterior.
2.7.1.1 Moagem A moagem da lama envolve desfazer sólidos de lama de grandes dimensões em partículas mais pequenas. Este método é utilizado para prevenir problemas nos processos a jusante. As trituradoras em linha reduzem o tempo de limpeza e de manutenção do equipamento. Os moedores podem desfazer sólidos de lama de 6 a 13 mm, dependendo dos requisitos de design.
Moedor em linha (em cima, à esquerda); incisivos de um moedor (em baixo, à esquerda); instalação habitual de um moedor (à direita)
E-learning
Página 6
Projeto Nireas
2.7.1.2 Triagem A triage de lamas é uma alterantiva à moagem. O seu objetivo é remover os materiais fibrosos da lama. As aberturas da tela variam normalmente entre o 3 e os 6 mm, embora possam ser utilizadas aberturas até 10mm.
Prensa de triagem de lamas: (a) esquema e (b) vista de uma instalação de grandes dimensões.
(Eddy, 1999)
Prensa de triagens de lamas
E-learning
Página 7
Projeto Nireas
2.7.1.3 Eliminação de areias e cascalho Em algumas estações onde não são utilizadas instalações separadas de remoção de areias e cascalho antes dos tanques de sedimentação primária, ou onde as instalações de remoção de areias não são adequadas para lidar com picos de caudal e picos de carregamentos de areias, pode ser necessário remover as areias antes de se prosseguir com o processamento da lama. Consequentemente, é reduzido o desgaste dos sistemas de bombagem de afluente e de de lamas primárias, da canalização e dos sistemas de espessamento. Sendo necessário mais espessamento da lama primária, é aconselhável a eliminação de areias. O método mais eficaz de retirar a areia da lama é a uilização de forces centrífugas num sistema de caudal corrente para que as partículas de areia se separem da lama orgânica. Tal separação é alcançada através do uso de desarenadores ciclone que não têm partes movimentáveis. A lama é aplicada tagente a uma secção de alimentação cilíndicra, transmitido assim uma força centrífuga contínua. As partículas mais pesadas da areia saem da secção do cilindro e são descarregadas através de uma secção cónica de alimentação. As lamas orgânicas são despejadas através de uma saída diferente.
2.7.1.4 Mistura A mistura de lamas envolve a homogenização ludge de todos os cursos de lamas. A lama é produzida nos processos de tratamento de águas residuais primário, secundário e avançado. A lama primária consiste em sólidos assentáveis transportados pelas águas residuais em bruto. A lama secundária consiste em bio sólidos e sólidos assentáveis adicionais. A lama produzida em processos de tratamento avançado pode ser constituída por bio sólidos e sólidos químicos. A lama é misturada para produzir uma mistura uniforme destinada aos processos e operações a jusante. As misturas uniformes são as mais importantes nos sistemas de retenção por curtos períodos de tempo, como os de secagem de lamas, tratamento por calor e incineração.
2.7.1.5 Armazenamento Antes de a lama passar por tratamentos como a secagem ou o espessamento, tem de ser armazenada e pré-tratada. O armazenamento da lama é uma parte importante, integral, de qualquer sistema de tratamento e despojamento de lamas de águas residuais. O armazenamento de lamas tem vários benefícios incluindo a equalização do curso das lamas para os processos a jusante, permitindo a acumulação de lamas durante períodos em que as instalações de
E-learning
Página 8
Projeto Nireas
processamento de lamas não estejam a funcionar e permitindo uma velocidade de alimentação uniforme, favorável às operações de espessamento, condicionamento e secagem.
2.7.2 Espessamento O espessamento é praticado para remover a maior quantidade possível de água antes da secagem final da lama. Normalmente, é executado fazendo com que os sólidos flutuem na superfície do líquido (flotação), ou permitindo que os sólidos se depositem no fundo (espessamento gravítico). Outros métodos de espessamento consiste na centrifugação, filtragem sob pressão, ou filtragem sob vácuo. Estes processos oferecem formas económicas de reduzir a carga volumétrica da lama nas etapas seguintes.
E-learning
Página 9
Projeto Nireas
2.7.2.1 Espessamento por flotação O espessamento por flotação é utilizado com mais eficácia nas lamas residuais dos processos de tratamento biológicos de crescimento suspenso, como os processos de lama ativada. A água reciclada do espessamento por flotação recebe ar sob pressão. Durante este período de tempo, a água absorve mais ar do que absorveria sob uma pressão normal. O curso reciclado, em conjunto com os aditivos químicos (se utilizados) mistura-se com a corrente. Quando a mistura entra no espessador por flotação, o excesso de ar é libertado na forma de pequenas bolhas. Estas bolhas agarram-se aos sólidos e fazem com que eles subam à superfície. A acumulação de sólidos na superfície denomina-se de bolo flutuante. Quanto mais sólidos forem sendo adicionados à base do bolo flutuante, mais espesso se torna e a água escoa dos níveis superiores. Os sólidos são depois transportados para um plano inclinado através de um raspador e descarregados. O subnadante sai do tanque sob os sólidos suspensos e é reciclado ou devolvido ao curso de águas residuais para tratamento. Habitualmente, o desempenho do espessamento por flotação é de 3 a 5% de sólidos para resíduos de lama ativada, com adição de polímero, e de 2 a 4%, sem adição de polímero.
Espessamento por Flotação por Ar Dissolvido
(John M. Stubbart, 2006 )
E-learning
Página 10
Projeto Nireas
Sistema de Flotação por Ar Dissolvido, desenho esquemático
Funcionamento do Sistema de Flotação por Ar Dissolvido https://www.youtube.com/watch?v=SUn8fO4J2dQ Instalação do sistema de Flotação por Ar Dissolvido
E-learning
Página 11
Projeto Nireas
2.7.2.2 Espessamento gravítico O espessamento gravítico tem sido amplamente utilizado nas lamas primárias devido à sua simplicidade e custo baixo. No espessamento gravítico, a gravidade induzida conduz à aglomeração e depósito dos sólidos da lama. Esta concentração é essencial para o processo de sedimentação. A lama flui para um tanque semelhante aos clarificadores circulares utilizados na sedimentação primária e secundária. Os sólidos na lama assentam no fundo, sendo removidos por um mecanismo raspador para um funil. O tipo de lama a ser engrossada influencia significativamente o desempenho. Os melhores resultados podem ser alcançados com a lama primária. A lama primária em bruto pode ser engrossada em 1-3% a 10% dos sólidos, 2 a 4% dos sólidos de resíduos de lama ativada, 7 a 9% dos sólidos de resíduos do filtro escorrido e 4 a 9% dos resíduos primários e secundários combinados. À medida que a proporção da lama (secundária) ativada aumenta, diminui a consistência dos sólidos em depósito. Existem diversos designs para espessantes de lamas. O mecanismo de raspagem é um espessante gravítico
E-learning
Página 12
Projeto Nireas
Diagrama exemplificativo de um espessante gravítico: (a) planta e (b) secção
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 13
Projeto Nireas
Desempenho do Espessamento Gravítico Convencional
Tipo de Sólidos
Primários (PRI)
Alimentação, % total de sólidos
Sólidos Engrossados, % total de sólidos
0.6-6
5-10
1-4
3-6
Contador biológico giratório (RBC)
1-3.5
2-5
Resíduos sólidos ativados (WAS)
0.2-1
2-3
PRI + WAS
3-6
8-15
RPI + TF
2-6
5-9
PRI + RBC
2-6
5-8
3-4.5
10-15
1.5
3
0.2-0.4
4.5-6.5
4
8
Filtro de Escorrimento (TF)
PRI + cal PRI + (WAS + ferro) PRI + (WAS + sais de alumínio) PRI + WAS digeridos anaerobicamente
(John M. Stubbart, 2006 )
Algumas vantagens e desvantagens do espessamento gravítico são enumeradas de seguida:
Vantagens •
Simples operacionalização e manutenção do equipamento gravítico
•
Os custos de operacionalização são mais baixos do que os de outros métodos de espessamento, nomeadamente a flotação por ar dissolvido (DAF), a cinto gravítica ou o espessamento centrífugo. Por exemplo, a operacionalização eficiente de um espessamento gravítico permite poupar nas etapas de manuseamento dos sólidos posteriores (a jusante).
•
Além disso, instalações que aplicam na terra bio sólidos líquidos podem beneficiar do espessamento de diversas formas, como: o Redução do tráfego de camiões quer na estação na quinta; o Redução dos custos de transporte; o Possibilidade de as instalações existentes armazenarem mais dias de produção de bio sólidos; o Possibilidade de se utilizarem instalações de armazenamento mais pequenas;
E-learning
Página 14
Projeto Nireas
o Redução do tempo necessário para transferir os sólidos para o veículo aplicador e para incorporar ou aplicar os sólidos engrossados na superfície; o Redução da compactação do solo, devido à possibilidade de corresponder à exigência de produção de nitrogénio com menos passagens do veículo aplicador. Desvantagens •
A acumulação de escória pode dar origem aodores.
•
Podem surgir bloqueios devido à acumulação de gorduras nas tubagens. Esta situação pode ser prevenida através de descargas rápidas ou descarregamento de apoio.
•
As condições séticas vão dar origem a odores de enxofre. Este aspeto pode ser atenuado através da minimização dos tempos de retenção no sistema coletor e na estação, ou através da utilização de agentes oxidantes.
•
A concentração de sólidos no supernatant não é tão baixa como a produzida por um DAF ou espessador centrífugo. Os espessadores de cinto podem produzir supernatant com concentrações de sólidos mais baixas, dependendo do equipamento e das características dos sólidos.
•
É necessária uma maior area de terreno para o equipamento de um espessador gravítico do que para um cinto gravítico DAF ou um espessador centrífugo.
•
As concentrações de sólidos nos sólidos engrossados são normalmente mais baixas do que as resultantes de um cinto gravítica DAF ou de um espessador centrífugo. Fotografia de uma instalação de um bacia para espessamento
(E. S. Tarleton, R. J. Wakeman, 2007)
E-learning
Página 15
Projeto Nireas
Fatores que Afetam o Desempenho do Espessamento Gravítico Fator
Efeito
Natureza dos sólidos alimentados Frescura dos sólidos alimentados Concentração de sólidos altamente voláteis Taxas de carregamento hidráulico elevadas
Afeta o processo de espessamento porque alguns sólidos engrossam mais facilmente do que outros. A idade de alguns sólidos pode dar origem a condições séticas.
Ritmo de carregamento de sólidos Temperatura e variação da temperatura em conteúdos espessantes
Profundidade elevada lençóis de sólidos
de
Tempo de permanência dos sólidos Mecanismo e velocidade da extração dos sólidos Tratamento químico
Presença de agentes bacteriostáticos ou agentes oxidantes Adição de polímero catiónico Utilização de coagulantes de sais metálicos
E-learning
Dificulta o depósito gravítico devido à gravidade específica das partículas reduzidas Aumenta a velocidade e provoca turbulência, o que perturba o processo de assentar das partículas e faz com que os sólidos mais leves passem pelos açudes. Se as taxas (ritmo/velocidade) forem elevadas, o tempo de retenção será insuficiente para haver assentamento dos sólidos. Se o ritmo for lento, podem ocorrer condições séticas. • Temperaturas elevadas resultam em condições séticas. Temperaturas extremamente baixas resultam em baixas velocidades de assentamento. Se a temperature varia, o assentamento diminui devido à estratificação. • À medida que a temperature da lama aumenta, aumenta também o ritmo da atividade biológica e a lama tende a transformar-se em vapor e a subir rapidamente. Consequentemente, na operacionalização durante o verão, a lama em depósito tem de ser removida mais rapidamente do espessante. Melhora o desempenho do assentamento, conduzindo à compactação das camadas inferiores, mas pode permitir que sólidos passem através do açude. Um aumento pode ter como consequência condições séticas. Uma diminuição pode resultar em depósito apenas parcial Tem de ser mantido para produzir um caudal continuo e fluído. De outra forma, podem ocorrer turbulências, condições séticas, alterações no aswsentamento e outras anomalias. Químicos como o potássio, o permanganato, polímeros, ou cloreto férrico, podem melhorar a qualidade do depósito e/ou do supernatant. Permite tempos de retenção mais longos antes de as condições anaeróbiocas darem origem a bolhas de gás e sólidos a flutuar. Ajuda a engrossar resíduos de sólidos ativados e a clarificar o supernatant. Melhora a limpidez do curso mas pode ter um impacto reduzido na concentração sob o caudal. (John M. Stubbart, 2006 )
Página 16
Projeto Nireas
Guia de Resolução de Problemas de Espessadores Gravíticos Indicadores
Odor sético, sólidos em ascensão
Sólidos engrossados que não estejam espressos o suficiente
Sobrelotação do mecanismo de recolha de sólidos
Afluência do caudal Crescimento biologic excessive nas superficies e nos açudes (limos, etc.) Fuga de óleo Junta barulhenta, ou quente ou universal Sobrecarga da bomba
Partículas finas de sólidos no efluente
Verificar ou
Causa provável
Monitorizar
O ritmo de bombagem de sólidos engrossados é demasiado lento; a taxa the caudal espessante é demasiado baixa.
Verificar se o sistema de bombagem de sólidos engrossados está a funcionar corretamente; verificar se o mecanismo de recolha espessante está a funcionar corretamente.
A taxa de fluxo superior é demasiado elevada; a taxa de bombagem dos sólidos engrossados é muito alta; o circuito do fluxo no tanque é curto.
Verificar a taxa de sobre fluxo; utilizar corante ou outro marcador para verificar a circulação.
Forte acumulação de sólidos; objetos estranhos presos no mecanismo: alinhamento inadequado do mecanismo.
Sonda ao longo dos braços frontais do coletor.
Programa de bombagem de afluente pobre.
Ciclo de bombagem
Programa de inadequado
--
limpeza
Falha na vedação do óleo Utilização excessiva: alinhamento inadequado; falta de lubrificação Ajust inadequado do revestimento; bomba entupida. Sólidos de resíduos ativados
Vedar o óleo Alinhamento; lubrificação
Verificar a embalagem; verificar se há lixo na bomba. Porção de sólidos de residues ativados (WAS) em efluente engrossado
Solução Aumentar a velocidade de bombagem dos sólidos engrossados; aumentar o fluxo do afluente para o espessador – uma porção do efluente secundário pode ser bombeada para o espessador de forma a subir o ritmo do curso do caudal para 16-24 3 2 m /m d; sólidos de afluente com cloro. Diminuir a taxa de fluxo de sólidos do afluente; diminuir o ritmo de bombagem dos sólidos do afluente; verificar os açudes do efluente e reparar ou re-nivelar; verificar os defletores do afluente ou relocalizá-los. Agitar o lençol de sólidos em frente aos braços coletores com jatos de água; aumentar a taxa de remoção de sólidos; tentar remover qualquer objeto estranho com um dispositivo de braços; se o problema persistir, drenar o espessador e verificar o mecanismo em modo desligado. Modificar o ciclo da bomba; reduzir o fluxo e aumentar o tempo. Limpeza frequente das superficies; aplicar cloro. Substiuir a vedação/selo Substituir, lubrificar, ou alinhar a junta ou suporte de acordo com o necessário. Ajustar a embalagem/revestimento; limpar a bomba. Melhorar o acondicionament da porção de WAS dos sólidos num espessador por flotação.
(John M. Stubbart, 2006 )
E-learning
Página 17
Projeto Nireas
2.7.2.3 Espessamento por centrifugação As centrifugadoras são utilizadas para engrossar as lamas e para as drenar/secar. A aplicação das centrifugadoras no espessamento limita-se normalmente aos resíduos de lama ativada porque as centrifugadoras têm entradas que entopem facilmente. O espessamento por centrifugação envolve o assentamento das partículas sob a influência de forças centrífugas. O tipo básico de centrifugação utilizado para o espessamento de lamas é a centrifugadora taça.
Diagrama de uma centrifugadora utilizada no espessamento de sólidos
(Eddy, 1999)
Sistema de Centrifugação Típico
E-learning
Página 18
Projeto Nireas
2.7.2.4 Espessamento por cinto-gravítico O desenvolvimento de espessadores de cinto gravítico derivou da aplicação de prensas de cinto na desidratação de lamas. Na secagem em prensas de cinto, particularmente das lamas que contêm concentrações de sólidos inferiores a 2%, o espessamento ocorria de forma eficiente na secção de drenagem gravítica da prensa. Os sistemas são habitualmente desenhados para um máximo de 5 a 7% de sólidos engrossados. O equipamento desenvolvido para o espessamento consiste num cinto gravítico que se movimenta sobre os carris conduzidos por uma unidade de velocidade variável. A lama é condicionada com polímero e introduzida numa caixa de alimentação/distribuição numa das extremidades, obde a lama é distribuída uniformemente pela largura do cinbto em movimento. A água é drenada através do cinto à medida que a lama concentrada é transportada em direção à extremidade de descarga do espessador. A lama é endurecida e sulcada por uma série de lâminas tipo arado localizadas ao longo da área de passagem do cinto, permitindo que a água que é retirada da lama escoe pelas aberturas do cinto. Depois de a lama engrossada ser removida, o cinto passa por um ciclo de lavagem. O espessador de cinto gravítico tem sido utilizado para engrossar lama de resíduos ativados, lamas digeridas arerobica e anaerobicamente e algumas lamas industriais. É necessária a adição de polímero. Recomenda-se que se efetuem testes para verificar que os sólidos podem ser engrossados com dosagens normais de polímero.
Espessador de Cinto-gravítico – diagrama esquemático
(Eddy, 1999)
As doses de polímero para o espessamento de lamas de resíduos ativados varia entre 3 a 6 kg de polímero seco por tonelada de sólidos secos.
E-learning
Página 19
Projeto Nireas
Os principais fatores que afetam o desempenham do espessamento por cinto gravítico incluem o tipo de cinto, o condicionamento químico, a velocidade do cinto e as cargas hidráulicas e de sólidos.
Espessador de Cinto-gravítico em funcionamento
E-learning
Página 20
Projeto Nireas
2.7.2.5 Espessamento por tambor rotativo Os tambores rotativos semi-cobertos também são utilizados para engrossar lamas. Um sistema de espessamento de tambor rotativo consiste num sistema de condicionamento (incluindo um sistema de alimentação de polímero) e telas cilíndricas rotativas. O polímero é misturado com lama diluída no tambor misturador e condicionador. A lama condicionada é, depois, passada para os tambores de rastreio rotativos que separam os sólidos floculados da água. A lama engrossada rola para fora da extremidade dos tambores, enquanto a água extraída sai pelas aberturas da tela. Algumas configurações permitem acoplar a unidade de tambor rotativo com a prensa de cinto de filtragem, combinando os processos de espessamento e de drenagem. Os espessadores de tambor rotativo podem ser utilizados como uma etapa pré-espessamento antes do processo de drenagem na prensa de cinto.
Espessador de Tambor-rotativo
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 21
Projeto Nireas
2.7.3 Estabilização A estabilização da lama tem os seguintes objetivos:
• • • • • •
Reduzir, ou eliminar a potencial putrefação; estabilizar a material orgânica Eliminar os odores agressivos Eliminar or organismos patogénicos de modo a permitir a reutilização ou disponibilização Reduzir o volume Produzir gás utilizável (metano) Melhorar a capacidade de drenagem da lama
Os meios para eliminar estas condições nefastas estão essencialmente relacionados com a redução biológica do conteúdo volátil e a adição de químicos aos sólidos ou bio sólidos tornamdoos em ambiente adverso para a sobrevivência de microorganismos. O equipamento necessário para a estabilização depende do processo específico utilizado. Os processos de estabilização da lama incluem:
•
Estabilização química (oxidação com cloro ou cal)
•
Digestão anaeróbica
•
Digestão aeróbica
•
Digestão aerobic termofílica autotermal (ATAD)
•
Compostagem
Quando se define um processo de estabilização, é importante considera a quantidade de lama a ser tratada, a integração do processo de estabilização nas outras unidades de tratamento e os objetivos do processo de estabilização. Os objetivos do processo de estabilização são frequentemente afetados pelas regulamentações existentes ou pendentes. Se a lama tiver como finalidade ser aplicada no solo, tem de ser considerada a redução patogénica.
E-learning
Página 22
Projeto Nireas
2.7.3.1 Estabilização química A estabilização química é um processo através do qual a matrix da lama é tratada com químicos de formas diferentes de modo a estabilizar os sólidos que contenha. Dois métodos habitualmente empregas são a estabilização com cal e o uso de cloro.
Estabilização com cal A estabilização com cal pode ser utilizada para tratar primário em bruto, resíduos ativados, material sético e lama digerida anaerobicamente. O processo envolve misturar com a lama a quantidade de cal suficiente para aumentar doze vezes mais pH da mistura. Este pH mantém-se pelo menos durante duas horas. Normalmente, este facto faz com que os riscos bacterianos e os odores sejam reduzidos para um valor insignificante, contribui para a melhoria do desempenho da secagem e fornece meios satisfatórios de estabilização da lama, antes de ser despejada. Se se adicionar cal viva, CaO (ou qualquer outro composto com elevado nível de cal viva), à lama, inicialmente ela reage com a água, formando cal hidratada. Esta reação é exotérmica e pode resultar numa subida de temperatura substancial. Quando é utilizado o pré-tatamento com cal antes da desidratação, a desidratação é feita com a prensa de filtro tipo-pressão. O tratamento com cal é raramente utilizado com centrifugadoras ou prensas de filtro de cinto devido ao desgaste abrasivo e a problemas de escala.
Vantagens •
O resultado é um produto rico tipo solo, com uma quantidade de patogénicos reduzida.
Desvantagens •
A massa do produto é aumentada devido à adição de material alcalino.
•
Muitos odores, gases voláteis, são também produzidos com o método de estyabilizalção com cal, especialmente amónia, o que requere a recolha e tratamento nos sistemas de controlo de odores, como lavadores químicos e biofiltros.
E-learning
Página 23
Projeto Nireas
Doses habituais de cal no pré tratamento para a estabilização de lamas Dosagem de cal* Tipo de lama
Concentração de
g Ca(OH)2/ kg
sólidos, %
sólidos secos
Alcance
Alcance
Média
3-6
60-170
120
1-1,5
210-430
300
6-7
140-250
190
1-4,5
90-510
200
Primário Lixo ativado Mistura digerida anaerobicamente Material sético
*Quantidade de Ca(OH)2 necessária para manter o pH 12 vezes superior.
(Eddy, 1999)
No pós-tratamento com cal, a cal viva hidratada é misturada com lama desidratada num misturador tipo Pug-Mill, misturador de pá, ou misturador tipo rosca para aumentar o pH da mistura. É preferível utilizar-se cal viva porque a reação exotérmica da cal e da água pode elevar a temperatura da mistura acima dos 50°C, o suficiente para destruir os ovos de larvas.
Vantagens •
Pode ser utilizada cal seca; não é adicionada água à lama desidratada e não existe nenhum requisite especial para a secagem
•
São eliminados os problemas de escala e os problemas de manutenção associados ao equipamento de secagem com cal da lama
Desvantagens •
O pós-tratamento da lama digerida anaerobicamente com cal pode dar origem à formação de odores, como trimetil amina
Um sistema de estabilização de pós-tratamento com com cal consiste normalmente num sistema de alimentação de cal seca, um transportador de bolo de lama desidratada e um misturador de lama e cal. Mistura bem é especialmente importante para assegurar o contacto entre a cal e as partículas de lama mais pequenas.
E-learning
Página 24
Projeto Nireas
Sistema típico de pós-tratamento com cal
(Eddy, 1999)
Estabilização com cloro A estabilização através da adição de cloro tem vindo a ser desenvolvida e é comercializada sob a marca registrada "Purifax". O condicionamento químico da lama com cloro varia grandemente entre os métodos mais tradicionais de digestão biológica e o condicionamento com calor. No primeiro, a reação é quase instantânea. No segundo, a redução de sólidos voláteis na lama é muito insuficiente. A oxidação do cloro também ocorre num recipiente fechado. Neste processo, o cloro (100 to 1000 mg/L) é misturado com o fluxo de sólidos reciclados. O caudal reciclado e o processo residual do caudal misturam-se no reator. Os sólidos e a água são separados após saírem do recipiente do reator. A água é devolvida ao sistema de tratamento de águas residuais e os sólidos tratados são desidratados para futura expulsão.
Vantagens •
Este processo pode ser operado intermitentemente.
Desvantagens •
Produção de pH extremamente baixo e conteúdo de cloro muito elevado no supernatant.
E-learning
Página 25
Projeto Nireas
2.7.3.2 Estabilização através de digestão anaeróbica O objetivo da digestão é alcançar ambos os objetivos do tratamento de lamas – a redução do volume e a decomposição da matéria orgânica altamente perecível e de putrefação rápida para compostos orgânicos e inorgânicos relativamente estáveis. Adicionalmente, a digestão anaeróbica da lama produz um produto valioso na forma de gás metano (o constituinte primário do gás natural, que podemos transformar em calor ou converter em eletricidade). A digestão de lamas é levada a cabo por organismos anaeróbicos, na ausência de oxigénio livre. É, assim, decomposição anaeróbica. A matéria sólida na lama em bruto é cerca de 70% orgânica e 30% inorgânica ou mineral. Muita da água presente na lama das águas residuais é água “entrelaçada” que não pode ser separada dos sólidos de lama. Os organismos facultativos e anaeróbicos decompõem a complexa estrutura molecular destes sólidos libertando a água “entrelaçada”, obtendo assim oxigénio e alimento para crescerem.
MAIS A degradação anaeróbica da lama doméstica ocorre em duas fases. Na primeira fase, as bactérias formadas no ácido atacam os sólidos solúveis ou dissolvidos, como os açucares. Destas reações, formam-se ácidos orgânicos, acima de mil ppm, e gases como o dióxido de carbono e o sulfureto de hidrogénio. Esta é conhecida como a etapa da fermentação ácida (acidogenesis) e ocorre rapidamente. É seguida por um período de digestão ácida, durante a qual os ácidos orgânicos e os compostos de nitrogénio atacam e liquefazem a um ritmo muito mais lento. Numa
segunda fase
da
digestão,
conhecida
como
período
intensivo
de
digestão
(metanogenesis), estabilização e gaseificação, são atacados os materiais mais resistentes, como as proteinas, os amino-ácidos, entre outros. O valor do pH tem de ser mantido de 6.8 a 7.4. São produzidos grandes volumes de gases, com 65% ou mais de metano. Os organismos que convertem os ácidos orgânicos em gás metano e dióxido de carbono são conhecidos como formadores de metano. Os sólidos que permanecem relativamente estáveis, ou que entram em putrefação lentamente, podem ser descartados sem dar origem a condições agressivas e têm utilidade agrícola.
A redução de matéria orgânica medida pelos sólidos voláteis indica se a digestão está completa. A lama em bruto contém normalmente entre 60 a 70% de sólidos voláteis, enquanto uma lama bem digerida pode ter apenas 50%. Isto representa uma redução de cerca de 50% de sólidos voláteis.
E-learning
Página 26
Projeto Nireas
A maioria dos sistemas de digestão anaeróbicos são desenhados para funcionarem numa gama de temperaturas mesofílicas, entre os 30 e os 38° C. Outros sistemas são concebidos para funcionarem numa gama de temperaturas termofílicas, entre os 50 e os 57° C. Foi descoberto que a digestão de lamas ocorre em quase todas as variações de temperatura, mas o tempo necessário para se completar o processo de digestão varia de acordo com a temperatura. As mudanças bruscas de temperatura também são prejudiciais. A variação deária da temperatura de digestão não deve exceder ± 1 °C. Bombear quantidades excessivas de lama fina pode provocar baixas significativas na temperatura do digestor.
Digestor anaeróbico típico, perspetiva esquemática
E-learning
Página 27
Projeto Nireas
Os organismos que formam o metano são extremamente sensíveis às mudanças de temperatura. A uma temperatura de 12 °C cerca de 90% da digestão desejada completa-se em cerca de 55 dias. À medida que a temperatura aumenta, o tempo diminui, de tal forma que a 24°C o tempo reduz-se a 35 dias, a 30 °C para 26 dias e a 35 °C para 24 dias. Em teoria, o tempo necessário para a digestão de lamas a 35 °C é metade do tempo necessário caso a temperatura seja 15 °C. Claro que estes valores não são extatamente os mesmos para todos os tipos de lama e dependem da composição e da origem da lama.
O tamanho do digestor anaerobic baseia-se na disponibilização de tempo de permanência suficiente nos reatores bem misturados para permitir que a destruição dos sólidos voláteis suspensos (SVS) seja significativa. Os critérios de tamanho que têm sido utilizados são (1) o tempo de retenção dos sólidos TRS, o tempo médio em que os sólidos são mantidos no processo de digestão e (2) o tempo de retenção hidráulica t, o tempo médio em que o líquido é mantido no processo de digestão. Para os substratos solúveis, o TRS pode ser determinado dividindo-se a massa de sólidos no reator (M) pela massa de sólidos retirada diariament (M/d). O tempo de retenção hidráulica t é igual ao volume de líquido no reator (L3) divido pela quantidade de bio sólidos removidos (L3/d). Para sistemas de digestão sem reciclar, TRS = t.
E-learning
Página 28
Projeto Nireas
Processo do biogás
A lama bem digerida deve ter cor preta, tem um odor a terra que não é desagradável e, quando recolhida num cilindro de vidro, deve ter uma textura granulada e revelar canais provocados pela subida da água à medida que os sólidos vão assentando no fundo.
A quantidade de gases produzidos deve ser relativamente constante se o ritmo de alimentação for constante. Baixas significativas na produção total de gás podem indicar toxicidade no digestor. O gás é normalmente constituído por 65% de metano, cerca de 35% de dióxido de carbono e gases inertes como o nitrogénio. Uma percentagem de dióxido de carbono superior pode ser indicação de que o processo de digestão não está a decorrer de modo adequado.
A produção total de gás é normalmente estimada a partir da percentage da redução de sólidos voláteis. Os valores típicos variam entre os 0,75 e os 1,12 m3/kg de sólidos voláteis destruídos. A produção de gás pode também ser estimada, de modo menos rigoroso, com base nos valores per capita. O rendimento normal é de 15 a 22 L/pessoa*d nas estações primárias que tratam águas
E-learning
Página 29
Projeto Nireas
residuais domésticas normais. Nas estações de tratamento secundário, a produção de gás aumenta para cerca de 28 L/pessoa*d. Tanque de armazenamento de biogás com baixa pressão
O gás metano a temperaturas e a pressões standard (20°C e 1 atm) tem um valor de aquecimento baixo de 36.000 kJ/m3 ou 10 kWh/m3. Uma vez que o gás digestor contém apenas 65% de metano, o valor mais baixo de aquecimento do gás digestor é aproximadamente de 24000 kJ/m3 ou 6,7 kWh/m3. Comparativamente, o gás natural, que é uma mistura de metano, propano e gás butano, tem um valor de aquecimento de 37,300 kJ/m3 ou 10,4 kWh/m3.
E-learning
Página 30
Projeto Nireas
Digestores Anaeróbicos numa instalação
Nas estações de grandes dimensões, o gás digestor pode ser utilizado como combustível para caldeiras e motores de combustão interna que sejam, por sua vez, utilizados na bombagem de águas residuais, no funcionamento de sopradores e para produzir eletricidade. A água quente proveniente do aquecimento das caldeiras ou dos revestimentos dos motores e de caldeiras de exaustão de calor pode ser utilizada para aquecer a lama e também para o aquecimento do edifício, ou podem ser utilizadas caldeiras de aquecimento de lamas a gás. A recuperação energética é mais eficiente se os impulsionadores forem desenhados para funcionarem com calor porque o calor rejeitado, a altas temperaturas, pode ser mais facilmente utilizado em diversas situações do que o calor rejeitado a baixas temperaturas.
O gás digestor pode ser utilizado na cogestação. Cogestação é geralmente definida como um sistema produtor de eletricidade e outra forma de energia (normalmente oriunda da água quente). O gás digestor pode ser utilizado para acionar o motor de um gerador de energia elétrica e o revestimento de água de um motor de combustão interna pode, então, ser utilizado para digestão ou para o aquecimento do edifício.
E-learning
Página 31
Projeto Nireas
Gerador de energia elétrica a partir de biogás (ciclo do diesel)
Uma vez que o gás digestor contém sulfureto de hidrogénio, nitrogénio, partículas e vapor de água, o gás tem frequentemente de ser limpo com lavadores secos ou húmidos antes de srer utilizado para a combustão interna de motores. As concentrações de sulfureto de hidrogénio com um excesso aproximado de 100 ppm por volume podem necessitar que seja instalado equipamento de remoção de sulfureto de hidrogénio.
E-learning
Página 32
Projeto Nireas
2.7.3.3 Estabilização através de digestão aeróbica O equipamento utilizado para a digestão aeróbica inclui um tanque de arejamento (digestor), semelhante ao tanque de arejamento utilizado no processo de ativação da lama. É necessário equipamento de arejamento difuso ou mecânico para se manterem as condições aeróbicas no tanque. Também é necessário equipamento para remoção de sólidos e supernatant. Em funcionamento, são adicionados ao digestor resíduos de processo (lama) e são arejados para que a concentração de oxigénio dissolvido (OD) de 1 mg/L seja mantida. O arejamento também assegura que os conteúdos do tanque sejam bem misturados. Geralmente, o arejamento continua por um período mínimo de 20 dias de tempo de detenção. O arejamento é parado periodicamente para que os sólidos assentem e se depositem. A lama e o supernatant límpido são retirados à medida que é necessário criar-se espaço no digestor. Quando não existe volume adicional disponível, o processo de misturar é parado durante 12 a 24 horas antes de os sólidos serem removidos para despejo. O processo de teste de controlo deve incluir a alcalinidade, o pH, a percentagem de sólidos, a percentagem de sólidos voláteis por lama de afluente, supernatant, lama digerida e conteúdos do digestor. Um problema típicamente associado aos digestores aeróbicos é o controlo do pH. Quando o pH baixa, por exemplo, pode ser indicativo de atividade biológica anormal ou de alcalinalidade baixo do afluente. Este problema pode ser corrigido adicionando-se alcalinidade (por exemplo, com cal ou bicarbonato).
MAIS A digestão aeróbica é uma extensão do processo de arejamento de lama ativada pelo que a lama primária e a secundária são continuamente arejadas por longos períodos. Na digestão aeróbica, os microorganismos extendem-se pela fase de respiração endógena. É nesta fase que os materiais previamente armazenados pela célula são oxigenados, com uma redução na quantidade de matéria orgânica biologicamente degradável. Esta matéria orgânica, das células da lama, é oxidizada em dióxido de carbono, água e amónia. A amónia é ainda convertida em nitratos à medida que o processo de digestão prossegue. Eventualmente, os níveis de taxa de consumo de oxigénio nivelam-se e a matéria de lama é reduzida a matéria inorgânica e a voláteis relativamente estáveis. A principal vantagem da digestão aeróbica é o facto de produzir um produto final biologicamente estável passível de ser tratado numa variedade de processos subsequentes. São possíveis reduções de sólidos voláteis semelhantes às da digestão anaeróbica.
E-learning
Página 33
Projeto Nireas
Vantagens habitualmente associadas à digestão aeróbica: •
É produzido um produto tipo humus biologicamente estável.
•
O produto estável final não tem odor, por isso, é passível de ser depositado na terra, em lagoas, por exemplo.
•
Os custos capitais de um sistema aeróbico são baixos qunado comparados com a digestão anaeróbica e outros métodos.
•
A lama anaerobicamente digerida tem, normalmente, boas caracter´siticas para ser desidratada. Quando aplicada em leitos de secagem de areia, drena facilmente e seca rapidamente de novo em caso de estar sujeita a água da chuva.
•
A redução de sólidos voláteis pode ser igual à atingida vai digestão anaeróbica.
•
Os licores supernatant da digestão aeróbica têm um nível de CBO mais baixo do que os da digestão anaeróbica. A maioria dos testes indicaram que a CBO seria inferior a 100 ppm. Esta vantagem é importante porque a eficiência de muitas estações de tratamento é reduzida devido à necessidade de reciclar elevadas quantidades de CBO dos licores supernatant.
•
Existem menos problemas de funcionamento com a digestão aeróbica do que com a forma anaeróbica
mais
complexa
porque
o
sistema
da
primeira
é
mais
estável.
Consequentemente, pode ser utilizada mão-de-obra menos especializada e mais barata para operacionalizar este tipo de instalação. Comparando com a digestão anaeróbica, são recuperados mais valores fertilizantes básicos da lama.
A maior desvantagem associada à digestão aeróbica são os elevados custos energéticos. Este fator é responsável pelo elevados custos de operacionalização quando comparados com os da digestão anaeróbica. Existem mais duas desvantagens menores: a ausência de produção de gás metano e o facto de a eficiência da redução de sólidos voláteis ser variável mediante as alterações de temperatura.
E-learning
Página 34
Projeto Nireas
Critérios de Design para digestores aeróbicos Parâmetro
Unidades
Valor
a 20 oC
d
40
a 15 oC
d
60
kg/m3*d
1,6 – 4,8
kg O2/kg VSS
2,3
Gaseificadores mecânicos
kW/103 m3
20-40
Mistura de ar difuso
m3/m3 * hr
1,2 – 2,4
Oxigénio dissolvido residual no líquido
mg/L
1-2
Redução de sólidos voláteis suspensos
%
35-50
SRT
Carregamento de sólidos voláteis Requisitos de oxigénio Requisitos de energia para a mistura
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 35
Projeto Nireas
2.7.3.4 Digestão aeróbica termofílica autotérmica (ATAD) ATAD representa uma variação da digestão aeróbica convencional e da de oxigénio de pureza elevada. No processo da ATAD, a alimentação de lama é normalmente pre-engrossada e osreatores insulados para conservar o calor produzido pela oxidação dos sólidos voláteis durante o processo de digestão. Temperaturas de operacionalização termofílica (geralmente variam entre 55 e 70°C) podem ser alcançadas sem aquecimento externo, utilizando o calor libertado pelo processo de oxidação microbial exotérmico. Por cada kg de sólidos voláteis destruído é produzido aproximadamente 5-6 kWh de calor. Uma vez que não existe aquecimento suplementar (para alémdaquele que é advém do arejamento e mistura), o processo é referido como auto termal.
Esquema de um sistema de digestor aeróbico termofílico autotermal (ATAD)
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 36
Projeto Nireas
Vantagens •
os tempos de retenção necessários para atingir uma determinada redução de sólidos suspensos diminuem significativamente (para cerca de 5 a 6 d) para se alcançar 30a 50 % de redução de sólidos voláteis, semelhante à digestão aeróbica convencional
•
simplicidade de funcionamento
•
maior redução de bactérias e vírus quando comparado com a digestão anaeróbica mesofílica
•
quando o reator está bem misturado e é mantido a 55°C ou mais, os vírus patogénicos, as ovas viáveis de bactérias helmintas e outros parasitas podem ser reduzidos abaixo de níveis detetáveis
Desvantagens •
formação de odores desagradáveis
•
os bio sólidos ATAD são de difícil desidratação
•
falta de nitrificação.
O sistema ATAD é capaz de produzi a melhor lama estabilizada, por isso tem vindo a tornar-se cada vez mais popular.
E-learning
Página 37
Projeto Nireas
2.7.3.5 Compostagem O propósito da compostagem da lama é estabilizar a matéria orgânica, reduzir o volume e eliminar os organismos patogénicos. Numa oeração de compostagem, os sólidos desidratados são normalmente misturados com um agente de volume (por exemplo, lascas de madeira) e armazenados até ocorrer a estabilização biológica. A mistura de compostagem é ventilada durante o armazenamento para fornecer oxigénio suficiente para a oxidação e para prevenir odores. Depois de estabilizados, os sólidos são separados do agente de volume. Os sólidos compostados são, então, armazenados para tratamento, aplicados em terras de cultivo, ou em outra utilização benéfica. O desempenho esperado da operação de compostagem por redução percentual de matéria volátil e redução percentual de humidade varia entre 20 a 30% e 40 a 60%, respetivamente. Para além disso, é de notar que as lamas que tenham sido sujeitas a estabilização química não devem ser compostadas, porque a estabilização química produz ambientes que não são propícios à sobrevivência de microorganismos, nem à existência das bactérias de compostagem, a não ser que as lamas sejam neutralizadas e que existam condições favoráveis.
E-learning
Página 38
Projeto Nireas
MAIS
Embora a compostagem possa ser alcançada sob condições anaeróbicas ou aeróbicas, as aplicações da compostagem dos bio sólidos das águas residuais municipais ocorrem, na sua maioria, sob condições aeróbicas (a compostagem nunca é completamente aeróbica). A compostagem acelera a decomposição do material, resultabndo num aumento da temperatura, o que é necessário para destruir os agentes patogénicos. A compostagem aeróbica também minimiza o potencial aparecimento de odores desagradáveis.
Durante a compostagem, os microorganismos transformam a matéria orgânica existente nos sólidos das águas residuais em dióxido de carbono, água, calor e composto. À medida que o material da lama se decompõe, o composto aquece atingindo temperaturas na média de pasteurização entre 50 a 70° C, destruindo os organismos patogénicos entéricos. Para que as condições de crescimento microbial sejam asseguradas, o carbono e o nitrogénio têm de estar presentes na mistura a ser compostada, em quantidades equilibradas. O rácio ideal de carbono e nitrogénio varia entre 25 a 35 partes de carbono por cada uma de nitrogénio, pesado. Um rácio mais baixo pode resultar na emissão de odor a amoníaco. Um rácio mais elevado não permite a existência de condições favoráveis ao crescimento microbial, fazendo com que a degradação ocorra a um ritmo mais lento e que as temperaturas se mantenham abaixo dos níveis necessários para que ocorra a destruição dos agentes patogénicos. Os sólidos das águas residuais são, em primeiro lugar, uma fonte de nitrogénio e têm de ser misturados com material que contenha elevados níveis de carbono, como as tiras de madeira, pó de areia, papel de jornal ou cascas. Para além de fornecer carbono ao processo de compostagem, o agente de volume contribui para aumentar a porosidade da mistura. A porosidade é importante para assegurar que a massa de compostagem recebe oxigénio adequadamente. O oxigénio pode ser introduzido na massa de compostagem através de meios ativos como insufladores e tubagens ou através de meios passivos, como o remexer a massa, permitindo assim a entrada de mais ar. A quantidade adequada de ar, em combinação com os bio sólidos e os agentes de volume, é muito importante. A produção diária antecipada de bio sólidos de uma instalação de tratamento de águas residuais terá um efeito pronunciado nos sistemas de compostagem alternados disponíveis para utilização. Se os bio sólidos tiverem sido estabilizados por digestão aeróbica e anaeróbica antyes de entrarem no processo de compostagem podem contribuir para a redução, em cerca de 40%, do tamanho das instalações de compostagem.
E-learning
Página 39
Projeto Nireas
Durante o processo de compostagem observam-se três fases de atividade, com temperaturas associadas: mesofílica, termofílica e arrefecimento. Na fase mesofílica inicial, a temperatura na pilha do composto aumenta da temperatura ambiente para aproximadamente 40°C, com o aparecimento de fungos e bactérias produtoras de ácido. À medida que a temperatura na massa de compostagem aumenta para a temperatura termofílica entre 40 a 70°C, estes microorganismos são substituídos por bactérias termofílicas, actinomicetos e fungos termofílicos. É no âmbito da temperatura termofílica que ocorrem a degradação e a estabilização máximas do material orgânico. A fase de arrefecimento caracteriza-se pela redução da atividade microbial e paela substituição dos organismos termofílicos por bactérias e fungos mesofílicos. Durante o período de arrefecimento, tem lugar ainda a libertação do vapor da água do material composto, a estabilização do pH e também se completa a formação de ácido húmido.
Fases durante a compostagem relacionadas com a respiração e temperatura do dióxido de carbono
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 40
Projeto Nireas
Sucessão microbial durante a compostagem
(Gabriel Bitton, 2005)
Os dois métodos principais de compostagem existents podem ser calssificados como agitados ou estáticos. No método agitado, o material a ser compostado é mexido, agitado, periodicamente para permitir a entrada de oxigénio, para controlar a temperatura e para misturar o material de modo a se obter um produto uniforme. No método estático, o material a ser compostado não é mexido. É introduzido ar no material de compostagem. Os métodos agitados e estáticos de
E-learning
Página 41
Projeto Nireas
compostagem mais comuns são conhecidos, respetivamente como métodos de leira e de pilha estática.
E-learning
Página 42
Projeto Nireas
Pilha Estática Arejada O sistema de arejamento em pilha estática consiste numa grade de arejamento ou tubagem de exaustão sobre a qual a mistura de lama desidratada e o agente de volume são colocados. Num sistema de de pilha estática típico, são utilizadas lascas de madeira como agente de volume, que são misturadas com a lama desidratada através de um misturador tipo moinho para barro ou de tambor rotativo, ou por um equipamento movimentável como um carregador central. O material é compostado durante 21 a 28 dias e é tipicamente por um período de tratamento de 30 dias ou mais. Uma pilha tem tipicamente uma extensão de cerca 2 a 2,5 m. Uma camada de composto rastreado é normalmente colocado no topo da pilha de insulação. Habitualmente é utilizado um tubo de drenagem ondulado de plástico descartável para entrada de ar e é recomendável que cada pilha tenha um ventilador individual para um controlo mais eficaz do processo de arejamento. A triagem do composto tratado é normalmente levada a cabo para reduzir a quantidade de produto final que necessita de despojamento e para recuperar o agente de volume. Para processo melhorado e controlo de odores, muitas instalações cobrem partes significativas do sistema.
Sistemas de compostagem: pilha estática arejada
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 43
Projeto Nireas
Leira Num sistema de leira, as operações de mistura e triage são semelhantes às da operação de arejamento em pilha estática. As leiras são construídas com dimensões de 1 a 2 m de altura e 2 a 4,5 m na base. As linhas são viradas e remexidas periodicamente durante o período de compostagem. É utilizado arejamento mecânico suplementar em algumas aplicações. O período de compostagem é de cerca de 21 a 28 d. Sob condições típicas de operação, as leiras são viradas no mínimo cinco vezes enquanto a temperature é mantida a 55°C ou mais. Na compostagem em leira, é difícil manterem-se condições aeróbicas ao longo da área da leira. Por isso, a atividade microbial na pilha pode ser aerobic, facultative, anaeróbica, ou diversas combinações, dependendo de quando e com que frequência a pilha é virada. A viragem das leiras é normalmente acompanhada da libertação de odores desagradáveis. A libertação de odores ocorre habitualmente quando se desenvolvem condições anaeróbicas na leira. Existe equipamento especializado para misturar a lama e o agente de volume e para virar as leiras de compostagem. Algumas operações nas leiras são cobertas ou fechdas, à semelhança das pilhas estáticas de arejamento.
Sistemas de compostagem: leiras de compostagem (à esquerda) ; equipamento para transformar e reformar leiras de compostagem (à direita)
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 44
Projeto Nireas
E-learning
Pรกgina 45
Projeto Nireas
Considerações sobre a conceção de processos aeróbicos de compostagem de lama •
A mistura do composto deve conter cerca de 40% de sólidos secos para assegurar a compostagem adequada numa leira e numa pilha estática de compostagem.
•
A preparação inclui transferir o composto acabado da área de compostagem ativa para as áreas de tratamento, triagem e preparação. São utilizadas com frequência telas trommel e cintos trituradores; a trituração pode preceder ou seguir-se ao tratamento. Em alguns casos, é preferível fazer-se uma dupla triagem, especialmente para o mercado agrícola, para garantir os requisitos de qualidade do produto. Normalmente o tamanho das partículas do produto final varia entre os 6 e os 25 mm.
•
O rácio inicial de C/N ratio deverá variar entre 25:1 a 35:1 de peso. Em rácios baixos, é libertado cheiro a amoníaco. O carbon deve ser verificado para assegurar que está pronto a ser biodegradado.
•
Os sólidos voláteis da mistura da compostagem devem ser superiors a 30% do conteúdo total de sólidos.
•
O conteúdo húmido da mistura de compostagem não deve ser superior a 60% numa pilha estática e numa leira de compostagem.
•
O pH da mistura de compostagem deve geralmente estar em média entre 6 e 9. Para se alcançar um nível de compostagem ótimo, o pH deve permanecer entre os 7 e os 7,5.
•
Para se obterem melhores resultados, a temperayura deve ser mantida entre 50 e 55°C nos primeiros dias e entre 55 e 60°C nos restante perído da compostagem ativa. Se se permitir que a temperatura sub acima dos 65°C durante um período significativo, pode haver uma redução da atividade biológica.
•
Se conduzido adequadamente, é possível eliminar todos os agentes patogénicos, ervas daninhas e sementes durante o processo de compostagem de patogenes. Para se atingir este nível de control, a temperature tem de ser mantida entre 60 e 70°C durante um período de 24 h (compostagem termofílica).
E-learning
Página 46
Projeto Nireas
2.7.3.6 Comparação entre métodos de estabilização Grau relativo de atenuação alcançado com vários processos de estabilização de lamas Grau de atenuação Processo Patógenos Putrefaçao Odor potencial Estabilização alcalina Bom Razoável Razoável Digestão anaeróbica Razoável Bom Bom Digestão aeróbica Razoável Bom Bom Digestão aerobic termofílica autotermal Excelente Bom Bom (ATAD) Pobre a Compostagem Razoável Bom Razoável Pobre a Compostagem (termofílica) Excelente Bom Razoável (Eddy, 1999)
E-learning
Página 47
Projeto Nireas
2.7.4 Condicionamento Antes de seguir para os processos de secagem, a lama tem de ser condicionada. O condicionamento das lamas envolve o condicionamento químico e térmico para melhorar eficiência dos processos a jusante.
Por outras palavras, o condicionamento melhora a capacidade de desidratação.
2.7.4.1 Condicionamento químico O condicionamento químico envolve a utilização de químicos inorgânicos ou de polieletrólitos orgânicos, ou ambos. Os químicos inorgânicos mais utilizados são o cloreto de ferro e a cal.
Têm sido utilizados muitos químicos, como o ácido sulfúrico, o alumínio, o cobre com cloro, sulfato de ferro e cloreto de ferro com ou sem cal entre outros.
Os polímeros orgânicos, introduzidos durante a década de 60, são utilizados quer no processo de secagem quer de espessamento de lamas. A sua vantagem sobre os inorgânicos é o facto de não aumentarem muito a quantidade de produção de lama: 1 kg de químicos inorgânicos adicionado produz 1 kg extra de lama. A desvantagem dos polímeros é o seu custo relativamente elevado.
Estes polímeros são habitualmente de três tipos básicos: •
Aniónicos (carga negativa) – servem como auxiliares coagulantes do alumínio e do ferro inorgânicos, aumentando a velocidade de floculação, o tamanho e a resistência das partículas.
•
Catiónicos (carga positiva) – servem como coagulantes primários, sozinhos ou combinados com coagulantes inorgânicos como o sulfato de alumínio.
•
Não iónicos (quantidades iguais de cargas positiva e negativa carregads nos monómeros) – servem como auxiliares coagulantes de modo semelhante ao dos polímeros aniónicos e catiónicos.
E-learning
Página 48
Projeto Nireas Níveis habituais de adição de polímero à prensa de filtro de cinto e à centrifugadora para secagem da lama
Tipo de lama
kg/tn sólidos secos Prensa de Centrifugadora – filtro de taça de sólidos cinto 1-4 1-2,5 2-8 2-5 2-8 4-10 5-8 2-5 3-5
Primária Primária e Resíduos ativados Filtro primário e escorrido Resíduos ativados Primário digerido anaerobicamente Primário digerido anaerobicamente e 1,5-8,5 ar residual ativado Primário digerido aerobicamente e ar 2-8 residual ativado (Eddy, 1999)
E-learning
2-5 -
Página 49
Projeto Nireas
2.7.4.2 Condicionamento térmico O tratamento com calor é um processo utilizado no condicionamento e estabilização de lamas, mas raramente é utilizado em instalações mais recentes. Existem dois processos básicos para o tratamento térmico da lama:
Um, a oxidação com ar húmido, é a oxidação não inflamável da lama a temperaturas de 230 °C a 300 °C e pressões de cerca 80 atm. O outro tipo, tratamento com calor, é semelhante, mas é conduzido a temperaturas de 230 °C a 300 °C e com pressões de 10 a 20 atm. A oxidação com ar húmido (WAO) reduz a lama a cinzas e o tratamento com calor melhora a capacidade de desidratação (secagem) da lama. O tratamento com calor de temperatura e pressão mais baixas é mais utilizado do que o processo de oxidação com ar húmido.
Os gases libertados do processo térmico passam por um catalisador depois do aquecimento de 340 °C a 380 °C, ou são desodorizados por outros meios. Em alguns casos estes gases são devolvidos pelo sistema de difusão do ar nas bacias de arejamento para desodorização.
Vantagens •
O tratamento térmico seca mais prontamente a lama do que o condicionamento químico. A lama tratada com calor atinge uma eficiência de 30 a 40% de sólidos desidratados (em oposição aos 15 a 20% conseguidos com o condicionamento químico), a velocidades relativamente baixas no equipamento de secagem (2 a 3 vezes as do condicionamento químico).
•
O processo também permite uma desinfeção eficiente da lama.
Desvantagens •
Infelizmente, o processo de tratamento com calor rompe as paredes das células dos organismos biológicos, libertando não só a água, mas também material orgânico. Esta matéria previamente convertida em partículas regressa à solução e cria outra matéria fina particulada. A decomposição destas células biológicas resultantes do tratamento térmico convertem estas células previamente particuladas novamente em água e em sólidos finos. Este facto é benéfico para o processo de secagem, mas cria outro problema, o de tratar este líquido altamente poluído por essas células. O tratamento desta água ou licor requere
E-learning
Página 50
Projeto Nireas
um cuidado extremo na conceção da estação porque o conteúdo orgânico do licor pode ser extremamente elevado.
2.7.5 Processo de Mistura O processo de mistura desempenha um papel importante na maior parte dos processos de estabilização e/ou condicionamento. Sem sistemas bem misturados, os processos não podem atingir níveis aceitáveis de eficiência. Misturar pode ser um processo contínuo ou intermitente, mas independentemente do modo como é feito, fornece a todos os organismos as suas necessidades alimentícias adequadas e ajuda a manter uma temperatura uniforme. A mistura intermitente permite a separação e remoção do supernatant de um digestor de fase única. Com a mistura contínua a digestão desenrola-se mais rapidamente ao longo de todo o tanque, diminuindo a capacidade de tanque necessária. Este processo de misturar continuamente requere um segundo digestor ou tanque de armazenamento para o qual a lama já digerida possa ser transferida para se fazer espaço para a entrada de lama fresca no primeiro digestor e, assim, tornar possível a separação e remoçãodo supernatant no digestor secundário.
E-learning
Página 51
Projeto Nireas
2.7.6 Secagem da lama A lama digerida removida do digestor ainda se encontra maioritariamente na forma líquida. A desidratação da lama é utilizada para reduzir o volume através da remoção da água para que seja possível manuseá-la mais facilmente e uma reutilização ou eliminação mais económicas. Existem técnicas mecânicas e manuais para este fim. Os processos de desidratação incluem: •
filtros sob vácuo
•
filtros prensa
•
centrifugadoras
•
hidroclones
•
leitos de secagem
•
canaviais
•
lagoas de lama
E-learning
Página 52
Projeto Nireas
2.7.6.1 Filtragem por vácuo O filtro de vácuo para a secagem da lama é um tambor sob o qual se coloca o filtro. Este consiste num tecido de algodão, lã, nylon, dynel, fibra de vidro ou plástico, uma malha de aço inoxidável, ou uma camada dupla de molas de aço inoxidável. O tambor com eixo horizontal é colocado no tanque ficando cerca de um quarto submergido em lama condicionada. As válvulas e os tubos são arranjados de tal modo modo que, à medida que uma porção do tambor gira lentamenta na lama, é aplicado um vácuo no interior do filtro, sugando a água da lama e mantendo a lama presa ao tambor. A aplicação do vácuo continua à medida que o tambor gira para fora da lama e que contacta com a atmosfera. Este processo afasta a água da lama, deixando um tapete húmido, ou bolo, de lama na superfície exterior. Este tapete é raspado, ventilado ou retirado do tambor imediatamente antes de este entrar novamente no tanque de lama.
Existem três tipos principais de filtros rotativos por vácuo: tambor rotativo, em espiral e em cinto.
Os filtros de tambor e de cinto por vácuo utilizam materiais de fibras naturais ou sintéticas. No filtro de tambor, o tecido é esticado e preso à superfície do tambor. No filtro de cinto, o tecido é esticado sobre o tambor e sobre o sistema de roldanas. A instalação de uma manta requere vários dias. O tecido (com o devido cuidado) tem uma durabilidade de várias centenas a vários milhares de horas. A longevidade da manta depende do tipo de tecido, do condicionamento químico, da frequência de lavagem e da frequência de limpeza (por exemplo, do banho ácido). O filtro deve sempre passar por uma zona de lavagem para que se removam as partículas mais finas e para que a possibilidade de ficar entupido demasiado cedo seja minimizada. O filtro tambor é um labirinto de tubos que sai de um ecrã de metal e de um esqueleto de madeira que se liga à entrada da válvula rotativa em cada extremidade do tambor. O tambor está equipado com um propulsor de velocidade variável para virar o tambor a partir 1/8 a 1 rpm. Normalmente, a recolha de sólidos está indiretamente relacionada com a velocidade do tambor. O tambor está parcialmente submergido num contentor de lama condicionada. A parte submersa é normalmente limitada a 1/5 or menos da superfície do filtro de cada vez.
E-learning
Página 53
Projeto Nireas
Esquema de funcionamento de um filtro por vรกcuo
(California State University, 2006)
Filtro de vรกcuo de tambor rotativo
(California State University, 2006)
E-learning
Pรกgina 54
Projeto Nireas
Representações de filtros de vácuo de tambor rotativo. (a) alimentação pela parte superior, faca/raspador de descarga; (b) alimentados pela parte inferior, decarga do rolo; (c) alimentados pela parte inferior, descarga em cadeia; (d) alimentados pela parte inferior, descarga em cinto; (e) alimentação pelo topo (Serviços de Filtragem); (f) tambor interno
(E. S. Tarleton, R. J. Wakeman, 2007)
E-learning
Página 55
Projeto Nireas
Tambor rotativo de filtro por vácuo em funcionamento
Considerações de funcionamento •
A lama condicionada deve ser filtrada o mais rapidamente possível depois da adição de químicos e de ser misturada adequadamente.
•
A alimentação contínua é preferível à faseada. Na filtragem de lama em bruto, os sólidos frescos de esgoto e de lama filtram mais rapidamente do que lama sética ou velha.
•
Lama completamente digerida filtra normalmente mais prontamente do que a lama parcialmente digerida.
•
A concentração de lama a ser filtrada torna-se crítica, uma vez que a lama com conteúdo sólido mais elevado filtra mais prontamente do que a que tem pouco conteúdo sólido.
•
A presença de óleo-minerais e de residues de estabelecimentos de limpeza a seco dificulta o processo de filtragem da lama. Estes residues devem, por isso, ser mantidos for a do sitema de esgotos e eliminados separadamente.
•
Após cada utilização o filtro sob vácuo deve ser limpo e a lama drenada da unidade. Esta lama e água de lavagem não devem ser voltar para o tanque de armazenamento de lamas; devem ser encaminhadas para o canal de lamas em bruto ou para um digestor.
•
A lama desidratada por meio da filtragem sob vácuo é, normalmente, sujeita ao processo de condicionamento químico antes de seguir para a filtragem. O condicionamento da lama aumenta a percentagem de sólidos capturados no filtro e melhora as características de secagem da lama; no entanto, a lama condicionada tem de ser filtrada o mais rapidamente possível após a adição química para que se obtenham os resultados de drenagem desejados.
E-learning
Página 56
Projeto Nireas
2.7.6.2 Filtragem sob pressão A filtragem sob pressão difere da filtragem por vácuo, na medida em que a passagem da água através do filtro é forçada por um exercício de pressão positiva em vez da sucção por vácuo. Tal como a filtragem por vácuo, é utilizado um meio poroso nas folhas de filtro para separar os sólidos do líquido. Os sólidos são apanhados nos poros e acumulam-se na superfície, reforçando a potencialidade desse meio na separação de líquidos e sólidos. As bombas de lama fornecem a energia para forçar a passage da água através do filtro. Cal, cloreto de alumínio, cloridrato de alumínio e sais de ferro férricos têm sido habitualmente utilizados no condicionamento da lama antes do processo de prensagem. Os filtros de folha representam uma tentativa para desidratar a lama rapidamente num pequeno espaço. No entanto, quando comparado com outros métodos de desidratação, têm diversas desvantagens, incluindo: (1) funcionamento descontínuo e (2) elevados custos de funcionamento e manutenção. Outros tipos de filtros sob pressão incluem as prensas hidráulicas e de espiral que, sendo eficientes na drenagem das lamas, têm a grande desvantagem de normalmente precisarem que a lama esteja bem engrossada. Com estas prensas é possível atingir-se uma percentagem de 75% de matéria sólida em lama. É de realçar que as lamas secundárias não drenam tão facil e prontamente como as lamas primárias porque as lamas secundárias contêm habitualmente sólidos finos, de baixa densidade com superfícies vastas e relativamentye altas quantidades de água.
Secagem com Prensa de Placa de Quadro de Filtro
A lama pode ser desidratada com uma prensa de placa de quadro de filtro. A extração da água é feita exercendo pressão sobre a lama através das placas. A lama flui pelos espaços entre as placas e a água é, assim, extraida da lama (Pressão de 14 a 17 atm). Depois, as placas são separadas e o bolo cai para um funil de carga ou para um cinto transportador.
E-learning
Página 57
Projeto Nireas
Secagem com Prensa de Cinto de Filtragem
A lama pode ser desidratada com uma prensa de cinto de filtragem. A lama ĂŠ prensada entre os cintos, formando um bolo. O bolo ĂŠ encaminhado para um funil ou para um cinto transportador.
Diagrama exemplificativo do funcionamento de uma prensa de cinto de filtragem
Esquema do arranjo do cinto numa prensa de cinto de filtragem
(E. S. Tarleton, R. J. Wakeman, 2007)
E-learning
PĂĄgina 58
Projeto Nireas
Prensa de cinto de filtragem e o bolo de lama produzido
Diagrama de um sistema de drenagem de uma prensa de cinto
(Eddy, 1999)
E-learning
Pรกgina 59
Projeto Nireas
Fotografia de uma prensa de cinto de filtragem
Dados típicos para Diversos Tipos de Lamas Drenadas em Prensas de Cinto de Filtragem Tipo de Lama das Águas Residuais Primário em bruto Resíduos sólidos ativados em bruto (WAS) Primário em bruto + WAS Primário digerido anaerobicamente WAS digerido anaerobicamente Primário digerido anaerobicamente + WAS Primário digerido aerobicamente + WAS WAS ativado com oxigénio Primário condicionado termicamente +WAS
Sólidos totais alimentados, % 3-10
1-5
Sólidos Totais no Bolo, % 28-44
0.5-4
1-10
20-35
3-6
1-10
20-35
3-10
1-5
25-36
3-4
2-10
12-22
3-9
2-8
18-44
1-3
2-8
12-20
1-3
4-10
15-23
4-8
0
25-50
Polímero, g/kg
(John M. Stubbart, 2006 )
E-learning
Página 60
Projeto Nireas
2.7.6.3 Secagem centrífuga As centrifugadoras são máquinas que separam os sólidos dos líquidos através da sedimentação e de força centrífuga. Numa unidade típica, a lama é alimentada através de um tubo de alimentação estacionário ao longo de uma linha central do recipiente através da embalagem da bobine de transporte. A bobine de transporte é montada dentro do recipiente cónico rotativo. A bobine gira a uma velocidade ligeiramente mais baixa do que o recipiente. A lama passa da extremidade do tubo de alimentação, é acelerada, passa através das entradas para dentro do transportador e é distribuída pela periferia do recipiente. Os sólidos assentam no depósito do líquido, são compactados pela força centrífuga contra as paredes do recipiente e transportados pela bobine para a área de secagem do recipiente. A área de secagem é uma secção inclinada do recipient onde decorre o processo seguinte de drenagem, antes de os sólidos serem descarregados. O líquido separado é descarregado continuamente sobre açudes ajustáveis na extremidade oposta do recipiente.
Bacia/Recipiente Centrifugadora de Sólidos Rotativa
(John M. Stubbart, 2006 )
E-learning
Página 61
Projeto Nireas
Centrifugadora em Rolo
(California State University, 2006)
Na drenagem na centrifugadora, é utilizada a força centrífuga para acelerar a separação das fases sólida e líquida do caudal de lama líquida. O processo envolve a clarificação da lama e a sua compactção. A centrifugação separa a lama em bolos de lama desidratada e líquido clarificado, o que é referido como concentrado. O sucesso ou fracasso da centrifugação é normalmento determinado por dois fatores – a secagem do bolo e a recuperação de sólidos. O efeito dos vários parâmetros nestes dois factores estão listados na tabela que se segue.
Para aumentar a secagem do bolo
Para aumentar a recuperação dos sólidos
1. Aumentar a velocidade da bacia
1. Aumentar a velocidade da bacia
2. Diminuir o volume do depósito
2. Aumentar o volume do depósito
3. Diminuir a velocidade do transportador
3. Diminuir a velocidade do transportador
4. Aumentar o ritmo de alimentação
4. Diminuir o ritmo de alimentação
5. Diminuir a consistência da alimentação
5. Aumentar a temperatura
6. Aumentar a temperatura
6. Utilizar floculantes
7. Não utilizar floculantes
7. Aumentar a consistência de alimentação
A centrifugação tem algumas vantagens em relação à filtragem por vácuo e em relação a outros processos utilizados para secar/drenar lamas: (1) é simples, compacta, totalmente fechada e flexível;
E-learning
Página 62
Projeto Nireas
(2) pode ser utilizada sem auxiliaries químicos e os custos são moderados; (3) a industry, em particular, tem vindo a aceitar a centrifugação, em parte, devido ao seu baixo custo capital, simplicidade de funcionamento e eficiência nas lams de difícil drenagem.
As desvantagens associadas à centrifugação são: (1) sem o auxílio de químicos, normalmente a captura de sólidos é pobre e os custos químicos podem ser substanciais; (2) o lixo tem muitas vezes de ser removido do alimentador da centrifugadora através de triagem; (3) o bolo de sólidos é normalmente inferior do que o resultante da filtragem por vácuo; (4) os custos de manutenção são elevados.
A qualidade pobre do concentrado é um grande problema dos prov«cessos de centrifugação. Os sólidos finos no centrado, reciclados para a central da estação de tratamento às vezes resistem ao assentamento e, consequentemente, vão-se acumulando gradualmente no sistema de tratamento. O centrado da drenagem de lamas em bruto pode ainda provocar problemas de odor quando é reciclado. Podem ser utilizados floculantes para aumentar a captura de sólidos, muitas vezes para qualuqer nível que se pretenda, assim como para aumentar materialmente a capacidade (carga de sólidos) da centrifugadora. No entanto, a utilização de químicos anula a maior vantagem associada à centrifugação. As centrifugadoras mais eficazes na drenagem de resíduos de lamas são máquinas em forma de bacia, horizontais, cilíndricas – cónicas, sólidas.
E-learning
Página 63
Projeto Nireas
Alcance do Desempenho Esperado de uma Centrifugadora Alimentação,
Bolo,
% de sólidos
% de sólidos
totais
totais
4-8
25-40
1-4
16-25
2-4
25-35
1.5-3
16-25
2-4
22-32
Primário digerido anaerobicamente
2-4
25-35
WAS digerido aerobicamente
1-4
18-21
Aeróbico com elevada temperatura
4-6
20-25
Anaeróbico com elevada temperatura
3-6
22-28
Estabilizado com cal
4-6
20-28
Tipo de Sólidos das Águas Residuais Primário não digerido Sólidos de residues ativados (WAS) não digeridos Primário + WAS não digerido Primário + WAS digerido aerobicamente Primário + WAS digerido anaerobicamente
(John M. Stubbart, 2006 )
Instalação típica de uma bacia centrifugadora de drenagem
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 64
Projeto Nireas
2.7.6.4 Hidroclones Podemos considerar estas máquinas como centrifugadoras de baixo consumo. Os hidroclones são utilizados na separação das partículas sólidas de líquidos com de média a baixa viscosidade. Tal como os ciclones utilizados na limpeza de aplicações de gás, os hidroclones são simples em termos de design e o grau de separação pode ser alterado quer por variações nas condições de carregamento, quer pela alteração das proporções geométricas. Ao contrário de outros tipos de equipamento de separação de sólidos e líquidos, os hidroclones são mais adequados para classificar do que para clarificar, porque os níveis elevados de tensões de cisalhamento num hidroclone promovem a suspensão das partículas que contrariam a floculação. No entanto, especificando-se adequadamente as dimensões e condições de funcionamento, podem ser utilizados como espessadores de tal forma que o seu caudal contenha maioritariamente partículas sólidas, enquanto o caudal límpido constitui a maior parte do líquido.
Características de um hidroclone
(Nickolas P. Cheremisinoff, 2002)
Um hidroclone consiste numa pequena secção cilindrica superior (1) com uma parte inferior alongada (2). A suspensão é introduzida na secção cilíndrica (1) através do bocal (3) de forma tangencial, onde o fluido adquire um movimento rotativo intenso. As partículas de maior dimensão, sob a ação de uma orça centríuga, movem-se em direção às paredes do aparelho e concentram-se nas camadas exteriores do caudal em rotação. Depois, descem, em espiral, em direção ao bocal (4), através do qual a lama engrossada é evacuada. A maior parte de líquido contendo pequenas partículas (líquido limpid) sobe pelo caudal espiral interno ao longo do eixo do
E-learning
Página 65
Projeto Nireas
hidroclone. O líquido límpido é descarregado pelo bocal (5) e fixa-se na divisória (6) e na abertura (7). O padrão de caudal real é mais complexo do que o descrito devido aos fluxos de circulação radiais e fechados.
E-learning
Página 66
Projeto Nireas
2.7.6.5 Leitos de secagem Este é um dos dois métodos comuns de drenagem, baseados na energia térmica. Os leitos de secagem são normalmente utilizados para desidratar lamas bem digeridas. Normalmente, as tentativas para secar lamas ao ar resultam em problemas de odor. Os leitos de secagem de lamas consistem numa base de cascalho onde é colocada uma rede de tubos de drenagem perfurados. O cascalho é cobertopor uma camada de areia. As divisões à volta e entre os leitos de secagem são geralmente abertas, mas podem ser cobertas com coberturas ventidas tipo estufa, quando é necessário secar lamas no período de clima húmido. A secagem da lama em leitos de areia processa-se ao permitir que a água escoe da massa de lama e passe através da areia, seguindo para os tubos de drenagem, ou que evapore para o ar ambiente, pelo processo de evaporação natural. À medida que a lama seca, abrem-se fissuras na superfície, o que permite a evaporação da água presente nas camadas inferiores da lama,acelerando, assim, o processo de secagem.
Leito de Secagem Típico
Existem muitas variações no design da estrutura dos leitos de secagem, incluindo no traçado da rede de drenagem, a espessura e tipo de materiais nas camadas de gravilha e de areia, e nos materiais de construção utilizados para as divisórias. A principal variação consiste na cobertura ou não dos leitos. Qualquer que seja o tipo de cobertura, tem de ser bem ventilado. No passado, foram construídos alguns leitos com fundos de betão armado para drenagem sem tubos, mas esta construção não se revelou adequada. Atualmente, tem-se utilizado o asfalto em alguns leitos de secagem. O único fluxo lateral é a água drenada. Esta água é normalmente devolvida ao caudal de lama em bruto em curso na estação ou à entrada da estação. Normalmente, a água da drenagem não é pre tratada antes de ser devolvida à estação de tratamento. A experiência é o melhor guia na decisão entre os 20 a 30 cm.
E-learning
Página 67
Projeto Nireas
A lama pode ser removida por pás ou garfos com 60% de conteúdo húmido, mas se é possível secar até ficar com 40% de humidade, só irá pesar metade e continua a ser de fácil manuseamento. Se a lama secar em demasia (10 a 20% de humidade), fica em pó e é difícil removê-la porque se desfaz à medida que é removida. Muitos operadores de estações de tratamento de pequenas dimensões utilizam carrinhos de mão para retirar a lama dos leitos de secagem. Muitas vezes, são colocadas pranchas sobre o leito para criar uma passagem segura para os carrinhos de mão. Os carrinhos de mão podem assim estar próximos do trabalhador para que este coloque a lama que vai retirando com a pá. A maioria das estações utiliza carrinhas de caixa-aberta ou camiões de depósito para transportar a lama que é retirada do leito de secagem. Os camiões de depósito têm a vantagem de descarregar mais rapidamente.
Corte de um Leito de Secagem de Arame Cunha
(John M. Stubbart, 2006 )
Vantagens •
baixo custo
•
manutenção reduzida
•
hgrande quantidade de sólidos no produto seco
Desvantagens •
necessidade de grande espaço
•
efeitos das alterações climáticas nas características da secagem
•
remoção da lama exige trabalho intensivo
•
propício à atração de insetos e emissão de odores
E-learning
Página 68
Projeto Nireas
Leito de secagem convencional em areia: (a) planta e vistas; (b) vista de corte das secçþes. Vista dos leitos de secagem com a lama em diversos estados do processo de secagem
(Eddy, 1999)
E-learning
PĂĄgina 69
Projeto Nireas
Requisitos de área para leitos de secagem a céu aberto para os vários tipos de bio sólidos* Tipo de bio sólidos
Área m2/pessoa
Digeridos primários
Taxa de carregamento da lama kg de sólidos secos/m2*yr
0,1
120-150
Humus primários e digeridos de filtro escorrido
0,12-0,16
90-120
Digeridos primários e resíduos ativados
0,16-0,23
60-100
0,19-0,23
100-160
Digeridos primários e precipitados quimicamente
*Os requisitos de área correspondents para leitos cobertos variam entre cerca de 70 a 75 por cento dos valores requeridos para os leitos a céu aberto (Eddy, 1999)
Leitos de secagem não cultivados em Gana (à esquerda) e leito de secagem não cultivado, com proteção para a chuva, na estação de tratamento de águas residuais em Arcata, EUA (à direita).
E-learning
Página 70
Projeto Nireas
2.7.6.6 Leitos de junco (canaviais) Os leitos de junco são semelhantes às superficies de escoamento de pântanos construídos, que consistem em canais ou trincheiras preenchidas com areia ou pedras para suportar a vegetação que aí cresça. A diferença entre os leitos de junco utilizados para aplicaçºao de bio sólidos e os pântanos com superficies de escoamento é o facto de os bio sólidos líquidos serem aplicados na superfície do leito (quando comparados com a aplicação debaixo da superfície) e o facto de o líquido filtrado ser conduzido para drenos aplicados debaixo da gravilha.
Leito de Junco Típico (canavial)
Ao contrário dos leitos de secagem, os leitos de junco não precisam de ser esvaziados antes da chegada de novas quantidades de lama, porque as raízes das plantas mantêm a permeabilidade do terreno. A lama é adicionada intermitentemente uma vez por semana e é removida apenas cada 5 a 10 anos.
E-learning
Página 71
Projeto Nireas
Corte da secção de um leito de juncos para desidratação e armazenamento de bio sólidos
(Eddy, 1999)
Os leitos de junco são construídos, habitualmente, com cascalho lavado da corrente de rios, nas seguintes camadas (do fundo para a superfície):
(1) uma camada de drenagem com profundidade de 250 mm composta de 20 mm de gravilha lavada, (2) uma camada de drenagem com profundidade de 250 mm composta de 4 a 6 mm de gravilha lavada e (3) uma camada de 100 a 150 mm de areia (0.4 a 0.6 mm).
Às vezes é utilizada uma camada ainda mais grosseira. É dado pelo menos 1 m de área morta acima da camada de areia, para a acumulação de lama ao longo de 10 anos. Os “phragmites australis” (juncos) são plantados em 300 mm de centros da camada de gravilha abaixo da camada de areia. Pode ser utilizado outro tipo de vegetação de areas pantanosas, mas o junco é a mais popular.
E-learning
Página 72
Projeto Nireas
A primeira aplicação de lama é efetuada quando os juncos já estão bem estabelecidos. A ceifa dos juncos é feita habitualmente no inverno, altura em que se corta o topo do junco um pouco acima do nível da lama. A ceifa é necessária quando a vegetação se torna demasiado espessa, ao ponto de limitar a movimentação das lamas. O material ceifado pode ser compostado, queimado ou estendido na terra. As taxas de organização das cargas dos leitos de junco variam entre 30 a 100 kg/m2*yr, dependendo da natureza da lama e das condições climatéricas. A lama líquida é aplicada intermitentemente, como acontece nos leitos de secagem de areia. A profundidade habitual da lama aplicada é de 75 a 100 mm todas as semanas a 10 d.
Os leitos de secagem plantados, também designados como leitos de junco ou pântanos artificiais, podem minimizar a necessidade de remoção frequente da lama seca, uma vez que podem ser utilizados durante vários anos sem ser necessária a remoção das lamas.
E-learning
Página 73
Projeto Nireas
2.7.6.7 Lagoas de lama As lagoas de secagem podem ser utilizadas em substituição dos leitos de secagem para a desidratação de lamas digeridas. As lagoas não são adequadas para a secagem de lamas que não tenham sido tratadas, lams tratadas com cal ou lamas com um nível elevado de supernatant devido ao seu potencial em cheiros desagradáveis. O desempenho das lagoas, tal como o dos leitos de secagem, é afetado pelo clima; a precipitação e as baixas temperaturas não são propícias à ocorrência de desidratação. As lagoas são maioritariamente aplicáveis em áreas com elevados níveis de evaporação. A desidratação via drenagem subterrânea e a filtração/percolação são condicionadas pelas cada vez mais rigorosas regulamentações a nível do ambiente e das águas subterrâneas. Se um aquífero de águas subterrâneas utilizado no fornecimento de água potável estiver nas imediações de um ponto da lagoa, pode ser necessário delinear a lagoa, ou a sua filtração será restringida significativemente. Os bio sólidos são removidos mecanicamente, normalmente quando existe um conteúdo sólido de 25 a 30%. O ciclo das lagoas varia desde vários meses a vários anos. Habitualmente, os sólidos são bombados para a lagoa durante 18 meses e, depois, a lagoa permanece em repouso durante 6 meses. O critério de carga dos sólidos varia entre 36 a 39 kg/m3*yr mediante a capacidade da lagoa.
MAIS Esta técnica depende quer das características de assentamento da lama, quer da evaporação por via solar. O trabalho manual considerável envolvido na operacionalização de um leito de secagem pode ser evitado se forem utilizadas lagoas de lama. Estas lagoas não são mais do que áreas escavadas nas quais as lams digeridas são depositadas, podendo drenar-se e secar ao longo de um período de meses ou mesmo mais do que um ano. Normalmente são cavadas por bulldozers, ou outras máquinas pesadas de remoção de terras, sendo o material retirado utilizado para construir as laterais do local onde a lama será depositada. A profundidade pode variar entre 0,5 a 2 m. As areas variam e, embora seja desejável que exista rede de drenagem, normalmente não é fornecida. A lama digerida é orientada tão frequente,emte quanto necessário, com descargas sucessivas em cima das já colocadas até que a lagoa esteja cheia. Uma segunda lagoa pode, então, ser operacionalizad enquanto a que já está cheia entra em período de secagem. Quando a lama já está seca o suficiente para ser mudada, um bulldozer, ou um trator com uma extremidade de cargas, pode ser utilizado para retirar a lama da lagoa. Embora as lagoas sejam simples de construir e de operacionalizar, podem existir alguns problemas com o seu tamanho. Estes problemas advêm em grande parte da incerteza na estimativa da capacidade de evaporação por
E-learning
Página 74
Projeto Nireas
exposição solar. Em regiões semi-áridas, as lagoas de evaporação são os meios convencionais de eliminação das águas residuais sem contaminar as águas subterrâneas ou de superfície. Lagoas de evaporação referem-se aqui a instalações de retenção revestidas. A utilização bem sucedida da evaporação na eliminação de águas residuais require que a evaporação seja igual ou superior ao total de água introduzida no sistema, incluindo a da precipitação. A rede de evaporação pode ser definida como a diferença entre a evaporação e a precipitação durante qualquer período. As taxas de evaporação são, em grande parte, dependentes das características do corpo de água. A evaporação de lagoas baixas e de pequenas dimensões é normalmente considerada bastante diferente da evaporação de lagos de grandes dimensões, essencialmente devido a diferenças no ritmo de aquecimento e arrefecimento dos corpos de água devido às suas diferenças de tamanho e de profundidade. Adicionalmente, em regiões semi áridas, o ar quente seco em movimento da superfície da terra por cima do corpo de água permite a evaporação rápida e com elevados níveis, em corpos de água de pequenas dimensões. A taxa de evaporação de uma solução irá diminuir à medida que a composição dos sólidos e dos químicos aumenta.
Em suma, as lagoas de lama podem ser caracterizadas como lagoas anaeróbicas.
De seguida estão enumeradas algumas vantagens e desvantagens da utilização de lagoas de lama:
Vantagens •
Maior eficiênca na estabilização rápida de lixos orgânicos fortes, tornando possível a descarga de grandes quantidades de afluente orgânico;
•
Produção de metano, que pode ser utilizado no aquecimento de edifícios, para alimentar motores ou gerar eletricidade, no entanto, a recolha de metano aumenta os problemas a nível do funcionamento;
•
Produção de menos biomassa por unidade de material orgânico a ser processado. Menor produção de biomassa significa poupança de recursos no tratamento e despojamento de lamas;
•
Não é necessária energia adicional porque não necessitamde arejamento, aquecimento ou mistura;
•
Os custos de construção e funcionamento são menores;
•
As lagoas podem ser operadas em séries.
E-learning
Página 75
Projeto Nireas
Desvantagens •
Requerem uma área de terreno relativamente vasta;
•
Passíveis à ocorrência de odores.
E-learning
Página 76
Projeto Nireas
2.7.7 Redução do volume de lama seca De preocupação imediata é o modo como se pode reduzir o volume da denominada lama “seca”, de conteúdos sólidos que variem entre os 30 e os 60 %, ou mesmo mais.
2.7.7.1 Secagem por calor A secagem com calor involve a aplicação do calor para evaporar a água e reduzir, assim, o conteúdo de humidade nos bio sólidos abaixo do atingível por métodos de desidratação convencionais. As vantagens da secagem com calor incluem a redução dos custos de transporte do produto, a redução de agentes patogénicos, a melhoria da capacidade de armazenamento e a comercialização. A classificação dos secadores baseia-se no método predominante utilizado para transferir o calor para os sólidos húmidos. Estes métodos são: convecção, condução, radiação, ou uma combinação de ambos.
Convecção Nos sistemas de convecção (secagem direta), a lama húmida entra em contacto direto com o mecanismo de transferência de calor, normalmente composto de gases quentes. Secadores (convecção) diretos que tenham sido utilizados para secar lamas de águas residuais municipais são: secador flash, secador rotativo e secador de leito fluidizado.
Secador Flash A secagem flash envolve pulverizar a lama numa moinho gaiola ou utilizando uma técnica de suspensão atomizada na presence de gases quentes. O equipamento é concebido de modo a que as particulas permaneçam em contacto com os gases quentes em turbulência o tempo suficiente para que se dê a transferência da massa húmida da lama par aos gases. É possível atingir um conteúdo de humidade de 8 a 10% nesta operação. A lama seca pode ser utilizada ou vendida como condicionador para terra ou pode ser incinerada numa fornalha em qualquer propoção até 100% da produção.
Secador Rotativo Os secadores rotativos têm vindo a ser utilizados para secar lamas primárias em bruto, lama de resíduos ativados e bio sólidos de digestão primária. O secador rotativo consiste numa cápsula
E-learning
Página 77
Projeto Nireas
cilíndrica de aço que roda sobre rolamentos e é normalmente montada com o eixo ligeiramente inclinada a partir da posição horizontal. A lama que é aí introduzida é previamente misturada com bolo de lama seca num mistrurador localizado à frente do secador. Nesta operação, é possível atingir-se um produto com conteúdo húmido de cerca 5 a 10%. Secador de lamas rotativo
(Eddy, 1999) Secador de Leito Fluidizado Este tipo de secador tem a capacidade de produzir um produto em bolinhas, semelhante ao obtido com os sistemas de drenagem rotativos. O sistema do secador tem alguns componentes semelhantes aos dos secadores rotativos: classificação do produto e arrefecimento do produto antes do armazenamento e carga. O calor necessário para a evaporação é fornecido por vaporização através de um permutador de calor interior. É mantida uma temperatura uniforme de 120°C no leito através do contacto direto dos granulados da areia com o ar fluidizado.
E-learning
Página 78
Projeto Nireas
Pespetiva de um reator de um secador de leito fluidizado
(Eddy, 1999) Condução Nos sistemas de secagem de condução (indireto), uma parede de retençãoo de sólidos separa a lama húmida do meio de transferência de calor – normalmente vapor ou outro fluido quente. Os secadores indiretos são concebidos de forma horizontal ou vertical. Os secadores horizontais utilizam pás, voos vazios, ou discos montados num ou mais eixos de rotação para transportar os bio sólidos para o secador. •
Com esta operação, é possível atingir-se um conteúdo de humidade entre 5 e 10%.
Radiação Com os sitemas de secagem de radiação (infra vermelhos), lâmpadas de infra vermelhos, elementos de resistência elétrica ou refratários incandescentes movidos a gás fornecem energia radiante que é transferida para a lama húmida, fazendo a humidade evaporar.
E-learning
Página 79
Projeto Nireas
2.7.7.2 Incineração A incineração da lama envolve a conversão total dos sólidos orgânicos em produtos finais oxidados, em primeiro lugar dióxido de carbono, água e cinza. Aincineração é maioritariamente utilizada por estações de grandes ou médias dimensões com opções de eliminaçãode lams reduzidas. Em todos os tipos de incineradoras, os gases oriundos da combustão têm de ser atingir umatemperatura de 650 oC a 800 oC e serem mantidos a estas temperaturas até terem ardido completamente. Este aspeto é essencial para prevenir o odor desagradável que pode ser emitido pela chaminé de descarga. É também necessário manter a remoção efetiva do pó, cinzas e fuligem da chaminé de descarga. Isto pode ser feito numa câmara de repouso, por um separador centrifugal ou por um precipitador elétrico Cottrell. A seleção depende do grau de eficiência de remoção exigido na área onde está localizada a plantação.
Todos os tipos de lama, primária, em bruto ou digerida podem ser secas e queimadas.
Lama primária em bruto com cerca de 70% de sólidos voláteis contém cerca de 5 kwh por cada 1 kg de sólidos secos. Quando a combustão é iniciada, queima sem qualquer combustível adicional, estando mesmo disponível algum excess de calor. Este processo é denominado queimada autogena e tem lugar sempre que o conteúdo volátil do bolo de lama é suficientemente elevado (>50-60%).
A lama digerida pode ou não necessitar de combustível adicional, dependendo do conteúdo de humidadedo bolo e da percentagem de sólidos voláteis ou grau de digestão. A lama em bruto ativada require normalmente combustível suplementar para a secagem e a incineração. Em todos os casos, é necessário combustível suplementar para iniciar a operação e até à combustão dos sólidos se ter iniciado. A incineração da lama tem vindo a adquirir popularidade, especialmente em estações de grandes dimensões. Tem as vantagens de ser um método económico, livre de odores, independente das condições atmosféricas e de contribuir para uma significativa redução do volume e peso do produto final que tem ainda de ser eliminado. Há uma dimensão mínima para a estação de tratamento de esgotos abaixo da qual a incineração não é económica. Tem de haver quantidade significativa de lama que justifique a necessidade de utilização de equipamento caro. Uma das dificuldades no funcionamento de incineradoras é a variação em termos de tonelagem e de humidade da lama a ser tratada.
E-learning
Página 80
Projeto Nireas
As principais vantagens da incineração são: •
redução máxima de volume e consequente diminuição dos requisitos de eliminação
•
destruição de compostos patogénicos e tóxicos
•
potencial de recuperação de energia
As desvantagens includem: •
custos capitais e de funcionamento elevados;
•
necessidade de pessoal técnico especializado e altamente qualificado para a manutenção e funcionamento;
•
os residuais produzidos (emissões de ar e cinzas) podem ter efeitos negativos no ambiente
•
a eliminação dos residuais podem ser resíduos prejudicais se excederem as concentrações de poluentes máximas prescritas.
Existem dois tipos de tecnologia de incineradora utilizados neste processo: (1) o incinerador de forno múltiplo e (2) o incinerador de leito fluidizado. Um incinerador é normalmente parte de um sistema de tratamento das lamas que incluem espessamento de lama, maceração, desidratação (tal como filtro de vácuo, centrifugadora ou prensa de filtro), um sistema de alimentação de incinerador, equipamentos de controlo de poluição do ar, instalações de manuseamento de cinzas e os respetivos controlos automáticos. O funcionamento do incinerador não pode ser isolado dos componentes destes outros sistemas. De particular importanância é o funcionamento dos processos de espessamento e de desidratação porque o conteúdo de humidade na lama é a principal variável que afeta o consumo de combustível do incinerador. Tal como o bolo de lama, a lama de esgoto contém normalmente contém de 55 a 85% de humidade. Esta lama não pode ser queimada até o conteúdo de humidade ter sido reduzido para 30%. O propósito da incineração é reduzir o bolode lama ao volume mínimo possível, como cinza estéril. Existem três objetivos a que a incineração deve corresponder: 1. secar o bolo de lama 2.destruir o conteúdo volátil 3.produzir um resíduo ou cinza estéril
Existem quarto tipos básicos de incineradores utilizados em estações de tratamento de águas residuais. São eles o incinerador de forno múltiplo, o incinerador de leito fluido, a fornalha elétrica e a fornalha ciclónica.
E-learning
Página 81
Projeto Nireas
Incinerador de forno múltiplo A configuração básica e características do incinerador de forno múltiplo estão ilustradas na Figura que se segue. O bolo de lama entra na fornalha pelo topo. O interior da fornalha é composto por uma série de soleiras refratárias empilhadas umassem cimadas outras. Existem normalmente cinco a nove soleiras na fornalha.
Incinerador de forno múltiplo típico
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 82
Projeto Nireas
Flames in the middle of an out hearth
(California State University, 2006)
E-learning
Pรกgina 83
Projeto Nireas
Incinerador de leito fluido A configuração básica e características do incenerador de leito fluído estão ilustradas na figura que se segue. Esta tecnologia já existe desde o início dos anos 60. Neste sistema, o ar é introduzido na entrada de ar fluidizado a pressões de 0,2 a 0,5 bar. O ar passa através das aberturas da grade que suporta a areia e cria a fluidização do leito de areia. O bolo de lama é introduzido no leito. O ar fluidizado tem de ser controlado cuidadosamente para prevenir que a lama flutue no topo do leito. A fluidização fornece contacto máximo do ar com a superfície da lama para uma incineração mais eficaz. O processo de secagem é praticamente instantâneo. A humidade passa rapidamente a vapor assim que entra no leito quente. Algumas vantagens deste sistema são o facto de o leito de areia atuar como uma bacia de aquecimento de tal forma que após ser fechada, a perda de calor é mínima. Com este confinamento de calor, o sistema permite ser iniciado mesmo após um fim-se-semana desligado, sem ser necessário mais do que uma ou duas horas de aquecimento. O leito de areia deve ter pelo menos 650 oC quando for utilizado. Incinerador de leito fluído típico
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 84
Projeto Nireas
Esquema de um incinerador de leito fluidizado – Tecnologia de leito de bolhas
E-learning
PĂĄgina 85
Projeto Nireas
Esquema de um incinerador de leito fluidizado – Tecnologia de leito em circulação
E-learning
Página 86
Projeto Nireas
Fornalha elétrica As características básicas da fornalha elétrica estão ilustradas na Figura que se segue. A fornalha elétrica é basicamente um sistema de transporte de cinto que passa através the uma câmara retangular extensa com revestimento refratário. O calor é fornecido por elementos elétricos, infravermelhos de aquecimento dentro da fornalha. Ar de arrefecimento previne a existência de pontos locais de aquecimento nas imediações dosdispositivos de aquecimento e é utilizado como ar de combustão secundária, dentro da fornalha.O cinto transportador é feito de malha metálica contínua de liga de aço que suporta temperaturas de 700 oC a 850 oC. A lama no cinto é imediatamente nivelada a 2-3 cm. A velocidade do cinto é concebida para permitir a combustão da lama sem agitação.
Incinerador de fornalha elétrica típico
(Nickolas P. Cheremisinoff, 2002)
E-learning
Página 87
Projeto Nireas
Fornalha ciclone As características básicas da fornalha ciclone estão ilustradas na Figura que se segue. A fornalha ciclone é uma unidade de forno único onde o forno se movimenta e os dentes agitadores são fixos. A lama é direcionada para o centro do forno onde é eliminada como cinza. A fornalha é um compartimento cilindrico com revestimento refratário com um topo em cúpula. O ar, aquecido com a introdução imediata de combustíveis suplementares, cria um rodopio violento que permite uma mistura eficiente do ar com a lama introduzida. O ar, que mais tarde se transforma em gás, rodopia verticalmente no fluxo do ciclone através da descarga da combustão no centro do topo em abóbada. Uma vantagem destas fornalhas é o facto de serem relativamente pequenas e de poderem ser postas em funcionamento à temperatura necessária para o seu funcionamento no espaço de uma hora.
Incinerador de fornalha ciclone típico
E-learning
Página 88
Projeto Nireas
Sinopse dos processos a altas temperaturas Os processos a altas temperaturas devem ser considerados quando não existe extensão de terreno disponível, quando os regulamentos para eliminação em terreno são muito rigorosos, quando é necessária a destruição de materiais tóxicos ou existe possibilidade de recuperar a energia quer com apenas os resíduos sólidos das águas residuais ou combinados com as municipais.
Os processos a altas temperaturas têm vantagens potenciais em relação aos outros métodos: •
Redução máxima de volume. Reduz o volume e o peso do bolo de lama húmido em aproximadamente 95 %, reduzindo, assim, os requisitos de descarga e eliminação.
•
Desintoxicação. Destrói ou reduz os tóxicos que podem de outro modo ter impactos ambientais adversos.
•
Recuperação de Energia. Recupera potencialmente a energia através da combustão de lixos, reduzindo, assim, de um modo global o gasto energético.
As desvantagens dos processos a altas temperaturas incluem: •
Custo. Quer os custos de capital, quer os de funcionamento e manutenção, incluindo os custos de combustível, são geralmente mais elevados do que os de outras alternativas de eliminação.
•
Problemas de funcionamento. As operações a altas temperaturas têm requisites exigentes a nível de manutenção e pode haver uma diminuição da fiabilidade do equipamento.
•
Mão-de-obra. São necessários operadores experientes e especializados para dirigir os processos suplentares a altas temperaturas. Os salaries municipais e o estatuto dos operadores podem ter de ser subidos em muitas áreas para atrair o pessoal adequado aao exercício destas funções.
•
Impactos ambientais. As descargas na atmosfera (particuladas ou outras emissões tóxicas ou nocívas), nas superficies de água (águas de lavagens) e na terra (resíduos de superfície) podem requerer tratamento extensive para assegurar a proteção do ambiente.
E-learning
Página 89
Projeto Nireas
2.7.8 Manuseamento das lamas No final do dia, o que resta é lama finalizada. Não existe destruição derradeira para a lama, apenas lama final que permanence. A solução final a nível de engenharia que é necessário conceber é como lidar com este resíduo final. Resume-se simplesmente à decisão de recorrer à referida tecnologia de prevenção da poluição, ou a uma descarga final do resíduo sólido. Tal como para o efluente líquido de uma estação de tratamento, existem dois métodos abrangentes para a eliminação da lama: na água ou na terra. Acima de tudo, a transferência de segura e correta é a utilização principal.
2.7.8.1 Transporte da lama Práticas para prevenir a lama ou bio sólidos de se alojarem em vias públicas •
Os veículos que transportam os bio sólidos devem ser limpos antes de sairem da estaçºao de tratamento de águas residuais.
•
O betão ou asfalto das pás de descarga nas instalações de armazenamento ajudam a manter o equipamento limpo e a limpar gotejamentos ou derrames facilmente
•
A instalação de armazenamento deve ter condições para limpar os camiões e o equipamento sempre que necessário. A lama nos pneus dos veículos pode ser retirada manualmente ou removida com um compressor de alta pressão de água ou ar (desde que não contribua para aumentar os problemas de pó já existentes).
•
Utilizar palas na traseira dos carros de descarga para evitar que a lama ou bio sólidos fiquem presos nos pneus durante as operações de descarga.
•
Instalar um acesso de gravilha temporário para amortecer o necessário na entrada e saída de veículos para evitar que o os pneus transportem restos de lama agarrados aos pneus para as estradas.
•
As vias públicas de acesso às instalações devem ser inpecionadas diariamente durante os períodos de funcionamento e limpas eficientemente (varridas e lavadas).
E-learning
Página 90
Projeto Nireas
2.7.8.2 Descarga na água A descarga na água é uma opção a considerar. É um método económico, mas não é comum porque depende da dispo0nibilidade de corpos de água adequados para este processo. Em algumas cidades costeiras, a lama quer em bruto, quer digerida, é bombeada para barcos e transportada para o mar (o contexto destas discussões é unicamente a descarga de esgotos) para ser despejada no mar alto, longe o suficiente da costa para permitir a diluição dos fatores e prevenir qualquer efeito nefasto na costa.
Globalmentes, esta opção é nociva para o ambiente e, acima de tudo, não difere do despejar de resíduos numa lixeira. Pode, até, ser mais prejudicial do que uma lixeira.
E-learning
Página 91
Projeto Nireas
2.7.8.3 Descarga no solo A descarga em sub solo pode incluir os seguintes métodos: •
Enterrar
•
Encher
Enterrar é um método utilizado principalmente para a lama em bruto, onde, a não ser que seja coberta por terra, se formam odores muito desagradáveis. A lama é conduzida para trincheiras de 0,5 a 1 m de largura e cerca de 0,5 m de profundidade. A lama em bruto nas trincheiras deve ser coberta por, pelo menos, 30 cm de terra. Onde existe disponibilidade de terreno, enterrar a lama embruto é provavelmente o método mais eficaz para se desfazer da lama, uma vez que elimina os custos dos processos de tratamento. No entanto, é raramente utilizado e, mesmo quando é provisório, devido à extensão de terreno que requere. A lama nas trincheiras pode manter-se húmida e com mau cheiro durante anos, por isso, uma área que tenha sido utilizada não pode ser reutilizada para o mesmo efeito ou para qualquer outro efeito por um longo período de tempo.
A opção de utilizar a lama para Enchimento limita-se quase na totalidade a lama digerida que pode ser exposta à atmosfera sem criar ou espalhar odores desagradáveis. A lama deve estar bem digerida sem qualquer quantidade de material bruto ou mistura não digerida. Lamada húmida ou desidratada, como a obtida em leitos de secagem ou de filtros de vácuo, pode ser utilizada para encher áreas baixas. Onde for utilizada lama húmida, essa área torna-se uma lagoa de lama. Quando é utilizada como método de descarga, a área da lagoa é utilizada apenas até ficar cheia e depois é abandonada. Quando utilizada como método de tratamento, a lama, após alguma secagem, é removida para despojamento final e a lagoa é reutilizada. As lagoas utilizadas para descarga são normalmente relativamente profundas. A lama é adicionada em camadas sucessivas até a lagoa estar completamente cheia. Descartar a lama digerida em lagoas é económico porque evita a necessidade de tratamentos de desidratação. É aplicável, no entanto, apenas onde estiverem disponíveis áreas de baixo nível de resíduos no local da estação ou dentro de uma distância de canalização razoável.
Deve ficar claro que estas opções para a lama são apenas soluções temporárias e que ainda estabelecem trocas ambientais. Na verdade, também representam soluções prejudiciais para o ambiente e são tecnologias utilizadas para o final da descarga das canalizações que implicam custos adicionais ao tratamento.
E-learning
Página 92
Projeto Nireas
2.7.8.4 Aplicação no solo como adubo
Condicionador de Solo
A lama bruta primária, a não ser que tenha sido compostada, não é adequada como adubo para o solo devido ao seu efeito no solo e nas plantas em crescimento e ainda devido aos riscos para a saúde envolvidos.
A lama em bruto ativada, depois da secagempor calor, é estabilizada como produto de lama superior. Este tipo de lama retem a maioria dos sólidos orgânicos e contem mais nitrogénio do que outro tipo de lama.
A lama digerida de todos os processos de tratamento de esgotos são materiais de valor moderado mas definitivo como fonte de nitrogénio disponibilizado lentamente e outros componentes fosforosos. São comparáveis ao extrume agrícola, exceto na deficiência de potássio. O seu valor principal é o conteúdo de húmus, que tem como consequências o aumento da capacidade de contenção de humidade do solo e a mudança na estrutura do solo que resulta numa maior friabilidade.
E-learning
Página 93
Projeto Nireas
2.7.9 Cálculos A equação básica para calcular a percentagem de sólidos é
E-learning
Página 94
Projeto Nireas
Problema Determine o volume do lĂquido antes e apĂłs a digestĂŁo e a redução percentual para 500 kg (base seca) da lama primĂĄria com as seguintes caracterĂsticas: PrimĂĄrio
Digerido
SĂłlidos, %
5
10
MatĂŠria volĂĄtil, %
60
60 (destruido)
Gravidade especĂfica de sĂłlidos fixos,Ss
2.5
2.5
Gravidade especĂfica de sĂłlidos volĂĄteis,Sv
≈1.0
≈1.0
Solução Gravidade especĂfica mĂŠdia de todos os sĂłlidos na lama primĂĄria Sx= MatĂŠria volĂĄtil x Sv + MatĂŠria nĂŁo volĂĄtil x Ss Sx = 60% * 1 + 40% * 2,5 = 1,32 Gravidade especĂfica da lama primĂĄria S= SĂłlidos % * Sx + Ă gua % * Sw S= 5% * 1,32 + 95% * 1 = 1,01 Volume da lama primĂĄria V=
500 đ?‘˜đ?‘”
đ?‘Ąđ?‘› 1,01đ?‘š3∗5%
= 9,9 m3
Gravidade especĂfica mĂŠdia de todos os sĂłlidos da lama apĂłs digestĂŁo Sx’= MatĂŠria volĂĄtil x Sv + MatĂŠria nĂŁo volĂĄtil x Ss Sx’ = 60%*40% * 1 + 40% * 2,5 = 1,24 Gravidade especĂfica da lama apĂłs digestĂŁo S’= Solids % * Sx + Water % * Sw S’= 10% * 1,24 + 90% * 1 = 1,024 MatĂŠria volatile digerida 500 kg *60% * 60% = 180 kg Volume de lama apĂłs digestĂŁo V=
320 đ?‘˜đ?‘” đ?‘Ąđ?‘›
1,024đ?‘š3∗10%
= 3,125 m3
Percentagem da redução da lama após digestão 9,9 – 3,125 / 9,9 = 68,4 %
E-learning
PĂĄgina 95
Projeto Nireas
2.7.10
Diagrama geral de caudal Diagrama Geral do processamento da lama do cauldal
(Eddy, 1999)
E-learning
Pรกgina 96
Projeto Nireas
2.7.11
Glossário
Aeróbico – Vivo ou ativo na presence de oxigénio. Refere-se especialmente aos microrganismos e/ou à decomposição da matéria orgânica. Anaeróbico – Vivo ou ativo na ausência de oxigénio (por exemplo, microorganismos anaeróbicos). Aplicação no solo – Espalhar ou estender os bio sólidos numa superfície ou num terreno, injeção direta de bio sólidos na camada inferior à superfície, ou incorporação na camada da superficial do solo. Também se aplica ao estrume e a outros resíduos orgânicos. Bio sólidos – Sólidos orgânicos, produto do tratamento das águas residuais municipais que possam ser utilizadas de forma benéfica. Os sólidos oriundos do tratamento de águas residuais que tenham recebido processos para reduzir significativamente os agentes patogénicos ou seus equivalentes. Os sólidos: conteúdo líquido do produto pode variar; bio sólidos líquidos, 1%-4% de sólidos; bio sólidos líquidos engrossados, 4%-12% de sólidos; bio sólidos desidratados, 12%-45% de sólidos; bio sólidos secos, >50% sólidos (estabilizados alcalinamente, composto, secos termicamente). De um modo geral, os bio sólidos líquidos e os líquidos engrossados podem ser manuseados com uma bomba. Os bio sólidos desidratados/secos são manuseados com carregador/empilhador. Bio sólidos desidratados – Resíduos sólidos (12% de sólidos totais por peso ou mais) que permanece, após a remoção da água de bio sólidos líquidos, através de drenagem, pressão, filtragem, ou centrifugação. A desidratação difere do espessamento na medida em que os bio sólidos desidratados podem ser transportados por processos de manuseamento de sólidos. Bolo - Bio sólidos desidratados com uma concentração de sólidos elevada o suficiente (>12%) que permita ser tratado como material sólido. (NOTA: alguns agentes de desidratação podem provocar quedas, mesmo que os conteúdos sólidos sejam superiores a 12%). Compostagem – Processo acelerado de decomposição de matéria organic por microorganismos, que é acompanhada de subidas de temperatura acima da temperatura ambiente; para os bio sólidos, a compostagem é habitualmente gerida por processo aeróbico. Digestão – Decomposição de matéria orgânica através da ação de microorganismos com consequente redução de volume. A digestão anaeróbica produz dióxido de carbono e metano, enquanto a digestão aeróbica produz dióxido de carbono e água. Estabilidade – Características de um material que contribuem para a sua resistência à decomposição pela ação de microorganismos e à formação de metabólitos odoríferos.
E-learning
Página 97
Projeto Nireas
Características relevantes incluem o grau de decomposição da matéria, conteúdos de nutrientes, humidade e de sal, pH e temperatura. Para os bio sólidos, compost ou estrume de origem animal, a estabilidade é um termo utilizado geralmente para descrever a qualidade do material, tendo em conta a sua origem, processamento e intenção de utilização. Lagoa – Reservatório ou tanque construído para conter água, sedimentos e/ou estrume, que contenham 4 a 12% de sólidos, até poderem ser removidos e aplicados na terra.
E-learning
Página 98
Projeto Nireas
2.7.12
Perguntas & Respostas
Perguntas
1.
Qual é a função primordial do espessamento de lamas?
2.
De que forma a temperature da lama afeta a eficiência dos espessadores gravíticos e que medida deve ser tomada durante o period de operacionalização no verão para se reduzir a produção de gás e a subida da lama?
3.
Porque é que as centrifugadoras não são habitualmente utilizadas para engrossar as lamas primárias?
4.
Faça uma lista dos fatores que afetam o desempenho do espessamento por cinto gravítico.
5.
Quais são os objetivos da estabilização?
6.
Faça uma lista dos fatores que afetam a digestão anaeróbica.
7.
Faça uma lista dos fatores que afetam a digestão aeróbica.
8.
De que forma é que a temperatura afeta o desempenho de um digestor aeróbico?
9.
Refira dois químicos utilizados na estabilização de lamas.
10. Porque é que é desejável que uma unidade de tratamento de calor tenha um funcionamento contínuo? 11. Qual é o objetivo primário da secagem das lamas? 12. Dados de desempenho típico indicam que as lamas secundárias não desidratam tão prontamente como as lamas primárias.Porquê? 13. Porque é que os filtros na filtragem sob vácuo passam por uma zona de lavagem? 14. Porque é que as lamas estabilizadas quimicamente geralmente não são compostadas? 15. O que é uma queimadura autogénea? 16. O espessamento é praticado para aumentar o peso da lama o mais possível. Verdadeiro ou falso? 17. Os melhores resultados do espessamento gravítico podem ser alcançados com a lama primária. Verdadeiro ou falso? 18. O espessamento gravítico tem os custos mais baixos de todos os métodos de espessamento. Verdadeiro ou falso? 19. O propósito da estabilização da lama é atingir-se um nível baixo de compressibilidade da lama. Verdadeiro ou falso?
E-learning
Página 99
Projeto Nireas
20. Quando a estabilização com cal tem lugar, a massa do produto final é aumentada. Verdadeiro ou falso? 21. A digestão aeróbica da lama produz um produto utilizável na forma de gás metano. Verdadeiro ou falso? 22. A temperatura de um digestor anaeróbico pode variar até ± 5 °C por dia. Verdadeiro ou falso? 23. O arejamento na digestão aerobic continua por um período mínimo de 5 dias do tempo de detenção. Verdadeiro ou falso? 24. As temperaturas de operação termofílica não podem ser atingidas sem aquecimento exterior na digestão aeróbica termofílica auto termal. Verdadeiro ou falso? 25. Os dois principais métodos de compostagem em todo o mundo podem ser classificados como agitados ou estáticos. Verdadeiro ou falso? 26. A digestão aeróbica termofílica auto termal e os métodos de compostagem termofílica podem atingir melhores níveis de atenuação na remoção de agentes patogénicos. Verdadeiro ou falso? 27. Nos processos de secagem sob calor é possível atingir um conteúdo de mistura de 5 a 10%. Verdadeiro ou falso? 28. Nos processos de incineração, a destruição total de agentes patogénicos e de compostos tóxicos não pode ser alcançada. Verdadeiro ou falso? 29. Apenas com os processos de elevada temperatura é possível atingir-se o nível máximo de remoção de lama. Verdadeiro ou falso? 30. 1 tn de lama primária com 5% de sólidos, significa que os sólidos totais na base seca da lama consistem em 50 kg. Verdadeiro ou falso?
E-learning
Página 100
Projeto Nireas
Respostas 1.
A função principal do espessamento das lamas é reduzir o volume da lama a ser manuseada nos processos que se seguirem.
2.
À medida que a temperatura da lama aumenta, aumenta também o ritmo da atividade biológica e a lama tende a gasificar e o gás a subir rapidamente. Por isso, durante o período de operações de verão a lama em depósito tem de ser removida mais rapidamente do espessador.
3.
As centrifugadoras não são utilizadas habitualmente para engrossar os sólidos primários porque têm ligações internas que entopem facilmente.
4.
Os principais fatores que afetam o desempenham do espessador de cinto gravítico incluem o tipo de cinto, o condicionamento químico, a velocidade do cinto e as cargas hidráulicas e de sólidos.
5.
• • • • • • 6.
Os objetivos da estabilização da lama são: reduzir, ou eliminar o potencial de putrefação; estabilizar a matéria orgânica, eliminar os odores agressivos eliminar os organismos patogénicos para permitir a reutilização ou despojamento reduzir o volume produzir gás utilizável (metano) melhora a capacidade de desidratação da lama
Os principais fatores que afetam a digestão anaeróbica incluem o tipo de lama, o tempo de digestão, a temperatura de digestão e a eficiência da mistura
7.
Os principais fatores que afetam a digestão aeróbica incluem o tipo de lama, o tempo de digestão, a temperatura de digestão, a quantidade de ar fornecido e a carga de sólidos voláteis
8.
O processo aeróbico é diretamente proporcional à temperatura. Por isso, tendo em conta que as temperaturas de digestão aeróbica desejáveis são aproximadamente entre 18 e 27°C, à medida que a temperatura diminui, a taxa de atividade biológica também diminui.
9.
Cal e cloro.
10. O funcionamento contínuo de uma unidade de tratamento térmico é desejável porque dessa forma a energia não é desperdiçada no arrefecimento e reaquecimento do conteúdo do reator cada vez que se inicia uma operação.
E-learning
Página 101
Projeto Nireas
11. A secagem das lamas é utilizada para reduzir o volume através da remoção do conteúdo liquid para permitir um mmanuseamento mais fácil e a reutilização ou eliminação economicamente mais baixas. 12. As lamas secundárias não desidratam tão prontamente como as primárias porque as lamas secunmdárias contêm sólidos finos de baixa densidade, e com vastas superfícies e grandes quantidades de água. 13. Os meios de filtragem passam por uma zona de lavagem para que as partículas finas remanescentes de outros processos sejam removidas, minimizando-se assim o risco de entupimentos. 14. A estabilização química produz ambientes impróprios para a sobrevivência de microrganismos e que não permitem a existência de bactérias de compostagem, a não ser que as lamas sejam neutralizadas e existam condições favoráveis. 15. Uma queimadura autógena ocorre quando o conteúdo volátil do bolo de lama é suficientemente elevado que permita ao bolo entrar em combustão sem aquecimento externo. 16. Falso 17. Verdadeiro 18. Verdadeiro 19. Falso 20. Verdadeiro 21. Falso 22. Falso 23. Falso 24. Falso 25. Verdadeiro 26. Verdadeiro 27. Verdadeiro 28. Falso 29. Verdadeiro 30. Verdadeiro
E-learning
Página 102
Projeto Nireas
E-learning
Pรกgina 1
Projeto Nireas
2.7 MANUSEAMENTO DE BIO SÓLIDOS Os processos de tratamento de aguas residuais descritos até este ponto removem sólidos e CBO do curso de resíduos antes do efluente líquido ser despejado nas suas águas recetoras. O que fica para ainda ser removido é uma mistura de sólidos e resíduos, a que se chama residuais do processo, mais habitualmente referidos como lamas ou bio sólidos. O despojamento de bio sólidos tem vindo a tornar-se uma preocupação ambiental. Novos tratamentos, processos de desinfeção e métodos de descarga estão disponíveis para ajudar os sistemas a corresponderem a regulamentações cada vez mais exigentes. O aspeto mais dispendioso e complexo do tratamento das águas residuais é a recolha, processamento e descarga de lamas porque a quantidade de lama produzida pode corresponder a 2% do volume original das águas residuais, dependendo do tipo de processo de tratamento utilizado. Uma vez que a lama pode conter 97% de água e porque o custo da descarga está relacionado com o volume da lama a ser processada, um dos objetivos principais do tratamento de lamas (em simultâneo com a necessidade de as estabilizar para que não sejam prejudiciais para o ambiente) é separar dos sólidos a maior quantidade de água possível. Os métodos de tratamento de lamas podem ser concebidos para corresponder a estes dois aspetos.
Nota: Os métodos de tratamento de lamas são normalmente divididos em três categorias: espessamento, estabilização e secagem.
E-learning
Página 2
Projeto Nireas
2.7.1 Produção de Bio sólidos As formas de lama iniciais são 3 a 7% de sólidos em suspensão; com cada pessoa a produzir em média cerca de 10-15 L de material de lama por semana, a quantidade produzida por dia, por semana, por mês e por ano é significativa. Devido ao volume e à natureza do material, a gestão das lamas é um fator bastante relevante na conceção e operacionalização de todas as estações de controlo da poluição das águas.
Note: O tratamento dos sólidos das águas residuais constitui mais de metade dos custos totais numa estação de tratamento secundário regular.
A lama das águas residuais é produzida nos processos de tratamento primário, secundário e químico.
No tratamento primário, os sólidos que flutuam ou assentam são removidos. O material flutuante é uma porção dos resíduos sólidos conhecidos como escória (ou espuma). Normalmente a escória não é considerada lama, no entanto, deve ser descartada de um modo ambientalmente aceitável. O material depositado recolhido no fundo de um clarificador é conhecido como lama primária. A lama primária pode também ser referida como “lama ou lodo corrida/o” porque não passou por um processo de decomposição. Lamas primárias em bruto oriunda de uma habitação doméstica comum podem ser deveras ofensivas e contêm uma elevada percentagem de água, duas características que tornam difícil o seu manuseamento.
Os sólidos que não são removidos no clarificador primário são conduzidos para a unidade primária. Estes sólidos são conhecidos como sólidos coloidais suspensos. O sistema de tratamento secundário (por exemplo, filtro biológico, lama ativada) é concebido para transformar estes sólidos coloidais em sólidos em depósito que possam ser removidos. Uma vez depositados,
E-learning
Página 3
Projeto Nireas
assentes, estes sdólidos podem ser removidos para o clarificador secundário. A lama em depósito no fundo do clarificador secundário denomina-se lama secundária. As lamas secundárias são leves, fofas e mais difíceis de processar do que as lamas primárias – em suma, o processo de desidratação das lamas secundárias não é eficaz, estas lamas não secam bem. Adicionar químicos e várias substâncias orgânicas e inorgânicas antes da sedimentação e da clarificação pode favorecer a captura de sólidos e reduzir a sua perda no efluente. Esta adição de químicos conduz à formação de sólidos mais pesados que armadilham os sólidos coloidais ou convertem os sólidos dissolvidos em sólidos depositáveis. Estes sólidos resultantes são conhecidos como lamas químicas.
Fontes de sólidos de ETARs convencionais Processo de operação da unidade Triagem
Sólidos em bruto
Remoção de areia/cascalho
Cascalho e escória
Pre-arejamento
Cascalho e escória
Sedimentação primária
Sólidos primários e escória
Tratamento biológico
Sólidos suspensos
Sedimentação secundária Instalações de processamento de sólidos
Tipos de sólidos
Biosólidos secundários e escória Sólidos, composto e cinzas
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 4
Projeto Nireas
Características de sólidos e lamas produzidos durante o tratamento de águas residuais Sólidos ou lama Descrição Triagem (rastreios)
Cascalho/areia
Escória/gordura
Lama primária
Lama de precipitação química
Lamas ativadas
Filtro de lama escorrido
Bio sólidos digeridos aerobicamente
Bio sólidos digeridos anaerobicamente
E-learning
Os rastreios incluem todo o tipo de materias orgânicos e inorgânicos suficientemente grandes para serem removidos por crivos de barras. O conteúdo organic varia, dependendo da natureza do sistema e da estação do ano. As areias são normalmente formadas pelos sólidos inorgânicos mais pesados que assentam a velocidades relativamente altas. Dependendo das condições de operacionalização, a areia também pode conter quantidades significativas de matéria orgânica, especialmente gorduras e graxas. A escória é composta pelos materiais flutuantes rastreados da superfície dos tanques de depósito primários e secundários, das câmaras de areia e dos tanques de contacto de cloro. A escória pode conter gorduras, óleos vegetais e minerais, gordura de origem animal, ceras, sabões resíduos de alimentos, vegetais e cascas de frutas, cabelos, papel e algodão, picas de cigarros, materiais plásticos, preservativos, partículas de cascalho e outros materiais semelhantes. A gravidade específica da escória é inferior a 1.0 , sendo normalmente cerca de 0.95. A lama dos tanques de depósito primários é normalmente cinzenta e viscosa e, na maior parte das vezes, tem um odor extremamente agressivo. A lama primária pode estar pronta para ser digerida sob condições de operação adequadas. A lama derivada da precipitação química com sais metálicos é normalmente de cor escura, embora a sua superfície possa ser vermelha se contiver muito ferro. A lama da cal é cinzenta-acastanhada. O cheiro da lama química pode ser tão agressivo como o da lama primária. Enquanto a lama química é, de algum modo, viscosa, o hidrato de ferro ou alumínio que contenha torna-a gelatinosa. Se a lama for deixada no tanque, passa por um processo de decomposição semelhante ao da lama primária, mas mais lentamente. Podem ser libertadas quantidades substanciais de gás e a densidade da lama pode aumentar devido a longos períodos de retenção. A lama ativada é, normalmente, castanha e floculenta. Se a cor estiver escura, significa que pode estar a ficar sética. Se a cor estiver mais clara do que habitualmente, pode significar que esteve sujeita a arejamento, implicando um assentamento mais lento dos sólidos. A lama em boas condições tem um odor a terra inofensivo. A lama tem tendência para ficar sética com rapidez, resultando na emissão de um cheiro desagradável a putrefação. A lama ativada está pronta a digerir-se por si só ou quando misturada com lama primária. A lama de húmus oriunda dos filtros escorridos é acastanhada, floculenta e relativamente inofensiva em termos odoríficos, quando fresca. Geralmente, decompõe-se mais lentamente do que outras lamas não digeridas. Quando a lama de filtros escorridos contém muitas larvas, pode tornar-se inofensiva rapidamente. A lama de filtros escorridos digere-se facilmente. Os bio sólidos digeridos aerobicamente são castanhos, castanhos escuros, e têm uma aparência floculenta. O odor da lama digerida aerobicamente é agressivo; é muitas vezes caracterizado como musty. As lamas aeróbicas bem digeridas desidratam facilmente nos leitos de secagem. Os bio sólidos digeridos anaerobicamente são de cor castanha escura a preta e contêm uma quantidade excecionalmente grande de gás de bio sólidos digeridos Quando bem digeridos, não são agressivos, o seu cheiro é relativamente fraco, semelhante ao de alcatrão quente, borracha queimada ou lacre. A lama primária, quando digerida anaerobicamente, produz cerca de duas vezes mais metano do que a lama ativada residual. Quando drenada para leitos porosos em camadas finas, os sólidos são primeiro transportados para a superfície pelos gases infiltrados, deixando um lençol de água límpida. A água escoa rapidamente, permitindo que
Página 5
Projeto Nireas os sólidos se depositem lentamente no fundo do leito. À medida que os sólidos secam, os gases libertam-se, deixando a superfície com fissuras e com um cheiro semelhante ao de barro num jardim. Os sólidos compostados são normalmente castanhos escuros a pretos, mas a cor pode variar caso tenham sido utilizados, no processo de compostagem, agentes promotores de volume, como composto reciclado ou lascas de madeira. O odor de sólidos bem compostados é inofensivo e assemelha-se aos fertilizantes de solo que são vendidos para fertilizar jardins, por exemplo.
Composto
(Eddy, 1999)
Quantidade de Água Habitual nas Lamas Processo de Tratamento da
Percentagem da
Água
Mistura de Lama, % 95
kg de Água/kg de Sólidos Produzidos por Lamas 19
Húmus, baixa velocidade
93
13,3
Húmus, alta velocidade
97
32,3
99
99
Sedimentação primária Filtro de lodo/lama escorrido/a
Lama ativada
(Frank R. Spellman, 2009)
E-learning
Página 6
Projeto Nireas
2.7.1 Pré-tratamento O pré-tratamento da lama é frequentemente necessário antes da secagem ou espessamento. Inclui a eliminação de cascalho, a triagem, mistura e armazenamento antes de qualquer tratamento posterior.
2.7.1.1 Moagem A moagem da lama envolve desfazer sólidos de lama de grandes dimensões em partículas mais pequenas. Este método é utilizado para prevenir problemas nos processos a jusante. As trituradoras em linha reduzem o tempo de limpeza e de manutenção do equipamento. Os moedores podem desfazer sólidos de lama de 6 a 13 mm, dependendo dos requisitos de design.
Moedor em linha (em cima, à esquerda); incisivos de um moedor (em baixo, à esquerda); instalação habitual de um moedor (à direita)
E-learning
Página 7
Projeto Nireas
2.7.1.2 Triagem A triage de lamas é uma alterantiva à moagem. O seu objetivo é remover os materiais fibrosos da lama. As aberturas da tela variam normalmente entre o 3 e os 6 mm, embora possam ser utilizadas aberturas até 10mm.
Prensa de triagem de lamas: (a) esquema e (b) vista de uma instalação de grandes dimensões.
(Eddy, 1999)
Prensa de triagens de lamas
E-learning
Página 8
Projeto Nireas
2.7.1.3 Eliminação de areias e cascalho Em algumas estações onde não são utilizadas instalações separadas de remoção de areias e cascalho antes dos tanques de sedimentação primária, ou onde as instalações de remoção de areias não são adequadas para lidar com picos de caudal e picos de carregamentos de areias, pode ser necessário remover as areias antes de se prosseguir com o processamento da lama. Consequentemente, é reduzido o desgaste dos sistemas de bombagem de afluente e de de lamas primárias, da canalização e dos sistemas de espessamento. Sendo necessário mais espessamento da lama primária, é aconselhável a eliminação de areias. O método mais eficaz de retirar a areia da lama é a uilização de forces centrífugas num sistema de caudal corrente para que as partículas de areia se separem da lama orgânica. Tal separação é alcançada através do uso de desarenadores ciclone que não têm partes movimentáveis. A lama é aplicada tagente a uma secção de alimentação cilíndicra, transmitido assim uma força centrífuga contínua. As partículas mais pesadas da areia saem da secção do cilindro e são descarregadas através de uma secção cónica de alimentação. As lamas orgânicas são despejadas através de uma saída diferente.
2.7.1.4 Mistura A mistura de lamas envolve a homogenização ludge de todos os cursos de lamas. A lama é produzida nos processos de tratamento de águas residuais primário, secundário e avançado. A lama primária consiste em sólidos assentáveis transportados pelas águas residuais em bruto. A lama secundária consiste em bio sólidos e sólidos assentáveis adicionais. A lama produzida em processos de tratamento avançado pode ser constituída por bio sólidos e sólidos químicos. A lama é misturada para produzir uma mistura uniforme destinada aos processos e operações a jusante. As misturas uniformes são as mais importantes nos sistemas de retenção por curtos períodos de tempo, como os de secagem de lamas, tratamento por calor e incineração.
2.7.1.5 Armazenamento Antes de a lama passar por tratamentos como a secagem ou o espessamento, tem de ser armazenada e pré-tratada. O armazenamento da lama é uma parte importante, integral, de qualquer sistema de tratamento e despojamento de lamas de águas residuais. O armazenamento de lamas tem vários benefícios incluindo a equalização do curso das lamas para os processos a jusante, permitindo a acumulação de lamas durante períodos em que as instalações de
E-learning
Página 9
Projeto Nireas
processamento de lamas não estejam a funcionar e permitindo uma velocidade de alimentação uniforme, favorável às operações de espessamento, condicionamento e secagem.
2.7.2 Espessamento O espessamento é praticado para remover a maior quantidade possível de água antes da secagem final da lama. Normalmente, é executado fazendo com que os sólidos flutuem na superfície do líquido (flotação), ou permitindo que os sólidos se depositem no fundo (espessamento gravítico). Outros métodos de espessamento consiste na centrifugação, filtragem sob pressão, ou filtragem sob vácuo. Estes processos oferecem formas económicas de reduzir a carga volumétrica da lama nas etapas seguintes.
E-learning
Página 10
Projeto Nireas
2.7.2.1 Espessamento por flotação O espessamento por flotação é utilizado com mais eficácia nas lamas residuais dos processos de tratamento biológicos de crescimento suspenso, como os processos de lama ativada. A água reciclada do espessamento por flotação recebe ar sob pressão. Durante este período de tempo, a água absorve mais ar do que absorveria sob uma pressão normal. O curso reciclado, em conjunto com os aditivos químicos (se utilizados) mistura-se com a corrente. Quando a mistura entra no espessador por flotação, o excesso de ar é libertado na forma de pequenas bolhas. Estas bolhas agarram-se aos sólidos e fazem com que eles subam à superfície. A acumulação de sólidos na superfície denomina-se de bolo flutuante. Quanto mais sólidos forem sendo adicionados à base do bolo flutuante, mais espesso se torna e a água escoa dos níveis superiores. Os sólidos são depois transportados para um plano inclinado através de um raspador e descarregados. O subnadante sai do tanque sob os sólidos suspensos e é reciclado ou devolvido ao curso de águas residuais para tratamento. Habitualmente, o desempenho do espessamento por flotação é de 3 a 5% de sólidos para resíduos de lama ativada, com adição de polímero, e de 2 a 4%, sem adição de polímero.
Espessamento por Flotação por Ar Dissolvido
(John M. Stubbart, 2006 )
E-learning
Página 11
Projeto Nireas
Sistema de Flotação por Ar Dissolvido, desenho esquemático
Funcionamento do Sistema de Flotação por Ar Dissolvido https://www.youtube.com/watch?v=SUn8fO4J2dQ Instalação do sistema de Flotação por Ar Dissolvido
E-learning
Página 12
Projeto Nireas
2.7.2.2 Espessamento gravítico O espessamento gravítico tem sido amplamente utilizado nas lamas primárias devido à sua simplicidade e custo baixo. No espessamento gravítico, a gravidade induzida conduz à aglomeração e depósito dos sólidos da lama. Esta concentração é essencial para o processo de sedimentação. A lama flui para um tanque semelhante aos clarificadores circulares utilizados na sedimentação primária e secundária. Os sólidos na lama assentam no fundo, sendo removidos por um mecanismo raspador para um funil. O tipo de lama a ser engrossada influencia significativamente o desempenho. Os melhores resultados podem ser alcançados com a lama primária. A lama primária em bruto pode ser engrossada em 1-3% a 10% dos sólidos, 2 a 4% dos sólidos de resíduos de lama ativada, 7 a 9% dos sólidos de resíduos do filtro escorrido e 4 a 9% dos resíduos primários e secundários combinados. À medida que a proporção da lama (secundária) ativada aumenta, diminui a consistência dos sólidos em depósito. Existem diversos designs para espessantes de lamas. O mecanismo de raspagem é um espessante gravítico
E-learning
Página 13
Projeto Nireas
Diagrama exemplificativo de um espessante gravítico: (a) planta e (b) secção
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 14
Projeto Nireas
Desempenho do Espessamento Gravítico Convencional
Tipo de Sólidos
Primários (PRI)
Alimentação, % total de sólidos
Sólidos Engrossados, % total de sólidos
0.6-6
5-10
1-4
3-6
Contador biológico giratório (RBC)
1-3.5
2-5
Resíduos sólidos ativados (WAS)
0.2-1
2-3
PRI + WAS
3-6
8-15
RPI + TF
2-6
5-9
PRI + RBC
2-6
5-8
3-4.5
10-15
1.5
3
0.2-0.4
4.5-6.5
4
8
Filtro de Escorrimento (TF)
PRI + cal PRI + (WAS + ferro) PRI + (WAS + sais de alumínio) PRI + WAS digeridos anaerobicamente
(John M. Stubbart, 2006 )
Algumas vantagens e desvantagens do espessamento gravítico são enumeradas de seguida:
Vantagens •
Simples operacionalização e manutenção do equipamento gravítico
•
Os custos de operacionalização são mais baixos do que os de outros métodos de espessamento, nomeadamente a flotação por ar dissolvido (DAF), a cinto gravítica ou o espessamento centrífugo. Por exemplo, a operacionalização eficiente de um espessamento gravítico permite poupar nas etapas de manuseamento dos sólidos posteriores (a jusante).
•
Além disso, instalações que aplicam na terra bio sólidos líquidos podem beneficiar do espessamento de diversas formas, como: o Redução do tráfego de camiões quer na estação na quinta; o Redução dos custos de transporte; o Possibilidade de as instalações existentes armazenarem mais dias de produção de bio sólidos; o Possibilidade de se utilizarem instalações de armazenamento mais pequenas;
E-learning
Página 15
Projeto Nireas
o Redução do tempo necessário para transferir os sólidos para o veículo aplicador e para incorporar ou aplicar os sólidos engrossados na superfície; o Redução da compactação do solo, devido à possibilidade de corresponder à exigência de produção de nitrogénio com menos passagens do veículo aplicador. Desvantagens •
A acumulação de escória pode dar origem aodores.
•
Podem surgir bloqueios devido à acumulação de gorduras nas tubagens. Esta situação pode ser prevenida através de descargas rápidas ou descarregamento de apoio.
•
As condições séticas vão dar origem a odores de enxofre. Este aspeto pode ser atenuado através da minimização dos tempos de retenção no sistema coletor e na estação, ou através da utilização de agentes oxidantes.
•
A concentração de sólidos no supernatant não é tão baixa como a produzida por um DAF ou espessador centrífugo. Os espessadores de cinto podem produzir supernatant com concentrações de sólidos mais baixas, dependendo do equipamento e das características dos sólidos.
•
É necessária uma maior area de terreno para o equipamento de um espessador gravítico do que para um cinto gravítico DAF ou um espessador centrífugo.
•
As concentrações de sólidos nos sólidos engrossados são normalmente mais baixas do que as resultantes de um cinto gravítica DAF ou de um espessador centrífugo. Fotografia de uma instalação de um bacia para espessamento
(E. S. Tarleton, R. J. Wakeman, 2007)
E-learning
Página 16
Projeto Nireas
Fatores que Afetam o Desempenho do Espessamento Gravítico Fator
Efeito
Natureza dos sólidos alimentados Frescura dos sólidos alimentados Concentração de sólidos altamente voláteis Taxas de carregamento hidráulico elevadas
Afeta o processo de espessamento porque alguns sólidos engrossam mais facilmente do que outros. A idade de alguns sólidos pode dar origem a condições séticas.
Ritmo de carregamento de sólidos Temperatura e variação da temperatura em conteúdos espessantes
Profundidade elevada lençóis de sólidos
de
Tempo de permanência dos sólidos Mecanismo e velocidade da extração dos sólidos Tratamento químico
Presença de agentes bacteriostáticos ou agentes oxidantes Adição de polímero catiónico Utilização de coagulantes de sais metálicos
E-learning
Dificulta o depósito gravítico devido à gravidade específica das partículas reduzidas Aumenta a velocidade e provoca turbulência, o que perturba o processo de assentar das partículas e faz com que os sólidos mais leves passem pelos açudes. Se as taxas (ritmo/velocidade) forem elevadas, o tempo de retenção será insuficiente para haver assentamento dos sólidos. Se o ritmo for lento, podem ocorrer condições séticas. • Temperaturas elevadas resultam em condições séticas. Temperaturas extremamente baixas resultam em baixas velocidades de assentamento. Se a temperature varia, o assentamento diminui devido à estratificação. • À medida que a temperature da lama aumenta, aumenta também o ritmo da atividade biológica e a lama tende a transformar-se em vapor e a subir rapidamente. Consequentemente, na operacionalização durante o verão, a lama em depósito tem de ser removida mais rapidamente do espessante. Melhora o desempenho do assentamento, conduzindo à compactação das camadas inferiores, mas pode permitir que sólidos passem através do açude. Um aumento pode ter como consequência condições séticas. Uma diminuição pode resultar em depósito apenas parcial Tem de ser mantido para produzir um caudal continuo e fluído. De outra forma, podem ocorrer turbulências, condições séticas, alterações no aswsentamento e outras anomalias. Químicos como o potássio, o permanganato, polímeros, ou cloreto férrico, podem melhorar a qualidade do depósito e/ou do supernatant. Permite tempos de retenção mais longos antes de as condições anaeróbiocas darem origem a bolhas de gás e sólidos a flutuar. Ajuda a engrossar resíduos de sólidos ativados e a clarificar o supernatant. Melhora a limpidez do curso mas pode ter um impacto reduzido na concentração sob o caudal. (John M. Stubbart, 2006 )
Página 17
Projeto Nireas
Guia de Resolução de Problemas de Espessadores Gravíticos Indicadores
Odor sético, sólidos em ascensão
Sólidos engrossados que não estejam espressos o suficiente
Sobrelotação do mecanismo de recolha de sólidos
Afluência do caudal Crescimento biologic excessive nas superficies e nos açudes (limos, etc.) Fuga de óleo Junta barulhenta, ou quente ou universal Sobrecarga da bomba
Partículas finas de sólidos no efluente
Verificar ou
Causa provável
Monitorizar
O ritmo de bombagem de sólidos engrossados é demasiado lento; a taxa the caudal espessante é demasiado baixa.
Verificar se o sistema de bombagem de sólidos engrossados está a funcionar corretamente; verificar se o mecanismo de recolha espessante está a funcionar corretamente.
A taxa de fluxo superior é demasiado elevada; a taxa de bombagem dos sólidos engrossados é muito alta; o circuito do fluxo no tanque é curto.
Verificar a taxa de sobre fluxo; utilizar corante ou outro marcador para verificar a circulação.
Forte acumulação de sólidos; objetos estranhos presos no mecanismo: alinhamento inadequado do mecanismo.
Sonda ao longo dos braços frontais do coletor.
Programa de bombagem de afluente pobre.
Ciclo de bombagem
Programa de inadequado
--
limpeza
Falha na vedação do óleo Utilização excessiva: alinhamento inadequado; falta de lubrificação Ajust inadequado do revestimento; bomba entupida. Sólidos de resíduos ativados
Vedar o óleo Alinhamento; lubrificação
Verificar a embalagem; verificar se há lixo na bomba. Porção de sólidos de residues ativados (WAS) em efluente engrossado
Solução Aumentar a velocidade de bombagem dos sólidos engrossados; aumentar o fluxo do afluente para o espessador – uma porção do efluente secundário pode ser bombeada para o espessador de forma a subir o ritmo do curso do caudal para 16-24 3 2 m /m d; sólidos de afluente com cloro. Diminuir a taxa de fluxo de sólidos do afluente; diminuir o ritmo de bombagem dos sólidos do afluente; verificar os açudes do efluente e reparar ou re-nivelar; verificar os defletores do afluente ou relocalizá-los. Agitar o lençol de sólidos em frente aos braços coletores com jatos de água; aumentar a taxa de remoção de sólidos; tentar remover qualquer objeto estranho com um dispositivo de braços; se o problema persistir, drenar o espessador e verificar o mecanismo em modo desligado. Modificar o ciclo da bomba; reduzir o fluxo e aumentar o tempo. Limpeza frequente das superficies; aplicar cloro. Substiuir a vedação/selo Substituir, lubrificar, ou alinhar a junta ou suporte de acordo com o necessário. Ajustar a embalagem/revestimento; limpar a bomba. Melhorar o acondicionament da porção de WAS dos sólidos num espessador por flotação.
(John M. Stubbart, 2006 )
E-learning
Página 18
Projeto Nireas
2.7.2.3 Espessamento por centrifugação As centrifugadoras são utilizadas para engrossar as lamas e para as drenar/secar. A aplicação das centrifugadoras no espessamento limita-se normalmente aos resíduos de lama ativada porque as centrifugadoras têm entradas que entopem facilmente. O espessamento por centrifugação envolve o assentamento das partículas sob a influência de forças centrífugas. O tipo básico de centrifugação utilizado para o espessamento de lamas é a centrifugadora taça.
Diagrama de uma centrifugadora utilizada no espessamento de sólidos
(Eddy, 1999)
Sistema de Centrifugação Típico
E-learning
Página 19
Projeto Nireas
2.7.2.4 Espessamento por cinto-gravítico O desenvolvimento de espessadores de cinto gravítico derivou da aplicação de prensas de cinto na desidratação de lamas. Na secagem em prensas de cinto, particularmente das lamas que contêm concentrações de sólidos inferiores a 2%, o espessamento ocorria de forma eficiente na secção de drenagem gravítica da prensa. Os sistemas são habitualmente desenhados para um máximo de 5 a 7% de sólidos engrossados. O equipamento desenvolvido para o espessamento consiste num cinto gravítico que se movimenta sobre os carris conduzidos por uma unidade de velocidade variável. A lama é condicionada com polímero e introduzida numa caixa de alimentação/distribuição numa das extremidades, obde a lama é distribuída uniformemente pela largura do cinbto em movimento. A água é drenada através do cinto à medida que a lama concentrada é transportada em direção à extremidade de descarga do espessador. A lama é endurecida e sulcada por uma série de lâminas tipo arado localizadas ao longo da área de passagem do cinto, permitindo que a água que é retirada da lama escoe pelas aberturas do cinto. Depois de a lama engrossada ser removida, o cinto passa por um ciclo de lavagem. O espessador de cinto gravítico tem sido utilizado para engrossar lama de resíduos ativados, lamas digeridas arerobica e anaerobicamente e algumas lamas industriais. É necessária a adição de polímero. Recomenda-se que se efetuem testes para verificar que os sólidos podem ser engrossados com dosagens normais de polímero.
Espessador de Cinto-gravítico – diagrama esquemático
(Eddy, 1999)
As doses de polímero para o espessamento de lamas de resíduos ativados varia entre 3 a 6 kg de polímero seco por tonelada de sólidos secos.
E-learning
Página 20
Projeto Nireas
Os principais fatores que afetam o desempenham do espessamento por cinto gravítico incluem o tipo de cinto, o condicionamento químico, a velocidade do cinto e as cargas hidráulicas e de sólidos.
Espessador de Cinto-gravítico em funcionamento
E-learning
Página 21
Projeto Nireas
2.7.2.5 Espessamento por tambor rotativo Os tambores rotativos semi-cobertos também são utilizados para engrossar lamas. Um sistema de espessamento de tambor rotativo consiste num sistema de condicionamento (incluindo um sistema de alimentação de polímero) e telas cilíndricas rotativas. O polímero é misturado com lama diluída no tambor misturador e condicionador. A lama condicionada é, depois, passada para os tambores de rastreio rotativos que separam os sólidos floculados da água. A lama engrossada rola para fora da extremidade dos tambores, enquanto a água extraída sai pelas aberturas da tela. Algumas configurações permitem acoplar a unidade de tambor rotativo com a prensa de cinto de filtragem, combinando os processos de espessamento e de drenagem. Os espessadores de tambor rotativo podem ser utilizados como uma etapa pré-espessamento antes do processo de drenagem na prensa de cinto.
Espessador de Tambor-rotativo
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 22
Projeto Nireas
2.7.3 Estabilização A estabilização da lama tem os seguintes objetivos:
• • • • • •
Reduzir, ou eliminar a potencial putrefação; estabilizar a material orgânica Eliminar os odores agressivos Eliminar or organismos patogénicos de modo a permitir a reutilização ou disponibilização Reduzir o volume Produzir gás utilizável (metano) Melhorar a capacidade de drenagem da lama
Os meios para eliminar estas condições nefastas estão essencialmente relacionados com a redução biológica do conteúdo volátil e a adição de químicos aos sólidos ou bio sólidos tornamdoos em ambiente adverso para a sobrevivência de microorganismos. O equipamento necessário para a estabilização depende do processo específico utilizado. Os processos de estabilização da lama incluem:
•
Estabilização química (oxidação com cloro ou cal)
•
Digestão anaeróbica
•
Digestão aeróbica
•
Digestão aerobic termofílica autotermal (ATAD)
•
Compostagem
Quando se define um processo de estabilização, é importante considera a quantidade de lama a ser tratada, a integração do processo de estabilização nas outras unidades de tratamento e os objetivos do processo de estabilização. Os objetivos do processo de estabilização são frequentemente afetados pelas regulamentações existentes ou pendentes. Se a lama tiver como finalidade ser aplicada no solo, tem de ser considerada a redução patogénica.
E-learning
Página 23
Projeto Nireas
2.7.3.1 Estabilização química A estabilização química é um processo através do qual a matrix da lama é tratada com químicos de formas diferentes de modo a estabilizar os sólidos que contenha. Dois métodos habitualmente empregas são a estabilização com cal e o uso de cloro.
Estabilização com cal A estabilização com cal pode ser utilizada para tratar primário em bruto, resíduos ativados, material sético e lama digerida anaerobicamente. O processo envolve misturar com a lama a quantidade de cal suficiente para aumentar doze vezes mais pH da mistura. Este pH mantém-se pelo menos durante duas horas. Normalmente, este facto faz com que os riscos bacterianos e os odores sejam reduzidos para um valor insignificante, contribui para a melhoria do desempenho da secagem e fornece meios satisfatórios de estabilização da lama, antes de ser despejada. Se se adicionar cal viva, CaO (ou qualquer outro composto com elevado nível de cal viva), à lama, inicialmente ela reage com a água, formando cal hidratada. Esta reação é exotérmica e pode resultar numa subida de temperatura substancial. Quando é utilizado o pré-tatamento com cal antes da desidratação, a desidratação é feita com a prensa de filtro tipo-pressão. O tratamento com cal é raramente utilizado com centrifugadoras ou prensas de filtro de cinto devido ao desgaste abrasivo e a problemas de escala.
Vantagens •
O resultado é um produto rico tipo solo, com uma quantidade de patogénicos reduzida.
Desvantagens •
A massa do produto é aumentada devido à adição de material alcalino.
•
Muitos odores, gases voláteis, são também produzidos com o método de estyabilizalção com cal, especialmente amónia, o que requere a recolha e tratamento nos sistemas de controlo de odores, como lavadores químicos e biofiltros.
E-learning
Página 24
Projeto Nireas
Doses habituais de cal no pré tratamento para a estabilização de lamas Dosagem de cal* Tipo de lama
Concentração de
g Ca(OH)2/ kg
sólidos, %
sólidos secos
Alcance
Alcance
Média
3-6
60-170
120
1-1,5
210-430
300
6-7
140-250
190
1-4,5
90-510
200
Primário Lixo ativado Mistura digerida anaerobicamente Material sético
*Quantidade de Ca(OH)2 necessária para manter o pH 12 vezes superior.
(Eddy, 1999)
No pós-tratamento com cal, a cal viva hidratada é misturada com lama desidratada num misturador tipo Pug-Mill, misturador de pá, ou misturador tipo rosca para aumentar o pH da mistura. É preferível utilizar-se cal viva porque a reação exotérmica da cal e da água pode elevar a temperatura da mistura acima dos 50°C, o suficiente para destruir os ovos de larvas.
Vantagens •
Pode ser utilizada cal seca; não é adicionada água à lama desidratada e não existe nenhum requisite especial para a secagem
•
São eliminados os problemas de escala e os problemas de manutenção associados ao equipamento de secagem com cal da lama
Desvantagens •
O pós-tratamento da lama digerida anaerobicamente com cal pode dar origem à formação de odores, como trimetil amina
Um sistema de estabilização de pós-tratamento com com cal consiste normalmente num sistema de alimentação de cal seca, um transportador de bolo de lama desidratada e um misturador de lama e cal. Mistura bem é especialmente importante para assegurar o contacto entre a cal e as partículas de lama mais pequenas.
E-learning
Página 25
Projeto Nireas
Sistema típico de pós-tratamento com cal
(Eddy, 1999)
Estabilização com cloro A estabilização através da adição de cloro tem vindo a ser desenvolvida e é comercializada sob a marca registrada "Purifax". O condicionamento químico da lama com cloro varia grandemente entre os métodos mais tradicionais de digestão biológica e o condicionamento com calor. No primeiro, a reação é quase instantânea. No segundo, a redução de sólidos voláteis na lama é muito insuficiente. A oxidação do cloro também ocorre num recipiente fechado. Neste processo, o cloro (100 to 1000 mg/L) é misturado com o fluxo de sólidos reciclados. O caudal reciclado e o processo residual do caudal misturam-se no reator. Os sólidos e a água são separados após saírem do recipiente do reator. A água é devolvida ao sistema de tratamento de águas residuais e os sólidos tratados são desidratados para futura expulsão.
Vantagens •
Este processo pode ser operado intermitentemente.
Desvantagens •
Produção de pH extremamente baixo e conteúdo de cloro muito elevado no supernatant.
E-learning
Página 26
Projeto Nireas
2.7.3.2 Estabilização através de digestão anaeróbica O objetivo da digestão é alcançar ambos os objetivos do tratamento de lamas – a redução do volume e a decomposição da matéria orgânica altamente perecível e de putrefação rápida para compostos orgânicos e inorgânicos relativamente estáveis. Adicionalmente, a digestão anaeróbica da lama produz um produto valioso na forma de gás metano (o constituinte primário do gás natural, que podemos transformar em calor ou converter em eletricidade). A digestão de lamas é levada a cabo por organismos anaeróbicos, na ausência de oxigénio livre. É, assim, decomposição anaeróbica. A matéria sólida na lama em bruto é cerca de 70% orgânica e 30% inorgânica ou mineral. Muita da água presente na lama das águas residuais é água “entrelaçada” que não pode ser separada dos sólidos de lama. Os organismos facultativos e anaeróbicos decompõem a complexa estrutura molecular destes sólidos libertando a água “entrelaçada”, obtendo assim oxigénio e alimento para crescerem.
MAIS A degradação anaeróbica da lama doméstica ocorre em duas fases. Na primeira fase, as bactérias formadas no ácido atacam os sólidos solúveis ou dissolvidos, como os açucares. Destas reações, formam-se ácidos orgânicos, acima de mil ppm, e gases como o dióxido de carbono e o sulfureto de hidrogénio. Esta é conhecida como a etapa da fermentação ácida (acidogenesis) e ocorre rapidamente. É seguida por um período de digestão ácida, durante a qual os ácidos orgânicos e os compostos de nitrogénio atacam e liquefazem a um ritmo muito mais lento. Numa
segunda fase
da
digestão,
conhecida
como
período
intensivo
de
digestão
(metanogenesis), estabilização e gaseificação, são atacados os materiais mais resistentes, como as proteinas, os amino-ácidos, entre outros. O valor do pH tem de ser mantido de 6.8 a 7.4. São produzidos grandes volumes de gases, com 65% ou mais de metano. Os organismos que convertem os ácidos orgânicos em gás metano e dióxido de carbono são conhecidos como formadores de metano. Os sólidos que permanecem relativamente estáveis, ou que entram em putrefação lentamente, podem ser descartados sem dar origem a condições agressivas e têm utilidade agrícola.
A redução de matéria orgânica medida pelos sólidos voláteis indica se a digestão está completa. A lama em bruto contém normalmente entre 60 a 70% de sólidos voláteis, enquanto uma lama bem digerida pode ter apenas 50%. Isto representa uma redução de cerca de 50% de sólidos voláteis.
E-learning
Página 27
Projeto Nireas
A maioria dos sistemas de digestão anaeróbicos são desenhados para funcionarem numa gama de temperaturas mesofílicas, entre os 30 e os 38° C. Outros sistemas são concebidos para funcionarem numa gama de temperaturas termofílicas, entre os 50 e os 57° C. Foi descoberto que a digestão de lamas ocorre em quase todas as variações de temperatura, mas o tempo necessário para se completar o processo de digestão varia de acordo com a temperatura. As mudanças bruscas de temperatura também são prejudiciais. A variação deária da temperatura de digestão não deve exceder ± 1 °C. Bombear quantidades excessivas de lama fina pode provocar baixas significativas na temperatura do digestor.
Digestor anaeróbico típico, perspetiva esquemática
E-learning
Página 28
Projeto Nireas
Os organismos que formam o metano são extremamente sensíveis às mudanças de temperatura. A uma temperatura de 12 °C cerca de 90% da digestão desejada completa-se em cerca de 55 dias. À medida que a temperatura aumenta, o tempo diminui, de tal forma que a 24°C o tempo reduz-se a 35 dias, a 30 °C para 26 dias e a 35 °C para 24 dias. Em teoria, o tempo necessário para a digestão de lamas a 35 °C é metade do tempo necessário caso a temperatura seja 15 °C. Claro que estes valores não são extatamente os mesmos para todos os tipos de lama e dependem da composição e da origem da lama.
O tamanho do digestor anaerobic baseia-se na disponibilização de tempo de permanência suficiente nos reatores bem misturados para permitir que a destruição dos sólidos voláteis suspensos (SVS) seja significativa. Os critérios de tamanho que têm sido utilizados são (1) o tempo de retenção dos sólidos TRS, o tempo médio em que os sólidos são mantidos no processo de digestão e (2) o tempo de retenção hidráulica t, o tempo médio em que o líquido é mantido no processo de digestão. Para os substratos solúveis, o TRS pode ser determinado dividindo-se a massa de sólidos no reator (M) pela massa de sólidos retirada diariament (M/d). O tempo de retenção hidráulica t é igual ao volume de líquido no reator (L3) divido pela quantidade de bio sólidos removidos (L3/d). Para sistemas de digestão sem reciclar, TRS = t.
E-learning
Página 29
Projeto Nireas
Processo do biogás
A lama bem digerida deve ter cor preta, tem um odor a terra que não é desagradável e, quando recolhida num cilindro de vidro, deve ter uma textura granulada e revelar canais provocados pela subida da água à medida que os sólidos vão assentando no fundo.
A quantidade de gases produzidos deve ser relativamente constante se o ritmo de alimentação for constante. Baixas significativas na produção total de gás podem indicar toxicidade no digestor. O gás é normalmente constituído por 65% de metano, cerca de 35% de dióxido de carbono e gases inertes como o nitrogénio. Uma percentagem de dióxido de carbono superior pode ser indicação de que o processo de digestão não está a decorrer de modo adequado.
A produção total de gás é normalmente estimada a partir da percentage da redução de sólidos voláteis. Os valores típicos variam entre os 0,75 e os 1,12 m3/kg de sólidos voláteis destruídos. A produção de gás pode também ser estimada, de modo menos rigoroso, com base nos valores per capita. O rendimento normal é de 15 a 22 L/pessoa*d nas estações primárias que tratam águas
E-learning
Página 30
Projeto Nireas
residuais domésticas normais. Nas estações de tratamento secundário, a produção de gás aumenta para cerca de 28 L/pessoa*d. Tanque de armazenamento de biogás com baixa pressão
O gás metano a temperaturas e a pressões standard (20°C e 1 atm) tem um valor de aquecimento baixo de 36.000 kJ/m3 ou 10 kWh/m3. Uma vez que o gás digestor contém apenas 65% de metano, o valor mais baixo de aquecimento do gás digestor é aproximadamente de 24000 kJ/m3 ou 6,7 kWh/m3. Comparativamente, o gás natural, que é uma mistura de metano, propano e gás butano, tem um valor de aquecimento de 37,300 kJ/m3 ou 10,4 kWh/m3.
E-learning
Página 31
Projeto Nireas
Digestores Anaeróbicos numa instalação
Nas estações de grandes dimensões, o gás digestor pode ser utilizado como combustível para caldeiras e motores de combustão interna que sejam, por sua vez, utilizados na bombagem de águas residuais, no funcionamento de sopradores e para produzir eletricidade. A água quente proveniente do aquecimento das caldeiras ou dos revestimentos dos motores e de caldeiras de exaustão de calor pode ser utilizada para aquecer a lama e também para o aquecimento do edifício, ou podem ser utilizadas caldeiras de aquecimento de lamas a gás. A recuperação energética é mais eficiente se os impulsionadores forem desenhados para funcionarem com calor porque o calor rejeitado, a altas temperaturas, pode ser mais facilmente utilizado em diversas situações do que o calor rejeitado a baixas temperaturas.
O gás digestor pode ser utilizado na cogestação. Cogestação é geralmente definida como um sistema produtor de eletricidade e outra forma de energia (normalmente oriunda da água quente). O gás digestor pode ser utilizado para acionar o motor de um gerador de energia elétrica e o revestimento de água de um motor de combustão interna pode, então, ser utilizado para digestão ou para o aquecimento do edifício.
E-learning
Página 32
Projeto Nireas
Gerador de energia elétrica a partir de biogás (ciclo do diesel)
Uma vez que o gás digestor contém sulfureto de hidrogénio, nitrogénio, partículas e vapor de água, o gás tem frequentemente de ser limpo com lavadores secos ou húmidos antes de srer utilizado para a combustão interna de motores. As concentrações de sulfureto de hidrogénio com um excesso aproximado de 100 ppm por volume podem necessitar que seja instalado equipamento de remoção de sulfureto de hidrogénio.
E-learning
Página 33
Projeto Nireas
2.7.3.3 Estabilização através de digestão aeróbica O equipamento utilizado para a digestão aeróbica inclui um tanque de arejamento (digestor), semelhante ao tanque de arejamento utilizado no processo de ativação da lama. É necessário equipamento de arejamento difuso ou mecânico para se manterem as condições aeróbicas no tanque. Também é necessário equipamento para remoção de sólidos e supernatant. Em funcionamento, são adicionados ao digestor resíduos de processo (lama) e são arejados para que a concentração de oxigénio dissolvido (OD) de 1 mg/L seja mantida. O arejamento também assegura que os conteúdos do tanque sejam bem misturados. Geralmente, o arejamento continua por um período mínimo de 20 dias de tempo de detenção. O arejamento é parado periodicamente para que os sólidos assentem e se depositem. A lama e o supernatant límpido são retirados à medida que é necessário criar-se espaço no digestor. Quando não existe volume adicional disponível, o processo de misturar é parado durante 12 a 24 horas antes de os sólidos serem removidos para despejo. O processo de teste de controlo deve incluir a alcalinidade, o pH, a percentagem de sólidos, a percentagem de sólidos voláteis por lama de afluente, supernatant, lama digerida e conteúdos do digestor. Um problema típicamente associado aos digestores aeróbicos é o controlo do pH. Quando o pH baixa, por exemplo, pode ser indicativo de atividade biológica anormal ou de alcalinalidade baixo do afluente. Este problema pode ser corrigido adicionando-se alcalinidade (por exemplo, com cal ou bicarbonato).
MAIS A digestão aeróbica é uma extensão do processo de arejamento de lama ativada pelo que a lama primária e a secundária são continuamente arejadas por longos períodos. Na digestão aeróbica, os microorganismos extendem-se pela fase de respiração endógena. É nesta fase que os materiais previamente armazenados pela célula são oxigenados, com uma redução na quantidade de matéria orgânica biologicamente degradável. Esta matéria orgânica, das células da lama, é oxidizada em dióxido de carbono, água e amónia. A amónia é ainda convertida em nitratos à medida que o processo de digestão prossegue. Eventualmente, os níveis de taxa de consumo de oxigénio nivelam-se e a matéria de lama é reduzida a matéria inorgânica e a voláteis relativamente estáveis. A principal vantagem da digestão aeróbica é o facto de produzir um produto final biologicamente estável passível de ser tratado numa variedade de processos subsequentes. São possíveis reduções de sólidos voláteis semelhantes às da digestão anaeróbica.
E-learning
Página 34
Projeto Nireas
Vantagens habitualmente associadas à digestão aeróbica: •
É produzido um produto tipo humus biologicamente estável.
•
O produto estável final não tem odor, por isso, é passível de ser depositado na terra, em lagoas, por exemplo.
•
Os custos capitais de um sistema aeróbico são baixos qunado comparados com a digestão anaeróbica e outros métodos.
•
A lama anaerobicamente digerida tem, normalmente, boas caracter´siticas para ser desidratada. Quando aplicada em leitos de secagem de areia, drena facilmente e seca rapidamente de novo em caso de estar sujeita a água da chuva.
•
A redução de sólidos voláteis pode ser igual à atingida vai digestão anaeróbica.
•
Os licores supernatant da digestão aeróbica têm um nível de CBO mais baixo do que os da digestão anaeróbica. A maioria dos testes indicaram que a CBO seria inferior a 100 ppm. Esta vantagem é importante porque a eficiência de muitas estações de tratamento é reduzida devido à necessidade de reciclar elevadas quantidades de CBO dos licores supernatant.
•
Existem menos problemas de funcionamento com a digestão aeróbica do que com a forma anaeróbica
mais
complexa
porque
o
sistema
da
primeira
é
mais
estável.
Consequentemente, pode ser utilizada mão-de-obra menos especializada e mais barata para operacionalizar este tipo de instalação. Comparando com a digestão anaeróbica, são recuperados mais valores fertilizantes básicos da lama.
A maior desvantagem associada à digestão aeróbica são os elevados custos energéticos. Este fator é responsável pelo elevados custos de operacionalização quando comparados com os da digestão anaeróbica. Existem mais duas desvantagens menores: a ausência de produção de gás metano e o facto de a eficiência da redução de sólidos voláteis ser variável mediante as alterações de temperatura.
E-learning
Página 35
Projeto Nireas
Critérios de Design para digestores aeróbicos Parâmetro
Unidades
Valor
a 20 oC
d
40
a 15 oC
d
60
kg/m3*d
1,6 – 4,8
kg O2/kg VSS
2,3
Gaseificadores mecânicos
kW/103 m3
20-40
Mistura de ar difuso
m3/m3 * hr
1,2 – 2,4
Oxigénio dissolvido residual no líquido
mg/L
1-2
Redução de sólidos voláteis suspensos
%
35-50
SRT
Carregamento de sólidos voláteis Requisitos de oxigénio Requisitos de energia para a mistura
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 36
Projeto Nireas
2.7.3.4 Digestão aeróbica termofílica autotérmica (ATAD) ATAD representa uma variação da digestão aeróbica convencional e da de oxigénio de pureza elevada. No processo da ATAD, a alimentação de lama é normalmente pre-engrossada e osreatores insulados para conservar o calor produzido pela oxidação dos sólidos voláteis durante o processo de digestão. Temperaturas de operacionalização termofílica (geralmente variam entre 55 e 70°C) podem ser alcançadas sem aquecimento externo, utilizando o calor libertado pelo processo de oxidação microbial exotérmico. Por cada kg de sólidos voláteis destruído é produzido aproximadamente 5-6 kWh de calor. Uma vez que não existe aquecimento suplementar (para alémdaquele que é advém do arejamento e mistura), o processo é referido como auto termal.
Esquema de um sistema de digestor aeróbico termofílico autotermal (ATAD)
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 37
Projeto Nireas
Vantagens •
os tempos de retenção necessários para atingir uma determinada redução de sólidos suspensos diminuem significativamente (para cerca de 5 a 6 d) para se alcançar 30a 50 % de redução de sólidos voláteis, semelhante à digestão aeróbica convencional
•
simplicidade de funcionamento
•
maior redução de bactérias e vírus quando comparado com a digestão anaeróbica mesofílica
•
quando o reator está bem misturado e é mantido a 55°C ou mais, os vírus patogénicos, as ovas viáveis de bactérias helmintas e outros parasitas podem ser reduzidos abaixo de níveis detetáveis
Desvantagens •
formação de odores desagradáveis
•
os bio sólidos ATAD são de difícil desidratação
•
falta de nitrificação.
O sistema ATAD é capaz de produzi a melhor lama estabilizada, por isso tem vindo a tornar-se cada vez mais popular.
E-learning
Página 38
Projeto Nireas
2.7.3.5 Compostagem O propósito da compostagem da lama é estabilizar a matéria orgânica, reduzir o volume e eliminar os organismos patogénicos. Numa oeração de compostagem, os sólidos desidratados são normalmente misturados com um agente de volume (por exemplo, lascas de madeira) e armazenados até ocorrer a estabilização biológica. A mistura de compostagem é ventilada durante o armazenamento para fornecer oxigénio suficiente para a oxidação e para prevenir odores. Depois de estabilizados, os sólidos são separados do agente de volume. Os sólidos compostados são, então, armazenados para tratamento, aplicados em terras de cultivo, ou em outra utilização benéfica. O desempenho esperado da operação de compostagem por redução percentual de matéria volátil e redução percentual de humidade varia entre 20 a 30% e 40 a 60%, respetivamente. Para além disso, é de notar que as lamas que tenham sido sujeitas a estabilização química não devem ser compostadas, porque a estabilização química produz ambientes que não são propícios à sobrevivência de microorganismos, nem à existência das bactérias de compostagem, a não ser que as lamas sejam neutralizadas e que existam condições favoráveis.
E-learning
Página 39
Projeto Nireas
MAIS
Embora a compostagem possa ser alcançada sob condições anaeróbicas ou aeróbicas, as aplicações da compostagem dos bio sólidos das águas residuais municipais ocorrem, na sua maioria, sob condições aeróbicas (a compostagem nunca é completamente aeróbica). A compostagem acelera a decomposição do material, resultabndo num aumento da temperatura, o que é necessário para destruir os agentes patogénicos. A compostagem aeróbica também minimiza o potencial aparecimento de odores desagradáveis.
Durante a compostagem, os microorganismos transformam a matéria orgânica existente nos sólidos das águas residuais em dióxido de carbono, água, calor e composto. À medida que o material da lama se decompõe, o composto aquece atingindo temperaturas na média de pasteurização entre 50 a 70° C, destruindo os organismos patogénicos entéricos. Para que as condições de crescimento microbial sejam asseguradas, o carbono e o nitrogénio têm de estar presentes na mistura a ser compostada, em quantidades equilibradas. O rácio ideal de carbono e nitrogénio varia entre 25 a 35 partes de carbono por cada uma de nitrogénio, pesado. Um rácio mais baixo pode resultar na emissão de odor a amoníaco. Um rácio mais elevado não permite a existência de condições favoráveis ao crescimento microbial, fazendo com que a degradação ocorra a um ritmo mais lento e que as temperaturas se mantenham abaixo dos níveis necessários para que ocorra a destruição dos agentes patogénicos. Os sólidos das águas residuais são, em primeiro lugar, uma fonte de nitrogénio e têm de ser misturados com material que contenha elevados níveis de carbono, como as tiras de madeira, pó de areia, papel de jornal ou cascas. Para além de fornecer carbono ao processo de compostagem, o agente de volume contribui para aumentar a porosidade da mistura. A porosidade é importante para assegurar que a massa de compostagem recebe oxigénio adequadamente. O oxigénio pode ser introduzido na massa de compostagem através de meios ativos como insufladores e tubagens ou através de meios passivos, como o remexer a massa, permitindo assim a entrada de mais ar. A quantidade adequada de ar, em combinação com os bio sólidos e os agentes de volume, é muito importante. A produção diária antecipada de bio sólidos de uma instalação de tratamento de águas residuais terá um efeito pronunciado nos sistemas de compostagem alternados disponíveis para utilização. Se os bio sólidos tiverem sido estabilizados por digestão aeróbica e anaeróbica antyes de entrarem no processo de compostagem podem contribuir para a redução, em cerca de 40%, do tamanho das instalações de compostagem.
E-learning
Página 40
Projeto Nireas
Durante o processo de compostagem observam-se três fases de atividade, com temperaturas associadas: mesofílica, termofílica e arrefecimento. Na fase mesofílica inicial, a temperatura na pilha do composto aumenta da temperatura ambiente para aproximadamente 40°C, com o aparecimento de fungos e bactérias produtoras de ácido. À medida que a temperatura na massa de compostagem aumenta para a temperatura termofílica entre 40 a 70°C, estes microorganismos são substituídos por bactérias termofílicas, actinomicetos e fungos termofílicos. É no âmbito da temperatura termofílica que ocorrem a degradação e a estabilização máximas do material orgânico. A fase de arrefecimento caracteriza-se pela redução da atividade microbial e paela substituição dos organismos termofílicos por bactérias e fungos mesofílicos. Durante o período de arrefecimento, tem lugar ainda a libertação do vapor da água do material composto, a estabilização do pH e também se completa a formação de ácido húmido.
Fases durante a compostagem relacionadas com a respiração e temperatura do dióxido de carbono
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 41
Projeto Nireas
Sucessão microbial durante a compostagem
(Gabriel Bitton, 2005)
Os dois métodos principais de compostagem existents podem ser calssificados como agitados ou estáticos. No método agitado, o material a ser compostado é mexido, agitado, periodicamente para permitir a entrada de oxigénio, para controlar a temperatura e para misturar o material de modo a se obter um produto uniforme. No método estático, o material a ser compostado não é mexido. É introduzido ar no material de compostagem. Os métodos agitados e estáticos de
E-learning
Página 42
Projeto Nireas
compostagem mais comuns são conhecidos, respetivamente como métodos de leira e de pilha estática.
E-learning
Página 43
Projeto Nireas
Pilha Estática Arejada O sistema de arejamento em pilha estática consiste numa grade de arejamento ou tubagem de exaustão sobre a qual a mistura de lama desidratada e o agente de volume são colocados. Num sistema de de pilha estática típico, são utilizadas lascas de madeira como agente de volume, que são misturadas com a lama desidratada através de um misturador tipo moinho para barro ou de tambor rotativo, ou por um equipamento movimentável como um carregador central. O material é compostado durante 21 a 28 dias e é tipicamente por um período de tratamento de 30 dias ou mais. Uma pilha tem tipicamente uma extensão de cerca 2 a 2,5 m. Uma camada de composto rastreado é normalmente colocado no topo da pilha de insulação. Habitualmente é utilizado um tubo de drenagem ondulado de plástico descartável para entrada de ar e é recomendável que cada pilha tenha um ventilador individual para um controlo mais eficaz do processo de arejamento. A triagem do composto tratado é normalmente levada a cabo para reduzir a quantidade de produto final que necessita de despojamento e para recuperar o agente de volume. Para processo melhorado e controlo de odores, muitas instalações cobrem partes significativas do sistema.
Sistemas de compostagem: pilha estática arejada
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 44
Projeto Nireas
Leira Num sistema de leira, as operações de mistura e triage são semelhantes às da operação de arejamento em pilha estática. As leiras são construídas com dimensões de 1 a 2 m de altura e 2 a 4,5 m na base. As linhas são viradas e remexidas periodicamente durante o período de compostagem. É utilizado arejamento mecânico suplementar em algumas aplicações. O período de compostagem é de cerca de 21 a 28 d. Sob condições típicas de operação, as leiras são viradas no mínimo cinco vezes enquanto a temperature é mantida a 55°C ou mais. Na compostagem em leira, é difícil manterem-se condições aeróbicas ao longo da área da leira. Por isso, a atividade microbial na pilha pode ser aerobic, facultative, anaeróbica, ou diversas combinações, dependendo de quando e com que frequência a pilha é virada. A viragem das leiras é normalmente acompanhada da libertação de odores desagradáveis. A libertação de odores ocorre habitualmente quando se desenvolvem condições anaeróbicas na leira. Existe equipamento especializado para misturar a lama e o agente de volume e para virar as leiras de compostagem. Algumas operações nas leiras são cobertas ou fechdas, à semelhança das pilhas estáticas de arejamento.
Sistemas de compostagem: leiras de compostagem (à esquerda) ; equipamento para transformar e reformar leiras de compostagem (à direita)
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 45
Projeto Nireas
E-learning
Pรกgina 46
Projeto Nireas
Considerações sobre a conceção de processos aeróbicos de compostagem de lama •
A mistura do composto deve conter cerca de 40% de sólidos secos para assegurar a compostagem adequada numa leira e numa pilha estática de compostagem.
•
A preparação inclui transferir o composto acabado da área de compostagem ativa para as áreas de tratamento, triagem e preparação. São utilizadas com frequência telas trommel e cintos trituradores; a trituração pode preceder ou seguir-se ao tratamento. Em alguns casos, é preferível fazer-se uma dupla triagem, especialmente para o mercado agrícola, para garantir os requisitos de qualidade do produto. Normalmente o tamanho das partículas do produto final varia entre os 6 e os 25 mm.
•
O rácio inicial de C/N ratio deverá variar entre 25:1 a 35:1 de peso. Em rácios baixos, é libertado cheiro a amoníaco. O carbon deve ser verificado para assegurar que está pronto a ser biodegradado.
•
Os sólidos voláteis da mistura da compostagem devem ser superiors a 30% do conteúdo total de sólidos.
•
O conteúdo húmido da mistura de compostagem não deve ser superior a 60% numa pilha estática e numa leira de compostagem.
•
O pH da mistura de compostagem deve geralmente estar em média entre 6 e 9. Para se alcançar um nível de compostagem ótimo, o pH deve permanecer entre os 7 e os 7,5.
•
Para se obterem melhores resultados, a temperayura deve ser mantida entre 50 e 55°C nos primeiros dias e entre 55 e 60°C nos restante perído da compostagem ativa. Se se permitir que a temperatura sub acima dos 65°C durante um período significativo, pode haver uma redução da atividade biológica.
•
Se conduzido adequadamente, é possível eliminar todos os agentes patogénicos, ervas daninhas e sementes durante o processo de compostagem de patogenes. Para se atingir este nível de control, a temperature tem de ser mantida entre 60 e 70°C durante um período de 24 h (compostagem termofílica).
E-learning
Página 47
Projeto Nireas
2.7.3.6 Comparação entre métodos de estabilização Grau relativo de atenuação alcançado com vários processos de estabilização de lamas Grau de atenuação Processo Patógenos Putrefaçao Odor potencial Estabilização alcalina Bom Razoável Razoável Digestão anaeróbica Razoável Bom Bom Digestão aeróbica Razoável Bom Bom Digestão aerobic termofílica autotermal Excelente Bom Bom (ATAD) Pobre a Compostagem Razoável Bom Razoável Pobre a Compostagem (termofílica) Excelente Bom Razoável (Eddy, 1999)
E-learning
Página 48
Projeto Nireas
2.7.4 Condicionamento Antes de seguir para os processos de secagem, a lama tem de ser condicionada. O condicionamento das lamas envolve o condicionamento químico e térmico para melhorar eficiência dos processos a jusante.
Por outras palavras, o condicionamento melhora a capacidade de desidratação.
2.7.4.1 Condicionamento químico O condicionamento químico envolve a utilização de químicos inorgânicos ou de polieletrólitos orgânicos, ou ambos. Os químicos inorgânicos mais utilizados são o cloreto de ferro e a cal.
Têm sido utilizados muitos químicos, como o ácido sulfúrico, o alumínio, o cobre com cloro, sulfato de ferro e cloreto de ferro com ou sem cal entre outros.
Os polímeros orgânicos, introduzidos durante a década de 60, são utilizados quer no processo de secagem quer de espessamento de lamas. A sua vantagem sobre os inorgânicos é o facto de não aumentarem muito a quantidade de produção de lama: 1 kg de químicos inorgânicos adicionado produz 1 kg extra de lama. A desvantagem dos polímeros é o seu custo relativamente elevado.
Estes polímeros são habitualmente de três tipos básicos: •
Aniónicos (carga negativa) – servem como auxiliares coagulantes do alumínio e do ferro inorgânicos, aumentando a velocidade de floculação, o tamanho e a resistência das partículas.
•
Catiónicos (carga positiva) – servem como coagulantes primários, sozinhos ou combinados com coagulantes inorgânicos como o sulfato de alumínio.
•
Não iónicos (quantidades iguais de cargas positiva e negativa carregads nos monómeros) – servem como auxiliares coagulantes de modo semelhante ao dos polímeros aniónicos e catiónicos.
E-learning
Página 49
Projeto Nireas Níveis habituais de adição de polímero à prensa de filtro de cinto e à centrifugadora para secagem da lama
Tipo de lama
kg/tn sólidos secos Prensa de Centrifugadora – filtro de taça de sólidos cinto 1-4 1-2,5 2-8 2-5 2-8 4-10 5-8 2-5 3-5
Primária Primária e Resíduos ativados Filtro primário e escorrido Resíduos ativados Primário digerido anaerobicamente Primário digerido anaerobicamente e 1,5-8,5 ar residual ativado Primário digerido aerobicamente e ar 2-8 residual ativado (Eddy, 1999)
E-learning
2-5 -
Página 50
Projeto Nireas
2.7.4.2 Condicionamento térmico O tratamento com calor é um processo utilizado no condicionamento e estabilização de lamas, mas raramente é utilizado em instalações mais recentes. Existem dois processos básicos para o tratamento térmico da lama:
Um, a oxidação com ar húmido, é a oxidação não inflamável da lama a temperaturas de 230 °C a 300 °C e pressões de cerca 80 atm. O outro tipo, tratamento com calor, é semelhante, mas é conduzido a temperaturas de 230 °C a 300 °C e com pressões de 10 a 20 atm. A oxidação com ar húmido (WAO) reduz a lama a cinzas e o tratamento com calor melhora a capacidade de desidratação (secagem) da lama. O tratamento com calor de temperatura e pressão mais baixas é mais utilizado do que o processo de oxidação com ar húmido.
Os gases libertados do processo térmico passam por um catalisador depois do aquecimento de 340 °C a 380 °C, ou são desodorizados por outros meios. Em alguns casos estes gases são devolvidos pelo sistema de difusão do ar nas bacias de arejamento para desodorização.
Vantagens •
O tratamento térmico seca mais prontamente a lama do que o condicionamento químico. A lama tratada com calor atinge uma eficiência de 30 a 40% de sólidos desidratados (em oposição aos 15 a 20% conseguidos com o condicionamento químico), a velocidades relativamente baixas no equipamento de secagem (2 a 3 vezes as do condicionamento químico).
•
O processo também permite uma desinfeção eficiente da lama.
Desvantagens •
Infelizmente, o processo de tratamento com calor rompe as paredes das células dos organismos biológicos, libertando não só a água, mas também material orgânico. Esta matéria previamente convertida em partículas regressa à solução e cria outra matéria fina particulada. A decomposição destas células biológicas resultantes do tratamento térmico convertem estas células previamente particuladas novamente em água e em sólidos finos. Este facto é benéfico para o processo de secagem, mas cria outro problema, o de tratar este líquido altamente poluído por essas células. O tratamento desta água ou licor requere
E-learning
Página 51
Projeto Nireas
um cuidado extremo na conceção da estação porque o conteúdo orgânico do licor pode ser extremamente elevado.
2.7.5 Processo de Mistura O processo de mistura desempenha um papel importante na maior parte dos processos de estabilização e/ou condicionamento. Sem sistemas bem misturados, os processos não podem atingir níveis aceitáveis de eficiência. Misturar pode ser um processo contínuo ou intermitente, mas independentemente do modo como é feito, fornece a todos os organismos as suas necessidades alimentícias adequadas e ajuda a manter uma temperatura uniforme. A mistura intermitente permite a separação e remoção do supernatant de um digestor de fase única. Com a mistura contínua a digestão desenrola-se mais rapidamente ao longo de todo o tanque, diminuindo a capacidade de tanque necessária. Este processo de misturar continuamente requere um segundo digestor ou tanque de armazenamento para o qual a lama já digerida possa ser transferida para se fazer espaço para a entrada de lama fresca no primeiro digestor e, assim, tornar possível a separação e remoçãodo supernatant no digestor secundário.
E-learning
Página 52
Projeto Nireas
2.7.6 Secagem da lama A lama digerida removida do digestor ainda se encontra maioritariamente na forma líquida. A desidratação da lama é utilizada para reduzir o volume através da remoção da água para que seja possível manuseá-la mais facilmente e uma reutilização ou eliminação mais económicas. Existem técnicas mecânicas e manuais para este fim. Os processos de desidratação incluem: •
filtros sob vácuo
•
filtros prensa
•
centrifugadoras
•
hidroclones
•
leitos de secagem
•
canaviais
•
lagoas de lama
E-learning
Página 53
Projeto Nireas
2.7.6.1 Filtragem por vácuo O filtro de vácuo para a secagem da lama é um tambor sob o qual se coloca o filtro. Este consiste num tecido de algodão, lã, nylon, dynel, fibra de vidro ou plástico, uma malha de aço inoxidável, ou uma camada dupla de molas de aço inoxidável. O tambor com eixo horizontal é colocado no tanque ficando cerca de um quarto submergido em lama condicionada. As válvulas e os tubos são arranjados de tal modo modo que, à medida que uma porção do tambor gira lentamenta na lama, é aplicado um vácuo no interior do filtro, sugando a água da lama e mantendo a lama presa ao tambor. A aplicação do vácuo continua à medida que o tambor gira para fora da lama e que contacta com a atmosfera. Este processo afasta a água da lama, deixando um tapete húmido, ou bolo, de lama na superfície exterior. Este tapete é raspado, ventilado ou retirado do tambor imediatamente antes de este entrar novamente no tanque de lama.
Existem três tipos principais de filtros rotativos por vácuo: tambor rotativo, em espiral e em cinto.
Os filtros de tambor e de cinto por vácuo utilizam materiais de fibras naturais ou sintéticas. No filtro de tambor, o tecido é esticado e preso à superfície do tambor. No filtro de cinto, o tecido é esticado sobre o tambor e sobre o sistema de roldanas. A instalação de uma manta requere vários dias. O tecido (com o devido cuidado) tem uma durabilidade de várias centenas a vários milhares de horas. A longevidade da manta depende do tipo de tecido, do condicionamento químico, da frequência de lavagem e da frequência de limpeza (por exemplo, do banho ácido). O filtro deve sempre passar por uma zona de lavagem para que se removam as partículas mais finas e para que a possibilidade de ficar entupido demasiado cedo seja minimizada. O filtro tambor é um labirinto de tubos que sai de um ecrã de metal e de um esqueleto de madeira que se liga à entrada da válvula rotativa em cada extremidade do tambor. O tambor está equipado com um propulsor de velocidade variável para virar o tambor a partir 1/8 a 1 rpm. Normalmente, a recolha de sólidos está indiretamente relacionada com a velocidade do tambor. O tambor está parcialmente submergido num contentor de lama condicionada. A parte submersa é normalmente limitada a 1/5 or menos da superfície do filtro de cada vez.
E-learning
Página 54
Projeto Nireas
Esquema de funcionamento de um filtro por vรกcuo
(California State University, 2006)
Filtro de vรกcuo de tambor rotativo
(California State University, 2006)
E-learning
Pรกgina 55
Projeto Nireas
Representações de filtros de vácuo de tambor rotativo. (a) alimentação pela parte superior, faca/raspador de descarga; (b) alimentados pela parte inferior, decarga do rolo; (c) alimentados pela parte inferior, descarga em cadeia; (d) alimentados pela parte inferior, descarga em cinto; (e) alimentação pelo topo (Serviços de Filtragem); (f) tambor interno
(E. S. Tarleton, R. J. Wakeman, 2007)
E-learning
Página 56
Projeto Nireas
Tambor rotativo de filtro por vácuo em funcionamento
Considerações de funcionamento •
A lama condicionada deve ser filtrada o mais rapidamente possível depois da adição de químicos e de ser misturada adequadamente.
•
A alimentação contínua é preferível à faseada. Na filtragem de lama em bruto, os sólidos frescos de esgoto e de lama filtram mais rapidamente do que lama sética ou velha.
•
Lama completamente digerida filtra normalmente mais prontamente do que a lama parcialmente digerida.
•
A concentração de lama a ser filtrada torna-se crítica, uma vez que a lama com conteúdo sólido mais elevado filtra mais prontamente do que a que tem pouco conteúdo sólido.
•
A presença de óleo-minerais e de residues de estabelecimentos de limpeza a seco dificulta o processo de filtragem da lama. Estes residues devem, por isso, ser mantidos for a do sitema de esgotos e eliminados separadamente.
•
Após cada utilização o filtro sob vácuo deve ser limpo e a lama drenada da unidade. Esta lama e água de lavagem não devem ser voltar para o tanque de armazenamento de lamas; devem ser encaminhadas para o canal de lamas em bruto ou para um digestor.
•
A lama desidratada por meio da filtragem sob vácuo é, normalmente, sujeita ao processo de condicionamento químico antes de seguir para a filtragem. O condicionamento da lama aumenta a percentagem de sólidos capturados no filtro e melhora as características de secagem da lama; no entanto, a lama condicionada tem de ser filtrada o mais rapidamente possível após a adição química para que se obtenham os resultados de drenagem desejados.
E-learning
Página 57
Projeto Nireas
2.7.6.2 Filtragem sob pressão A filtragem sob pressão difere da filtragem por vácuo, na medida em que a passagem da água através do filtro é forçada por um exercício de pressão positiva em vez da sucção por vácuo. Tal como a filtragem por vácuo, é utilizado um meio poroso nas folhas de filtro para separar os sólidos do líquido. Os sólidos são apanhados nos poros e acumulam-se na superfície, reforçando a potencialidade desse meio na separação de líquidos e sólidos. As bombas de lama fornecem a energia para forçar a passage da água através do filtro. Cal, cloreto de alumínio, cloridrato de alumínio e sais de ferro férricos têm sido habitualmente utilizados no condicionamento da lama antes do processo de prensagem. Os filtros de folha representam uma tentativa para desidratar a lama rapidamente num pequeno espaço. No entanto, quando comparado com outros métodos de desidratação, têm diversas desvantagens, incluindo: (1) funcionamento descontínuo e (2) elevados custos de funcionamento e manutenção. Outros tipos de filtros sob pressão incluem as prensas hidráulicas e de espiral que, sendo eficientes na drenagem das lamas, têm a grande desvantagem de normalmente precisarem que a lama esteja bem engrossada. Com estas prensas é possível atingir-se uma percentagem de 75% de matéria sólida em lama. É de realçar que as lamas secundárias não drenam tão facil e prontamente como as lamas primárias porque as lamas secundárias contêm habitualmente sólidos finos, de baixa densidade com superfícies vastas e relativamentye altas quantidades de água.
Secagem com Prensa de Placa de Quadro de Filtro
A lama pode ser desidratada com uma prensa de placa de quadro de filtro. A extração da água é feita exercendo pressão sobre a lama através das placas. A lama flui pelos espaços entre as placas e a água é, assim, extraida da lama (Pressão de 14 a 17 atm). Depois, as placas são separadas e o bolo cai para um funil de carga ou para um cinto transportador.
E-learning
Página 58
Projeto Nireas
Secagem com Prensa de Cinto de Filtragem
A lama pode ser desidratada com uma prensa de cinto de filtragem. A lama ĂŠ prensada entre os cintos, formando um bolo. O bolo ĂŠ encaminhado para um funil ou para um cinto transportador.
Diagrama exemplificativo do funcionamento de uma prensa de cinto de filtragem
Esquema do arranjo do cinto numa prensa de cinto de filtragem
(E. S. Tarleton, R. J. Wakeman, 2007)
E-learning
PĂĄgina 59
Projeto Nireas
Prensa de cinto de filtragem e o bolo de lama produzido
Diagrama de um sistema de drenagem de uma prensa de cinto
(Eddy, 1999)
E-learning
Pรกgina 60
Projeto Nireas
Fotografia de uma prensa de cinto de filtragem
Dados típicos para Diversos Tipos de Lamas Drenadas em Prensas de Cinto de Filtragem Tipo de Lama das Águas Residuais Primário em bruto Resíduos sólidos ativados em bruto (WAS) Primário em bruto + WAS Primário digerido anaerobicamente WAS digerido anaerobicamente Primário digerido anaerobicamente + WAS Primário digerido aerobicamente + WAS WAS ativado com oxigénio Primário condicionado termicamente +WAS
Sólidos totais alimentados, % 3-10
1-5
Sólidos Totais no Bolo, % 28-44
0.5-4
1-10
20-35
3-6
1-10
20-35
3-10
1-5
25-36
3-4
2-10
12-22
3-9
2-8
18-44
1-3
2-8
12-20
1-3
4-10
15-23
4-8
0
25-50
Polímero, g/kg
(John M. Stubbart, 2006 )
E-learning
Página 61
Projeto Nireas
2.7.6.3 Secagem centrífuga As centrifugadoras são máquinas que separam os sólidos dos líquidos através da sedimentação e de força centrífuga. Numa unidade típica, a lama é alimentada através de um tubo de alimentação estacionário ao longo de uma linha central do recipiente através da embalagem da bobine de transporte. A bobine de transporte é montada dentro do recipiente cónico rotativo. A bobine gira a uma velocidade ligeiramente mais baixa do que o recipiente. A lama passa da extremidade do tubo de alimentação, é acelerada, passa através das entradas para dentro do transportador e é distribuída pela periferia do recipiente. Os sólidos assentam no depósito do líquido, são compactados pela força centrífuga contra as paredes do recipiente e transportados pela bobine para a área de secagem do recipiente. A área de secagem é uma secção inclinada do recipient onde decorre o processo seguinte de drenagem, antes de os sólidos serem descarregados. O líquido separado é descarregado continuamente sobre açudes ajustáveis na extremidade oposta do recipiente.
Bacia/Recipiente Centrifugadora de Sólidos Rotativa
(John M. Stubbart, 2006 )
E-learning
Página 62
Projeto Nireas
Centrifugadora em Rolo
(California State University, 2006)
Na drenagem na centrifugadora, é utilizada a força centrífuga para acelerar a separação das fases sólida e líquida do caudal de lama líquida. O processo envolve a clarificação da lama e a sua compactção. A centrifugação separa a lama em bolos de lama desidratada e líquido clarificado, o que é referido como concentrado. O sucesso ou fracasso da centrifugação é normalmento determinado por dois fatores – a secagem do bolo e a recuperação de sólidos. O efeito dos vários parâmetros nestes dois factores estão listados na tabela que se segue.
Para aumentar a secagem do bolo
Para aumentar a recuperação dos sólidos
1. Aumentar a velocidade da bacia
1. Aumentar a velocidade da bacia
2. Diminuir o volume do depósito
2. Aumentar o volume do depósito
3. Diminuir a velocidade do transportador
3. Diminuir a velocidade do transportador
4. Aumentar o ritmo de alimentação
4. Diminuir o ritmo de alimentação
5. Diminuir a consistência da alimentação
5. Aumentar a temperatura
6. Aumentar a temperatura
6. Utilizar floculantes
7. Não utilizar floculantes
7. Aumentar a consistência de alimentação
A centrifugação tem algumas vantagens em relação à filtragem por vácuo e em relação a outros processos utilizados para secar/drenar lamas: (1) é simples, compacta, totalmente fechada e flexível;
E-learning
Página 63
Projeto Nireas
(2) pode ser utilizada sem auxiliaries químicos e os custos são moderados; (3) a industry, em particular, tem vindo a aceitar a centrifugação, em parte, devido ao seu baixo custo capital, simplicidade de funcionamento e eficiência nas lams de difícil drenagem.
As desvantagens associadas à centrifugação são: (1) sem o auxílio de químicos, normalmente a captura de sólidos é pobre e os custos químicos podem ser substanciais; (2) o lixo tem muitas vezes de ser removido do alimentador da centrifugadora através de triagem; (3) o bolo de sólidos é normalmente inferior do que o resultante da filtragem por vácuo; (4) os custos de manutenção são elevados.
A qualidade pobre do concentrado é um grande problema dos prov«cessos de centrifugação. Os sólidos finos no centrado, reciclados para a central da estação de tratamento às vezes resistem ao assentamento e, consequentemente, vão-se acumulando gradualmente no sistema de tratamento. O centrado da drenagem de lamas em bruto pode ainda provocar problemas de odor quando é reciclado. Podem ser utilizados floculantes para aumentar a captura de sólidos, muitas vezes para qualuqer nível que se pretenda, assim como para aumentar materialmente a capacidade (carga de sólidos) da centrifugadora. No entanto, a utilização de químicos anula a maior vantagem associada à centrifugação. As centrifugadoras mais eficazes na drenagem de resíduos de lamas são máquinas em forma de bacia, horizontais, cilíndricas – cónicas, sólidas.
E-learning
Página 64
Projeto Nireas
Alcance do Desempenho Esperado de uma Centrifugadora Alimentação,
Bolo,
% de sólidos
% de sólidos
totais
totais
4-8
25-40
1-4
16-25
2-4
25-35
1.5-3
16-25
2-4
22-32
Primário digerido anaerobicamente
2-4
25-35
WAS digerido aerobicamente
1-4
18-21
Aeróbico com elevada temperatura
4-6
20-25
Anaeróbico com elevada temperatura
3-6
22-28
Estabilizado com cal
4-6
20-28
Tipo de Sólidos das Águas Residuais Primário não digerido Sólidos de residues ativados (WAS) não digeridos Primário + WAS não digerido Primário + WAS digerido aerobicamente Primário + WAS digerido anaerobicamente
(John M. Stubbart, 2006 )
Instalação típica de uma bacia centrifugadora de drenagem
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 65
Projeto Nireas
2.7.6.4 Hidroclones Podemos considerar estas máquinas como centrifugadoras de baixo consumo. Os hidroclones são utilizados na separação das partículas sólidas de líquidos com de média a baixa viscosidade. Tal como os ciclones utilizados na limpeza de aplicações de gás, os hidroclones são simples em termos de design e o grau de separação pode ser alterado quer por variações nas condições de carregamento, quer pela alteração das proporções geométricas. Ao contrário de outros tipos de equipamento de separação de sólidos e líquidos, os hidroclones são mais adequados para classificar do que para clarificar, porque os níveis elevados de tensões de cisalhamento num hidroclone promovem a suspensão das partículas que contrariam a floculação. No entanto, especificando-se adequadamente as dimensões e condições de funcionamento, podem ser utilizados como espessadores de tal forma que o seu caudal contenha maioritariamente partículas sólidas, enquanto o caudal límpido constitui a maior parte do líquido.
Características de um hidroclone
(Nickolas P. Cheremisinoff, 2002)
Um hidroclone consiste numa pequena secção cilindrica superior (1) com uma parte inferior alongada (2). A suspensão é introduzida na secção cilíndrica (1) através do bocal (3) de forma tangencial, onde o fluido adquire um movimento rotativo intenso. As partículas de maior dimensão, sob a ação de uma orça centríuga, movem-se em direção às paredes do aparelho e concentram-se nas camadas exteriores do caudal em rotação. Depois, descem, em espiral, em direção ao bocal (4), através do qual a lama engrossada é evacuada. A maior parte de líquido contendo pequenas partículas (líquido limpid) sobe pelo caudal espiral interno ao longo do eixo do
E-learning
Página 66
Projeto Nireas
hidroclone. O líquido límpido é descarregado pelo bocal (5) e fixa-se na divisória (6) e na abertura (7). O padrão de caudal real é mais complexo do que o descrito devido aos fluxos de circulação radiais e fechados.
E-learning
Página 67
Projeto Nireas
2.7.6.5 Leitos de secagem Este é um dos dois métodos comuns de drenagem, baseados na energia térmica. Os leitos de secagem são normalmente utilizados para desidratar lamas bem digeridas. Normalmente, as tentativas para secar lamas ao ar resultam em problemas de odor. Os leitos de secagem de lamas consistem numa base de cascalho onde é colocada uma rede de tubos de drenagem perfurados. O cascalho é cobertopor uma camada de areia. As divisões à volta e entre os leitos de secagem são geralmente abertas, mas podem ser cobertas com coberturas ventidas tipo estufa, quando é necessário secar lamas no período de clima húmido. A secagem da lama em leitos de areia processa-se ao permitir que a água escoe da massa de lama e passe através da areia, seguindo para os tubos de drenagem, ou que evapore para o ar ambiente, pelo processo de evaporação natural. À medida que a lama seca, abrem-se fissuras na superfície, o que permite a evaporação da água presente nas camadas inferiores da lama,acelerando, assim, o processo de secagem.
Leito de Secagem Típico
Existem muitas variações no design da estrutura dos leitos de secagem, incluindo no traçado da rede de drenagem, a espessura e tipo de materiais nas camadas de gravilha e de areia, e nos materiais de construção utilizados para as divisórias. A principal variação consiste na cobertura ou não dos leitos. Qualquer que seja o tipo de cobertura, tem de ser bem ventilado. No passado, foram construídos alguns leitos com fundos de betão armado para drenagem sem tubos, mas esta construção não se revelou adequada. Atualmente, tem-se utilizado o asfalto em alguns leitos de secagem. O único fluxo lateral é a água drenada. Esta água é normalmente devolvida ao caudal de lama em bruto em curso na estação ou à entrada da estação. Normalmente, a água da drenagem não é pre tratada antes de ser devolvida à estação de tratamento. A experiência é o melhor guia na decisão entre os 20 a 30 cm.
E-learning
Página 68
Projeto Nireas
A lama pode ser removida por pás ou garfos com 60% de conteúdo húmido, mas se é possível secar até ficar com 40% de humidade, só irá pesar metade e continua a ser de fácil manuseamento. Se a lama secar em demasia (10 a 20% de humidade), fica em pó e é difícil removê-la porque se desfaz à medida que é removida. Muitos operadores de estações de tratamento de pequenas dimensões utilizam carrinhos de mão para retirar a lama dos leitos de secagem. Muitas vezes, são colocadas pranchas sobre o leito para criar uma passagem segura para os carrinhos de mão. Os carrinhos de mão podem assim estar próximos do trabalhador para que este coloque a lama que vai retirando com a pá. A maioria das estações utiliza carrinhas de caixa-aberta ou camiões de depósito para transportar a lama que é retirada do leito de secagem. Os camiões de depósito têm a vantagem de descarregar mais rapidamente.
Corte de um Leito de Secagem de Arame Cunha
(John M. Stubbart, 2006 )
Vantagens •
baixo custo
•
manutenção reduzida
•
hgrande quantidade de sólidos no produto seco
Desvantagens •
necessidade de grande espaço
•
efeitos das alterações climáticas nas características da secagem
•
remoção da lama exige trabalho intensivo
•
propício à atração de insetos e emissão de odores
E-learning
Página 69
Projeto Nireas
Leito de secagem convencional em areia: (a) planta e vistas; (b) vista de corte das secçþes. Vista dos leitos de secagem com a lama em diversos estados do processo de secagem
(Eddy, 1999)
E-learning
PĂĄgina 70
Projeto Nireas
Requisitos de área para leitos de secagem a céu aberto para os vários tipos de bio sólidos* Tipo de bio sólidos
Área m2/pessoa
Digeridos primários
Taxa de carregamento da lama kg de sólidos secos/m2*yr
0,1
120-150
Humus primários e digeridos de filtro escorrido
0,12-0,16
90-120
Digeridos primários e resíduos ativados
0,16-0,23
60-100
0,19-0,23
100-160
Digeridos primários e precipitados quimicamente
*Os requisitos de área correspondents para leitos cobertos variam entre cerca de 70 a 75 por cento dos valores requeridos para os leitos a céu aberto (Eddy, 1999)
Leitos de secagem não cultivados em Gana (à esquerda) e leito de secagem não cultivado, com proteção para a chuva, na estação de tratamento de águas residuais em Arcata, EUA (à direita).
E-learning
Página 71
Projeto Nireas
2.7.6.6 Leitos de junco (canaviais) Os leitos de junco são semelhantes às superficies de escoamento de pântanos construídos, que consistem em canais ou trincheiras preenchidas com areia ou pedras para suportar a vegetação que aí cresça. A diferença entre os leitos de junco utilizados para aplicaçºao de bio sólidos e os pântanos com superficies de escoamento é o facto de os bio sólidos líquidos serem aplicados na superfície do leito (quando comparados com a aplicação debaixo da superfície) e o facto de o líquido filtrado ser conduzido para drenos aplicados debaixo da gravilha.
Leito de Junco Típico (canavial)
Ao contrário dos leitos de secagem, os leitos de junco não precisam de ser esvaziados antes da chegada de novas quantidades de lama, porque as raízes das plantas mantêm a permeabilidade do terreno. A lama é adicionada intermitentemente uma vez por semana e é removida apenas cada 5 a 10 anos.
E-learning
Página 72
Projeto Nireas
Corte da secção de um leito de juncos para desidratação e armazenamento de bio sólidos
(Eddy, 1999)
Os leitos de junco são construídos, habitualmente, com cascalho lavado da corrente de rios, nas seguintes camadas (do fundo para a superfície):
(1) uma camada de drenagem com profundidade de 250 mm composta de 20 mm de gravilha lavada, (2) uma camada de drenagem com profundidade de 250 mm composta de 4 a 6 mm de gravilha lavada e (3) uma camada de 100 a 150 mm de areia (0.4 a 0.6 mm).
Às vezes é utilizada uma camada ainda mais grosseira. É dado pelo menos 1 m de área morta acima da camada de areia, para a acumulação de lama ao longo de 10 anos. Os “phragmites australis” (juncos) são plantados em 300 mm de centros da camada de gravilha abaixo da camada de areia. Pode ser utilizado outro tipo de vegetação de areas pantanosas, mas o junco é a mais popular.
E-learning
Página 73
Projeto Nireas
A primeira aplicação de lama é efetuada quando os juncos já estão bem estabelecidos. A ceifa dos juncos é feita habitualmente no inverno, altura em que se corta o topo do junco um pouco acima do nível da lama. A ceifa é necessária quando a vegetação se torna demasiado espessa, ao ponto de limitar a movimentação das lamas. O material ceifado pode ser compostado, queimado ou estendido na terra. As taxas de organização das cargas dos leitos de junco variam entre 30 a 100 kg/m2*yr, dependendo da natureza da lama e das condições climatéricas. A lama líquida é aplicada intermitentemente, como acontece nos leitos de secagem de areia. A profundidade habitual da lama aplicada é de 75 a 100 mm todas as semanas a 10 d.
Os leitos de secagem plantados, também designados como leitos de junco ou pântanos artificiais, podem minimizar a necessidade de remoção frequente da lama seca, uma vez que podem ser utilizados durante vários anos sem ser necessária a remoção das lamas.
E-learning
Página 74
Projeto Nireas
2.7.6.7 Lagoas de lama As lagoas de secagem podem ser utilizadas em substituição dos leitos de secagem para a desidratação de lamas digeridas. As lagoas não são adequadas para a secagem de lamas que não tenham sido tratadas, lams tratadas com cal ou lamas com um nível elevado de supernatant devido ao seu potencial em cheiros desagradáveis. O desempenho das lagoas, tal como o dos leitos de secagem, é afetado pelo clima; a precipitação e as baixas temperaturas não são propícias à ocorrência de desidratação. As lagoas são maioritariamente aplicáveis em áreas com elevados níveis de evaporação. A desidratação via drenagem subterrânea e a filtração/percolação são condicionadas pelas cada vez mais rigorosas regulamentações a nível do ambiente e das águas subterrâneas. Se um aquífero de águas subterrâneas utilizado no fornecimento de água potável estiver nas imediações de um ponto da lagoa, pode ser necessário delinear a lagoa, ou a sua filtração será restringida significativemente. Os bio sólidos são removidos mecanicamente, normalmente quando existe um conteúdo sólido de 25 a 30%. O ciclo das lagoas varia desde vários meses a vários anos. Habitualmente, os sólidos são bombados para a lagoa durante 18 meses e, depois, a lagoa permanece em repouso durante 6 meses. O critério de carga dos sólidos varia entre 36 a 39 kg/m3*yr mediante a capacidade da lagoa.
MAIS Esta técnica depende quer das características de assentamento da lama, quer da evaporação por via solar. O trabalho manual considerável envolvido na operacionalização de um leito de secagem pode ser evitado se forem utilizadas lagoas de lama. Estas lagoas não são mais do que áreas escavadas nas quais as lams digeridas são depositadas, podendo drenar-se e secar ao longo de um período de meses ou mesmo mais do que um ano. Normalmente são cavadas por bulldozers, ou outras máquinas pesadas de remoção de terras, sendo o material retirado utilizado para construir as laterais do local onde a lama será depositada. A profundidade pode variar entre 0,5 a 2 m. As areas variam e, embora seja desejável que exista rede de drenagem, normalmente não é fornecida. A lama digerida é orientada tão frequente,emte quanto necessário, com descargas sucessivas em cima das já colocadas até que a lagoa esteja cheia. Uma segunda lagoa pode, então, ser operacionalizad enquanto a que já está cheia entra em período de secagem. Quando a lama já está seca o suficiente para ser mudada, um bulldozer, ou um trator com uma extremidade de cargas, pode ser utilizado para retirar a lama da lagoa. Embora as lagoas sejam simples de construir e de operacionalizar, podem existir alguns problemas com o seu tamanho. Estes problemas advêm em grande parte da incerteza na estimativa da capacidade de evaporação por
E-learning
Página 75
Projeto Nireas
exposição solar. Em regiões semi-áridas, as lagoas de evaporação são os meios convencionais de eliminação das águas residuais sem contaminar as águas subterrâneas ou de superfície. Lagoas de evaporação referem-se aqui a instalações de retenção revestidas. A utilização bem sucedida da evaporação na eliminação de águas residuais require que a evaporação seja igual ou superior ao total de água introduzida no sistema, incluindo a da precipitação. A rede de evaporação pode ser definida como a diferença entre a evaporação e a precipitação durante qualquer período. As taxas de evaporação são, em grande parte, dependentes das características do corpo de água. A evaporação de lagoas baixas e de pequenas dimensões é normalmente considerada bastante diferente da evaporação de lagos de grandes dimensões, essencialmente devido a diferenças no ritmo de aquecimento e arrefecimento dos corpos de água devido às suas diferenças de tamanho e de profundidade. Adicionalmente, em regiões semi áridas, o ar quente seco em movimento da superfície da terra por cima do corpo de água permite a evaporação rápida e com elevados níveis, em corpos de água de pequenas dimensões. A taxa de evaporação de uma solução irá diminuir à medida que a composição dos sólidos e dos químicos aumenta.
Em suma, as lagoas de lama podem ser caracterizadas como lagoas anaeróbicas.
De seguida estão enumeradas algumas vantagens e desvantagens da utilização de lagoas de lama:
Vantagens •
Maior eficiênca na estabilização rápida de lixos orgânicos fortes, tornando possível a descarga de grandes quantidades de afluente orgânico;
•
Produção de metano, que pode ser utilizado no aquecimento de edifícios, para alimentar motores ou gerar eletricidade, no entanto, a recolha de metano aumenta os problemas a nível do funcionamento;
•
Produção de menos biomassa por unidade de material orgânico a ser processado. Menor produção de biomassa significa poupança de recursos no tratamento e despojamento de lamas;
•
Não é necessária energia adicional porque não necessitamde arejamento, aquecimento ou mistura;
•
Os custos de construção e funcionamento são menores;
•
As lagoas podem ser operadas em séries.
E-learning
Página 76
Projeto Nireas
Desvantagens •
Requerem uma área de terreno relativamente vasta;
•
Passíveis à ocorrência de odores.
E-learning
Página 77
Projeto Nireas
2.7.7 Redução do volume de lama seca De preocupação imediata é o modo como se pode reduzir o volume da denominada lama “seca”, de conteúdos sólidos que variem entre os 30 e os 60 %, ou mesmo mais.
2.7.7.1 Secagem por calor A secagem com calor involve a aplicação do calor para evaporar a água e reduzir, assim, o conteúdo de humidade nos bio sólidos abaixo do atingível por métodos de desidratação convencionais. As vantagens da secagem com calor incluem a redução dos custos de transporte do produto, a redução de agentes patogénicos, a melhoria da capacidade de armazenamento e a comercialização. A classificação dos secadores baseia-se no método predominante utilizado para transferir o calor para os sólidos húmidos. Estes métodos são: convecção, condução, radiação, ou uma combinação de ambos.
Convecção Nos sistemas de convecção (secagem direta), a lama húmida entra em contacto direto com o mecanismo de transferência de calor, normalmente composto de gases quentes. Secadores (convecção) diretos que tenham sido utilizados para secar lamas de águas residuais municipais são: secador flash, secador rotativo e secador de leito fluidizado.
Secador Flash A secagem flash envolve pulverizar a lama numa moinho gaiola ou utilizando uma técnica de suspensão atomizada na presence de gases quentes. O equipamento é concebido de modo a que as particulas permaneçam em contacto com os gases quentes em turbulência o tempo suficiente para que se dê a transferência da massa húmida da lama par aos gases. É possível atingir um conteúdo de humidade de 8 a 10% nesta operação. A lama seca pode ser utilizada ou vendida como condicionador para terra ou pode ser incinerada numa fornalha em qualquer propoção até 100% da produção.
Secador Rotativo Os secadores rotativos têm vindo a ser utilizados para secar lamas primárias em bruto, lama de resíduos ativados e bio sólidos de digestão primária. O secador rotativo consiste numa cápsula
E-learning
Página 78
Projeto Nireas
cilíndrica de aço que roda sobre rolamentos e é normalmente montada com o eixo ligeiramente inclinada a partir da posição horizontal. A lama que é aí introduzida é previamente misturada com bolo de lama seca num mistrurador localizado à frente do secador. Nesta operação, é possível atingir-se um produto com conteúdo húmido de cerca 5 a 10%. Secador de lamas rotativo
(Eddy, 1999) Secador de Leito Fluidizado Este tipo de secador tem a capacidade de produzir um produto em bolinhas, semelhante ao obtido com os sistemas de drenagem rotativos. O sistema do secador tem alguns componentes semelhantes aos dos secadores rotativos: classificação do produto e arrefecimento do produto antes do armazenamento e carga. O calor necessário para a evaporação é fornecido por vaporização através de um permutador de calor interior. É mantida uma temperatura uniforme de 120°C no leito através do contacto direto dos granulados da areia com o ar fluidizado.
E-learning
Página 79
Projeto Nireas
Pespetiva de um reator de um secador de leito fluidizado
(Eddy, 1999) Condução Nos sistemas de secagem de condução (indireto), uma parede de retençãoo de sólidos separa a lama húmida do meio de transferência de calor – normalmente vapor ou outro fluido quente. Os secadores indiretos são concebidos de forma horizontal ou vertical. Os secadores horizontais utilizam pás, voos vazios, ou discos montados num ou mais eixos de rotação para transportar os bio sólidos para o secador. •
Com esta operação, é possível atingir-se um conteúdo de humidade entre 5 e 10%.
Radiação Com os sitemas de secagem de radiação (infra vermelhos), lâmpadas de infra vermelhos, elementos de resistência elétrica ou refratários incandescentes movidos a gás fornecem energia radiante que é transferida para a lama húmida, fazendo a humidade evaporar.
E-learning
Página 80
Projeto Nireas
2.7.7.2 Incineração A incineração da lama envolve a conversão total dos sólidos orgânicos em produtos finais oxidados, em primeiro lugar dióxido de carbono, água e cinza. Aincineração é maioritariamente utilizada por estações de grandes ou médias dimensões com opções de eliminaçãode lams reduzidas. Em todos os tipos de incineradoras, os gases oriundos da combustão têm de ser atingir umatemperatura de 650 oC a 800 oC e serem mantidos a estas temperaturas até terem ardido completamente. Este aspeto é essencial para prevenir o odor desagradável que pode ser emitido pela chaminé de descarga. É também necessário manter a remoção efetiva do pó, cinzas e fuligem da chaminé de descarga. Isto pode ser feito numa câmara de repouso, por um separador centrifugal ou por um precipitador elétrico Cottrell. A seleção depende do grau de eficiência de remoção exigido na área onde está localizada a plantação.
Todos os tipos de lama, primária, em bruto ou digerida podem ser secas e queimadas.
Lama primária em bruto com cerca de 70% de sólidos voláteis contém cerca de 5 kwh por cada 1 kg de sólidos secos. Quando a combustão é iniciada, queima sem qualquer combustível adicional, estando mesmo disponível algum excess de calor. Este processo é denominado queimada autogena e tem lugar sempre que o conteúdo volátil do bolo de lama é suficientemente elevado (>50-60%).
A lama digerida pode ou não necessitar de combustível adicional, dependendo do conteúdo de humidadedo bolo e da percentagem de sólidos voláteis ou grau de digestão. A lama em bruto ativada require normalmente combustível suplementar para a secagem e a incineração. Em todos os casos, é necessário combustível suplementar para iniciar a operação e até à combustão dos sólidos se ter iniciado. A incineração da lama tem vindo a adquirir popularidade, especialmente em estações de grandes dimensões. Tem as vantagens de ser um método económico, livre de odores, independente das condições atmosféricas e de contribuir para uma significativa redução do volume e peso do produto final que tem ainda de ser eliminado. Há uma dimensão mínima para a estação de tratamento de esgotos abaixo da qual a incineração não é económica. Tem de haver quantidade significativa de lama que justifique a necessidade de utilização de equipamento caro. Uma das dificuldades no funcionamento de incineradoras é a variação em termos de tonelagem e de humidade da lama a ser tratada.
E-learning
Página 81
Projeto Nireas
As principais vantagens da incineração são: •
redução máxima de volume e consequente diminuição dos requisitos de eliminação
•
destruição de compostos patogénicos e tóxicos
•
potencial de recuperação de energia
As desvantagens includem: •
custos capitais e de funcionamento elevados;
•
necessidade de pessoal técnico especializado e altamente qualificado para a manutenção e funcionamento;
•
os residuais produzidos (emissões de ar e cinzas) podem ter efeitos negativos no ambiente
•
a eliminação dos residuais podem ser resíduos prejudicais se excederem as concentrações de poluentes máximas prescritas.
Existem dois tipos de tecnologia de incineradora utilizados neste processo: (1) o incinerador de forno múltiplo e (2) o incinerador de leito fluidizado. Um incinerador é normalmente parte de um sistema de tratamento das lamas que incluem espessamento de lama, maceração, desidratação (tal como filtro de vácuo, centrifugadora ou prensa de filtro), um sistema de alimentação de incinerador, equipamentos de controlo de poluição do ar, instalações de manuseamento de cinzas e os respetivos controlos automáticos. O funcionamento do incinerador não pode ser isolado dos componentes destes outros sistemas. De particular importanância é o funcionamento dos processos de espessamento e de desidratação porque o conteúdo de humidade na lama é a principal variável que afeta o consumo de combustível do incinerador. Tal como o bolo de lama, a lama de esgoto contém normalmente contém de 55 a 85% de humidade. Esta lama não pode ser queimada até o conteúdo de humidade ter sido reduzido para 30%. O propósito da incineração é reduzir o bolode lama ao volume mínimo possível, como cinza estéril. Existem três objetivos a que a incineração deve corresponder: 1. secar o bolo de lama 2.destruir o conteúdo volátil 3.produzir um resíduo ou cinza estéril
Existem quarto tipos básicos de incineradores utilizados em estações de tratamento de águas residuais. São eles o incinerador de forno múltiplo, o incinerador de leito fluido, a fornalha elétrica e a fornalha ciclónica.
E-learning
Página 82
Projeto Nireas
Incinerador de forno múltiplo A configuração básica e características do incinerador de forno múltiplo estão ilustradas na Figura que se segue. O bolo de lama entra na fornalha pelo topo. O interior da fornalha é composto por uma série de soleiras refratárias empilhadas umassem cimadas outras. Existem normalmente cinco a nove soleiras na fornalha.
Incinerador de forno múltiplo típico
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 83
Projeto Nireas
Flames in the middle of an out hearth
(California State University, 2006)
E-learning
Pรกgina 84
Projeto Nireas
Incinerador de leito fluido A configuração básica e características do incenerador de leito fluído estão ilustradas na figura que se segue. Esta tecnologia já existe desde o início dos anos 60. Neste sistema, o ar é introduzido na entrada de ar fluidizado a pressões de 0,2 a 0,5 bar. O ar passa através das aberturas da grade que suporta a areia e cria a fluidização do leito de areia. O bolo de lama é introduzido no leito. O ar fluidizado tem de ser controlado cuidadosamente para prevenir que a lama flutue no topo do leito. A fluidização fornece contacto máximo do ar com a superfície da lama para uma incineração mais eficaz. O processo de secagem é praticamente instantâneo. A humidade passa rapidamente a vapor assim que entra no leito quente. Algumas vantagens deste sistema são o facto de o leito de areia atuar como uma bacia de aquecimento de tal forma que após ser fechada, a perda de calor é mínima. Com este confinamento de calor, o sistema permite ser iniciado mesmo após um fim-se-semana desligado, sem ser necessário mais do que uma ou duas horas de aquecimento. O leito de areia deve ter pelo menos 650 oC quando for utilizado. Incinerador de leito fluído típico
(Eddy, 1999)
E-learning
Página 85
Projeto Nireas
Esquema de um incinerador de leito fluidizado – Tecnologia de leito de bolhas
E-learning
PĂĄgina 86
Projeto Nireas
Esquema de um incinerador de leito fluidizado – Tecnologia de leito em circulação
E-learning
Página 87
Projeto Nireas
Fornalha elétrica As características básicas da fornalha elétrica estão ilustradas na Figura que se segue. A fornalha elétrica é basicamente um sistema de transporte de cinto que passa através the uma câmara retangular extensa com revestimento refratário. O calor é fornecido por elementos elétricos, infravermelhos de aquecimento dentro da fornalha. Ar de arrefecimento previne a existência de pontos locais de aquecimento nas imediações dosdispositivos de aquecimento e é utilizado como ar de combustão secundária, dentro da fornalha.O cinto transportador é feito de malha metálica contínua de liga de aço que suporta temperaturas de 700 oC a 850 oC. A lama no cinto é imediatamente nivelada a 2-3 cm. A velocidade do cinto é concebida para permitir a combustão da lama sem agitação.
Incinerador de fornalha elétrica típico
(Nickolas P. Cheremisinoff, 2002)
E-learning
Página 88
Projeto Nireas
Fornalha ciclone As características básicas da fornalha ciclone estão ilustradas na Figura que se segue. A fornalha ciclone é uma unidade de forno único onde o forno se movimenta e os dentes agitadores são fixos. A lama é direcionada para o centro do forno onde é eliminada como cinza. A fornalha é um compartimento cilindrico com revestimento refratário com um topo em cúpula. O ar, aquecido com a introdução imediata de combustíveis suplementares, cria um rodopio violento que permite uma mistura eficiente do ar com a lama introduzida. O ar, que mais tarde se transforma em gás, rodopia verticalmente no fluxo do ciclone através da descarga da combustão no centro do topo em abóbada. Uma vantagem destas fornalhas é o facto de serem relativamente pequenas e de poderem ser postas em funcionamento à temperatura necessária para o seu funcionamento no espaço de uma hora.
Incinerador de fornalha ciclone típico
E-learning
Página 89
Projeto Nireas
Sinopse dos processos a altas temperaturas Os processos a altas temperaturas devem ser considerados quando não existe extensão de terreno disponível, quando os regulamentos para eliminação em terreno são muito rigorosos, quando é necessária a destruição de materiais tóxicos ou existe possibilidade de recuperar a energia quer com apenas os resíduos sólidos das águas residuais ou combinados com as municipais.
Os processos a altas temperaturas têm vantagens potenciais em relação aos outros métodos: •
Redução máxima de volume. Reduz o volume e o peso do bolo de lama húmido em aproximadamente 95 %, reduzindo, assim, os requisitos de descarga e eliminação.
•
Desintoxicação. Destrói ou reduz os tóxicos que podem de outro modo ter impactos ambientais adversos.
•
Recuperação de Energia. Recupera potencialmente a energia através da combustão de lixos, reduzindo, assim, de um modo global o gasto energético.
As desvantagens dos processos a altas temperaturas incluem: •
Custo. Quer os custos de capital, quer os de funcionamento e manutenção, incluindo os custos de combustível, são geralmente mais elevados do que os de outras alternativas de eliminação.
•
Problemas de funcionamento. As operações a altas temperaturas têm requisites exigentes a nível de manutenção e pode haver uma diminuição da fiabilidade do equipamento.
•
Mão-de-obra. São necessários operadores experientes e especializados para dirigir os processos suplentares a altas temperaturas. Os salaries municipais e o estatuto dos operadores podem ter de ser subidos em muitas áreas para atrair o pessoal adequado aao exercício destas funções.
•
Impactos ambientais. As descargas na atmosfera (particuladas ou outras emissões tóxicas ou nocívas), nas superficies de água (águas de lavagens) e na terra (resíduos de superfície) podem requerer tratamento extensive para assegurar a proteção do ambiente.
E-learning
Página 90
Projeto Nireas
2.7.8 Manuseamento das lamas No final do dia, o que resta é lama finalizada. Não existe destruição derradeira para a lama, apenas lama final que permanence. A solução final a nível de engenharia que é necessário conceber é como lidar com este resíduo final. Resume-se simplesmente à decisão de recorrer à referida tecnologia de prevenção da poluição, ou a uma descarga final do resíduo sólido. Tal como para o efluente líquido de uma estação de tratamento, existem dois métodos abrangentes para a eliminação da lama: na água ou na terra. Acima de tudo, a transferência de segura e correta é a utilização principal.
2.7.8.1 Transporte da lama Práticas para prevenir a lama ou bio sólidos de se alojarem em vias públicas •
Os veículos que transportam os bio sólidos devem ser limpos antes de sairem da estaçºao de tratamento de águas residuais.
•
O betão ou asfalto das pás de descarga nas instalações de armazenamento ajudam a manter o equipamento limpo e a limpar gotejamentos ou derrames facilmente
•
A instalação de armazenamento deve ter condições para limpar os camiões e o equipamento sempre que necessário. A lama nos pneus dos veículos pode ser retirada manualmente ou removida com um compressor de alta pressão de água ou ar (desde que não contribua para aumentar os problemas de pó já existentes).
•
Utilizar palas na traseira dos carros de descarga para evitar que a lama ou bio sólidos fiquem presos nos pneus durante as operações de descarga.
•
Instalar um acesso de gravilha temporário para amortecer o necessário na entrada e saída de veículos para evitar que o os pneus transportem restos de lama agarrados aos pneus para as estradas.
•
As vias públicas de acesso às instalações devem ser inpecionadas diariamente durante os períodos de funcionamento e limpas eficientemente (varridas e lavadas).
E-learning
Página 91
Projeto Nireas
2.7.8.2 Descarga na água A descarga na água é uma opção a considerar. É um método económico, mas não é comum porque depende da dispo0nibilidade de corpos de água adequados para este processo. Em algumas cidades costeiras, a lama quer em bruto, quer digerida, é bombeada para barcos e transportada para o mar (o contexto destas discussões é unicamente a descarga de esgotos) para ser despejada no mar alto, longe o suficiente da costa para permitir a diluição dos fatores e prevenir qualquer efeito nefasto na costa.
Globalmentes, esta opção é nociva para o ambiente e, acima de tudo, não difere do despejar de resíduos numa lixeira. Pode, até, ser mais prejudicial do que uma lixeira.
E-learning
Página 92
Projeto Nireas
2.7.8.3 Descarga no solo A descarga em sub solo pode incluir os seguintes métodos: •
Enterrar
•
Encher
Enterrar é um método utilizado principalmente para a lama em bruto, onde, a não ser que seja coberta por terra, se formam odores muito desagradáveis. A lama é conduzida para trincheiras de 0,5 a 1 m de largura e cerca de 0,5 m de profundidade. A lama em bruto nas trincheiras deve ser coberta por, pelo menos, 30 cm de terra. Onde existe disponibilidade de terreno, enterrar a lama embruto é provavelmente o método mais eficaz para se desfazer da lama, uma vez que elimina os custos dos processos de tratamento. No entanto, é raramente utilizado e, mesmo quando é provisório, devido à extensão de terreno que requere. A lama nas trincheiras pode manter-se húmida e com mau cheiro durante anos, por isso, uma área que tenha sido utilizada não pode ser reutilizada para o mesmo efeito ou para qualquer outro efeito por um longo período de tempo.
A opção de utilizar a lama para Enchimento limita-se quase na totalidade a lama digerida que pode ser exposta à atmosfera sem criar ou espalhar odores desagradáveis. A lama deve estar bem digerida sem qualquer quantidade de material bruto ou mistura não digerida. Lamada húmida ou desidratada, como a obtida em leitos de secagem ou de filtros de vácuo, pode ser utilizada para encher áreas baixas. Onde for utilizada lama húmida, essa área torna-se uma lagoa de lama. Quando é utilizada como método de descarga, a área da lagoa é utilizada apenas até ficar cheia e depois é abandonada. Quando utilizada como método de tratamento, a lama, após alguma secagem, é removida para despojamento final e a lagoa é reutilizada. As lagoas utilizadas para descarga são normalmente relativamente profundas. A lama é adicionada em camadas sucessivas até a lagoa estar completamente cheia. Descartar a lama digerida em lagoas é económico porque evita a necessidade de tratamentos de desidratação. É aplicável, no entanto, apenas onde estiverem disponíveis áreas de baixo nível de resíduos no local da estação ou dentro de uma distância de canalização razoável.
Deve ficar claro que estas opções para a lama são apenas soluções temporárias e que ainda estabelecem trocas ambientais. Na verdade, também representam soluções prejudiciais para o ambiente e são tecnologias utilizadas para o final da descarga das canalizações que implicam custos adicionais ao tratamento.
E-learning
Página 93
Projeto Nireas
2.7.8.4 Aplicação no solo como adubo
Condicionador de Solo
A lama bruta primária, a não ser que tenha sido compostada, não é adequada como adubo para o solo devido ao seu efeito no solo e nas plantas em crescimento e ainda devido aos riscos para a saúde envolvidos.
A lama em bruto ativada, depois da secagempor calor, é estabilizada como produto de lama superior. Este tipo de lama retem a maioria dos sólidos orgânicos e contem mais nitrogénio do que outro tipo de lama.
A lama digerida de todos os processos de tratamento de esgotos são materiais de valor moderado mas definitivo como fonte de nitrogénio disponibilizado lentamente e outros componentes fosforosos. São comparáveis ao extrume agrícola, exceto na deficiência de potássio. O seu valor principal é o conteúdo de húmus, que tem como consequências o aumento da capacidade de contenção de humidade do solo e a mudança na estrutura do solo que resulta numa maior friabilidade.
E-learning
Página 94
Projeto Nireas
2.7.9 Cálculos A equação básica para calcular a percentagem de sólidos é
E-learning
Página 95
Projeto Nireas
Problema Determine o volume do lĂquido antes e apĂłs a digestĂŁo e a redução percentual para 500 kg (base seca) da lama primĂĄria com as seguintes caracterĂsticas: PrimĂĄrio
Digerido
SĂłlidos, %
5
10
MatĂŠria volĂĄtil, %
60
60 (destruido)
Gravidade especĂfica de sĂłlidos fixos,Ss
2.5
2.5
Gravidade especĂfica de sĂłlidos volĂĄteis,Sv
≈1.0
≈1.0
Solução Gravidade especĂfica mĂŠdia de todos os sĂłlidos na lama primĂĄria Sx= MatĂŠria volĂĄtil x Sv + MatĂŠria nĂŁo volĂĄtil x Ss Sx = 60% * 1 + 40% * 2,5 = 1,32 Gravidade especĂfica da lama primĂĄria S= SĂłlidos % * Sx + Ă gua % * Sw S= 5% * 1,32 + 95% * 1 = 1,01 Volume da lama primĂĄria V=
500 đ?‘˜đ?‘”
đ?‘Ąđ?‘› 1,01đ?‘š3∗5%
= 9,9 m3
Gravidade especĂfica mĂŠdia de todos os sĂłlidos da lama apĂłs digestĂŁo Sx’= MatĂŠria volĂĄtil x Sv + MatĂŠria nĂŁo volĂĄtil x Ss Sx’ = 60%*40% * 1 + 40% * 2,5 = 1,24 Gravidade especĂfica da lama apĂłs digestĂŁo S’= Solids % * Sx + Water % * Sw S’= 10% * 1,24 + 90% * 1 = 1,024 MatĂŠria volatile digerida 500 kg *60% * 60% = 180 kg Volume de lama apĂłs digestĂŁo V=
320 đ?‘˜đ?‘” đ?‘Ąđ?‘›
1,024đ?‘š3∗10%
= 3,125 m3
Percentagem da redução da lama após digestão 9,9 – 3,125 / 9,9 = 68,4 %
E-learning
PĂĄgina 96
Projeto Nireas
2.7.10
Diagrama geral de caudal Diagrama Geral do processamento da lama do cauldal
(Eddy, 1999)
E-learning
Pรกgina 97
Projeto Nireas
2.7.11
Glossário
Aeróbico – Vivo ou ativo na presence de oxigénio. Refere-se especialmente aos microrganismos e/ou à decomposição da matéria orgânica. Anaeróbico – Vivo ou ativo na ausência de oxigénio (por exemplo, microorganismos anaeróbicos). Aplicação no solo – Espalhar ou estender os bio sólidos numa superfície ou num terreno, injeção direta de bio sólidos na camada inferior à superfície, ou incorporação na camada da superficial do solo. Também se aplica ao estrume e a outros resíduos orgânicos. Bio sólidos – Sólidos orgânicos, produto do tratamento das águas residuais municipais que possam ser utilizadas de forma benéfica. Os sólidos oriundos do tratamento de águas residuais que tenham recebido processos para reduzir significativamente os agentes patogénicos ou seus equivalentes. Os sólidos: conteúdo líquido do produto pode variar; bio sólidos líquidos, 1%-4% de sólidos; bio sólidos líquidos engrossados, 4%-12% de sólidos; bio sólidos desidratados, 12%-45% de sólidos; bio sólidos secos, >50% sólidos (estabilizados alcalinamente, composto, secos termicamente). De um modo geral, os bio sólidos líquidos e os líquidos engrossados podem ser manuseados com uma bomba. Os bio sólidos desidratados/secos são manuseados com carregador/empilhador. Bio sólidos desidratados – Resíduos sólidos (12% de sólidos totais por peso ou mais) que permanece, após a remoção da água de bio sólidos líquidos, através de drenagem, pressão, filtragem, ou centrifugação. A desidratação difere do espessamento na medida em que os bio sólidos desidratados podem ser transportados por processos de manuseamento de sólidos. Bolo - Bio sólidos desidratados com uma concentração de sólidos elevada o suficiente (>12%) que permita ser tratado como material sólido. (NOTA: alguns agentes de desidratação podem provocar quedas, mesmo que os conteúdos sólidos sejam superiores a 12%). Compostagem – Processo acelerado de decomposição de matéria organic por microorganismos, que é acompanhada de subidas de temperatura acima da temperatura ambiente; para os bio sólidos, a compostagem é habitualmente gerida por processo aeróbico. Digestão – Decomposição de matéria orgânica através da ação de microorganismos com consequente redução de volume. A digestão anaeróbica produz dióxido de carbono e metano, enquanto a digestão aeróbica produz dióxido de carbono e água. Estabilidade – Características de um material que contribuem para a sua resistência à decomposição pela ação de microorganismos e à formação de metabólitos odoríferos.
E-learning
Página 98
Projeto Nireas
Características relevantes incluem o grau de decomposição da matéria, conteúdos de nutrientes, humidade e de sal, pH e temperatura. Para os bio sólidos, compost ou estrume de origem animal, a estabilidade é um termo utilizado geralmente para descrever a qualidade do material, tendo em conta a sua origem, processamento e intenção de utilização. Lagoa – Reservatório ou tanque construído para conter água, sedimentos e/ou estrume, que contenham 4 a 12% de sólidos, até poderem ser removidos e aplicados na terra.
E-learning
Página 99
Projeto Nireas
2.7.12
Perguntas & Respostas
Perguntas
1.
Qual é a função primordial do espessamento de lamas?
2.
De que forma a temperature da lama afeta a eficiência dos espessadores gravíticos e que medida deve ser tomada durante o period de operacionalização no verão para se reduzir a produção de gás e a subida da lama?
3.
Porque é que as centrifugadoras não são habitualmente utilizadas para engrossar as lamas primárias?
4.
Faça uma lista dos fatores que afetam o desempenho do espessamento por cinto gravítico.
5.
Quais são os objetivos da estabilização?
6.
Faça uma lista dos fatores que afetam a digestão anaeróbica.
7.
Faça uma lista dos fatores que afetam a digestão aeróbica.
8.
De que forma é que a temperatura afeta o desempenho de um digestor aeróbico?
9.
Refira dois químicos utilizados na estabilização de lamas.
10. Porque é que é desejável que uma unidade de tratamento de calor tenha um funcionamento contínuo? 11. Qual é o objetivo primário da secagem das lamas? 12. Dados de desempenho típico indicam que as lamas secundárias não desidratam tão prontamente como as lamas primárias.Porquê? 13. Porque é que os filtros na filtragem sob vácuo passam por uma zona de lavagem? 14. Porque é que as lamas estabilizadas quimicamente geralmente não são compostadas? 15. O que é uma queimadura autogénea? 16. O espessamento é praticado para aumentar o peso da lama o mais possível. Verdadeiro ou falso? 17. Os melhores resultados do espessamento gravítico podem ser alcançados com a lama primária. Verdadeiro ou falso? 18. O espessamento gravítico tem os custos mais baixos de todos os métodos de espessamento. Verdadeiro ou falso? 19. O propósito da estabilização da lama é atingir-se um nível baixo de compressibilidade da lama. Verdadeiro ou falso?
E-learning
Página 100
Projeto Nireas
20. Quando a estabilização com cal tem lugar, a massa do produto final é aumentada. Verdadeiro ou falso? 21. A digestão aeróbica da lama produz um produto utilizável na forma de gás metano. Verdadeiro ou falso? 22. A temperatura de um digestor anaeróbico pode variar até ± 5 °C por dia. Verdadeiro ou falso? 23. O arejamento na digestão aerobic continua por um período mínimo de 5 dias do tempo de detenção. Verdadeiro ou falso? 24. As temperaturas de operação termofílica não podem ser atingidas sem aquecimento exterior na digestão aeróbica termofílica auto termal. Verdadeiro ou falso? 25. Os dois principais métodos de compostagem em todo o mundo podem ser classificados como agitados ou estáticos. Verdadeiro ou falso? 26. A digestão aeróbica termofílica auto termal e os métodos de compostagem termofílica podem atingir melhores níveis de atenuação na remoção de agentes patogénicos. Verdadeiro ou falso? 27. Nos processos de secagem sob calor é possível atingir um conteúdo de mistura de 5 a 10%. Verdadeiro ou falso? 28. Nos processos de incineração, a destruição total de agentes patogénicos e de compostos tóxicos não pode ser alcançada. Verdadeiro ou falso? 29. Apenas com os processos de elevada temperatura é possível atingir-se o nível máximo de remoção de lama. Verdadeiro ou falso? 30. 1 tn de lama primária com 5% de sólidos, significa que os sólidos totais na base seca da lama consistem em 50 kg. Verdadeiro ou falso?
E-learning
Página 101
Projeto Nireas
Respostas 1.
A função principal do espessamento das lamas é reduzir o volume da lama a ser manuseada nos processos que se seguirem.
2.
À medida que a temperatura da lama aumenta, aumenta também o ritmo da atividade biológica e a lama tende a gasificar e o gás a subir rapidamente. Por isso, durante o período de operações de verão a lama em depósito tem de ser removida mais rapidamente do espessador.
3.
As centrifugadoras não são utilizadas habitualmente para engrossar os sólidos primários porque têm ligações internas que entopem facilmente.
4.
Os principais fatores que afetam o desempenham do espessador de cinto gravítico incluem o tipo de cinto, o condicionamento químico, a velocidade do cinto e as cargas hidráulicas e de sólidos.
5.
• • • • • • 6.
Os objetivos da estabilização da lama são: reduzir, ou eliminar o potencial de putrefação; estabilizar a matéria orgânica, eliminar os odores agressivos eliminar os organismos patogénicos para permitir a reutilização ou despojamento reduzir o volume produzir gás utilizável (metano) melhora a capacidade de desidratação da lama
Os principais fatores que afetam a digestão anaeróbica incluem o tipo de lama, o tempo de digestão, a temperatura de digestão e a eficiência da mistura
7.
Os principais fatores que afetam a digestão aeróbica incluem o tipo de lama, o tempo de digestão, a temperatura de digestão, a quantidade de ar fornecido e a carga de sólidos voláteis
8.
O processo aeróbico é diretamente proporcional à temperatura. Por isso, tendo em conta que as temperaturas de digestão aeróbica desejáveis são aproximadamente entre 18 e 27°C, à medida que a temperatura diminui, a taxa de atividade biológica também diminui.
9.
Cal e cloro.
10. O funcionamento contínuo de uma unidade de tratamento térmico é desejável porque dessa forma a energia não é desperdiçada no arrefecimento e reaquecimento do conteúdo do reator cada vez que se inicia uma operação.
E-learning
Página 102
Projeto Nireas
11. A secagem das lamas é utilizada para reduzir o volume através da remoção do conteúdo liquid para permitir um mmanuseamento mais fácil e a reutilização ou eliminação economicamente mais baixas. 12. As lamas secundárias não desidratam tão prontamente como as primárias porque as lamas secunmdárias contêm sólidos finos de baixa densidade, e com vastas superfícies e grandes quantidades de água. 13. Os meios de filtragem passam por uma zona de lavagem para que as partículas finas remanescentes de outros processos sejam removidas, minimizando-se assim o risco de entupimentos. 14. A estabilização química produz ambientes impróprios para a sobrevivência de microrganismos e que não permitem a existência de bactérias de compostagem, a não ser que as lamas sejam neutralizadas e existam condições favoráveis. 15. Uma queimadura autógena ocorre quando o conteúdo volátil do bolo de lama é suficientemente elevado que permita ao bolo entrar em combustão sem aquecimento externo. 16. Falso 17. Verdadeiro 18. Verdadeiro 19. Falso 20. Verdadeiro 21. Falso 22. Falso 23. Falso 24. Falso 25. Verdadeiro 26. Verdadeiro 27. Verdadeiro 28. Falso 29. Verdadeiro 30. Verdadeiro
E-learning
Página 103
Projeto Nireas
E-learning
Pรกgina 104