Tratamento de lodo de esgoto - Sewage sludge treatment

Tratamento de lodo em digestores anaeróbios em uma estação de tratamento de esgoto em Cottbus , Alemanha

O tratamento de lodo de esgoto descreve os processos usados ​​para gerenciar e descartar o lodo de esgoto produzido durante o tratamento de esgoto . O lodo é principalmente água, com algumas quantidades de material sólido removido do esgoto líquido. A lama primária inclui sólidos sedimentáveis removidos durante o tratamento primário em clarificadores primários . Lodo secundário é o lodo separado em clarificadores secundários que são usados ​​em biorreatores de tratamento secundário ou processos que usam agentes oxidantes inorgânicos . Em processos de tratamento de esgoto intensivos, principalmente aeróbicos (como o processo de lodo ativado ), o lodo é continuamente ou frequentemente removido da linha de líquido, a fim de manter os processos de tratamento em equilíbrio: a produção de lodo deve ser aproximadamente igual à remoção de lodo. O lodo retirado da linha de líquido segue para a linha de tratamento de lodo. Por outro lado, em processos de tratamento extensivo (natural), como lagoas e alagados construídos , o lodo produzido permanece acumulado nas unidades de tratamento, sendo removido somente após vários anos de operação.

O tratamento de lodo é focado na redução do peso e volume do lodo para reduzir os custos de transporte e descarte, e na redução dos riscos potenciais à saúde das opções de descarte. A remoção de água é o principal meio de redução de peso e volume, enquanto a destruição do patógeno é freqüentemente realizada por meio do aquecimento durante a digestão termofílica, compostagem ou incineração . A escolha de um método de tratamento de lodo depende do volume de lodo gerado e da comparação dos custos de tratamento necessários para as opções de disposição disponíveis. A secagem ao ar e a compostagem podem ser atraentes para as comunidades rurais, enquanto a disponibilidade limitada de terras pode tornar a digestão aeróbia e a desidratação mecânica preferíveis para as cidades, e as economias de escala podem encorajar alternativas de recuperação de energia nas áreas metropolitanas.

O tratamento do lodo depende da quantidade de sólidos gerados e de outras condições específicas do local. A compostagem é mais frequentemente aplicada a plantas de pequena escala com digestão aeróbica para operações de médio porte e digestão anaeróbica para operações de grande escala. A lama é por vezes passada através de um denominado pré-espessante que desidrata a lama. Os tipos de pré-espessantes incluem espessantes centrífugos de lodo, espessantes de lodo de tambor rotativo e filtros-prensa de correia. O lodo desidratado pode ser incinerado ou transportado para fora do local para descarte em aterro sanitário ou uso como corretivo de solo agrícola.

A energia pode ser recuperada do lodo por meio da produção de gás metano durante a digestão anaeróbica ou por meio da incineração do lodo seco, mas o rendimento de energia é muitas vezes insuficiente para evaporar o conteúdo de água do lodo ou para alimentar ventiladores, bombas ou centrífugas necessárias para a desidratação. Sólidos primários grosseiros e lodo de esgoto secundário podem incluir produtos químicos tóxicos removidos do esgoto líquido por sorção em partículas sólidas no lodo do clarificador. A redução do volume do lodo pode aumentar a concentração de alguns desses produtos químicos tóxicos no lodo.

Terminologia

Lodo seco e digerido anaerobicamente.

Biossólidos

" Biossólidos " é um termo frequentemente usado em publicações de engenharia de águas residuais e esforços de relações públicas por autoridades locais de água quando eles querem colocar o foco na reutilização de lodo de esgoto , depois que o lodo passou por processos de tratamento adequados. Na verdade, os biossólidos são definidos como sólidos orgânicos de águas residuais que podem ser reutilizados após processos de estabilização, como digestão anaeróbia e compostagem . O termo "biossólidos" foi introduzido pela Water Environment Federation nos Estados Unidos em 1998. No entanto, algumas pessoas argumentam que o termo é um eufemismo para esconder o fato de que o lodo de esgoto também pode conter substâncias que podem ser prejudiciais ao meio ambiente quando tratado o lodo é aplicado à terra, por exemplo , poluentes farmacêuticos persistentes ambientais e compostos de metais pesados .

Processos de tratamento

Os lodos acumulados em um processo de tratamento de águas residuais devem ser tratados e descartados de maneira segura e eficaz. Em muitas fábricas grandes, as lamas brutas são reduzidas em volume por um processo de digestão.

Engrossando

Um espessante de lodo de esgoto.

O espessamento costuma ser a primeira etapa de um processo de tratamento de lodo. O lodo dos clarificadores primários ou secundários pode ser agitado (frequentemente após a adição de agentes clarificadores ) para formar agregados maiores e de sedimentação mais rápida. A lama primária pode ser engrossada para cerca de 8 ou 10 por cento de sólidos, enquanto a lama secundária pode ser engrossada para cerca de 4 por cento de sólidos. Os espessantes geralmente se parecem com um clarificador com a adição de um mecanismo de agitação. O lodo espessado com menos de dez por cento de sólidos pode receber tratamento de lodo adicional enquanto o excesso do espessante líquido é devolvido ao processo de tratamento de esgoto.

Desidratação

Esquema de uma prensa de filtro de correia para desidratar lodo de esgoto. O filtrado é extraído inicialmente por gravidade e, em seguida, espremendo o pano por meio de rolos.
Tratamento de lamas na estação de tratamento de esgoto de Birsfelden , Alemanha.
Desidratação mecânica (centrífuga) em uma grande estação de tratamento de esgoto (Estação de Tratamento de Arrudas, Belo Horizonte , Brasil).

O conteúdo de água do lodo pode ser reduzido por centrifugação, filtração e / ou evaporação para reduzir os custos de transporte de descarte ou para melhorar a adequação para compostagem. A centrifugação pode ser uma etapa preliminar para reduzir o volume de lodo para filtração ou evaporação subsequente . A filtração pode ocorrer por meio de drenos subterrâneos em um leito de secagem de areia ou como um processo mecânico separado em um filtro- prensa de correia . O filtrado e o concentrado são normalmente devolvidos ao processo de tratamento de esgoto. Após a desidratação, o lodo pode ser tratado como um sólido contendo 50 a 75 por cento de água. Lamas desidratadas com maior teor de umidade são geralmente tratadas como líquidos.

Digestão

Muitas lamas são tratadas usando uma variedade de técnicas de digestão, cujo objetivo é reduzir a quantidade de matéria orgânica e o número de microorganismos causadores de doenças presentes nos sólidos. As opções de tratamento mais comuns incluem digestão anaeróbica , digestão aeróbia e compostagem . A digestão de lodo oferece vantagens de custo significativas, reduzindo a quantidade de lodo em quase 50% e fornecendo biogás como uma valiosa fonte de energia.

O objetivo da digestão é reduzir a quantidade de matéria orgânica e o número de microorganismos causadores de doenças presentes nos sólidos. O processo é frequentemente otimizado para gerar gás metano , que pode ser usado como combustível para fornecer energia para abastecer a planta ou para venda.

Digestão anaeróbica

Digestores anaeróbios para tratamento de lodo de esgoto na Estação de Tratamento de Arrudas, Belo Horizonte , Brasil.

A digestão anaeróbia é um processo bacteriano realizado na ausência de oxigênio. O processo pode ser uma digestão termofílica , em que o lodo é fermentado em tanques a uma temperatura de 55 ° C, ou mesofílica , a uma temperatura em torno de 36 ° C. Embora permitindo menor tempo de retenção (e, portanto, tanques menores), a digestão termofílica é mais cara em termos de consumo de energia para aquecimento do lodo.

A digestão anaeróbia mesofílica (MAD) também é um método comum para o tratamento de lodo produzido em estações de tratamento de esgoto. O lodo é alimentado em grandes tanques e mantido por no mínimo 12 dias para permitir que o processo de digestão execute as quatro etapas necessárias para digerir o lodo. Estes são hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese. Nesse processo, as proteínas e os açúcares complexos são decompostos para formar compostos mais simples, como água, dióxido de carbono e metano.

A digestão anaeróbia gera biogás com uma alta proporção de metano que pode ser usado para aquecer o tanque e fazer funcionar motores ou microturbinas para outros processos no local. A geração de metano é uma vantagem chave do processo anaeróbio. Sua principal desvantagem é o longo tempo necessário para o processo (até 30 dias) e o alto custo de capital. Muitos locais maiores utilizam o biogás para combinar calor e energia, usando a água de resfriamento dos geradores para manter a temperatura da unidade de digestão nos 35 ± 3 ° C exigidos. Energia suficiente pode ser gerada dessa forma para produzir mais eletricidade do que as máquinas requerem.

A Instalação de Tratamento de Lodo ("T-PARK") é capaz de fornecer eletricidade para seu próprio funcionamento e até mesmo para a rede elétrica pública de Hong Kong, aproveitando o calor gerado durante o processo de incineração do lodo.

Digestão aeróbica

A digestão aeróbia é um processo bacteriano que ocorre na presença de oxigênio, semelhante a uma continuação do processo de lodo ativado . Em condições aeróbicas, as bactérias consomem rapidamente a matéria orgânica e a convertem em dióxido de carbono . Quando há falta de matéria orgânica, as bactérias morrem e são utilizadas como alimento por outras bactérias. Esta fase do processo é conhecida como respiração endógena . A redução de sólidos ocorre nesta fase. Como a digestão aeróbia ocorre muito mais rápido do que a digestão anaeróbica, os custos de capital da digestão aeróbia são menores. No entanto, os custos operacionais são caracteristicamente muito maiores para a digestão aeróbica por causa da energia usada pelos sopradores, bombas e motores necessários para adicionar oxigênio ao processo. No entanto, os avanços tecnológicos recentes incluem sistemas de filtros aerados não elétricos que usam correntes de ar naturais para a aeração em vez de máquinas operadas eletricamente.

A digestão aeróbia também pode ser alcançada usando sistemas difusores ou aeradores a jato para oxidar o lodo. Os difusores de bolhas finas são normalmente o método de difusão mais econômico; no entanto, o entupimento é normalmente um problema devido ao sedimento se depositando nos orifícios de ar menores. Os difusores de bolhas grosseiras são mais comumente usados ​​em tanques de lodo ativado ou nos estágios de floculação. Um componente chave para selecionar o tipo de difusor é garantir que ele produza a taxa de transferência de oxigênio necessária.

Tecnologias de tratamento Sidestream

As tecnologias de tratamento de lodo que são usadas para espessar ou desidratar lodo têm dois produtos: o lodo engrossado ou desidratado e uma fração líquida que é chamada de líquidos de tratamento de lodo, fluxos de desidratação de lodo, licores, concentrado (se for proveniente de uma centrífuga), filtrado (se for proveniente de uma prensa de filtro de correia) ou similar. Este líquido requer tratamento adicional, pois é rico em nitrogênio e fósforo, especialmente se a lama foi digerida anaerobicamente. O tratamento pode ser feito na própria estação de tratamento de esgoto (reciclando o líquido para o início do processo de tratamento) ou em um processo separado.

Recuperação de fósforo

Um método para tratar fluxos de desidratação de lodo é usar um processo que também é usado para recuperação de fósforo. Outro benefício para operadores de estação de tratamento de esgoto no tratamento de fluxos de desidratação de lodo para recuperação de fósforo é que isso reduz a formação de incrustações de estruvita obstrutiva em tubulações, bombas e válvulas. Essas obstruções podem ser uma dor de cabeça de manutenção, particularmente para plantas de remoção de nutrientes biológicos, onde o teor de fósforo na lama de esgoto é elevado. Por exemplo, a empresa canadense Ostara Nutrient Recovery Technologies está comercializando um processo baseado na precipitação química controlada de fósforo em um reator de leito fluidizado que recupera estruvita na forma de pelotas cristalinas de fluxos de desidratação de lodo. O produto cristalino resultante é vendido para os setores de agricultura, gramados e plantas ornamentais como fertilizante sob o nome comercial registrado "Crystal Green".

Compostagem

A compostagem é um processo aeróbio de mistura de lodo de esgoto com fontes de subprodutos agrícolas de carbono, como serragem, palha ou aparas de madeira . Na presença de oxigênio, as bactérias que digerem o lodo de esgoto e o material vegetal geram calor para matar microorganismos e parasitas causadores de doenças. A manutenção de condições aeróbicas com 10 a 15 por cento de oxigênio requer agentes de volume, permitindo que o ar circule através dos sólidos do lodo fino. Materiais rígidos como espigas de milho, cascas de nozes, resíduos de poda de árvores triturados ou cascas de madeira ou fábricas de papel separam melhor o lodo para ventilação do que folhas mais macias e aparas de grama. Agentes de volume leves e biologicamente inertes, como pneus triturados, podem ser usados ​​para fornecer estrutura onde materiais vegetais pequenos e macios são a principal fonte de carbono.

A distribuição uniforme das temperaturas de eliminação do patógeno pode ser auxiliada pela colocação de uma manta isolante de lodo previamente compostado sobre pilhas de compostagem aeradas. O teor de umidade inicial da mistura de compostagem deve ser cerca de 50 por cento; mas as temperaturas podem ser inadequadas para a redução do patógeno onde o lodo úmido ou a precipitação elevam o teor de umidade do composto acima de 60 por cento. As misturas de compostagem podem ser empilhadas em blocos de concreto com dutos de ar embutidos a serem cobertos por uma camada de agentes de volume não misturados. Os odores podem ser minimizados com o uso de um soprador de ar aspirando a pilha de compostagem através dos dutos subjacentes e exaurindo através de uma pilha de filtragem de lodo previamente compostado para ser substituído quando o teor de umidade atingir 70 por cento. O líquido que se acumula no duto de drenagem pode ser devolvido à estação de tratamento de esgoto; e almofadas de compostagem podem ser cobertas para fornecer melhor controle do teor de umidade.

Após um intervalo de compostagem suficiente para a redução do patógeno, as pilhas compostadas podem ser selecionadas para recuperar os agentes de volume não digeridos para reutilização; e os sólidos compostados que passam pela tela podem ser usados ​​como um material de correção do solo com benefícios semelhantes aos da turfa. A proporção ideal inicial de carbono para nitrogênio de uma mistura de compostagem é entre 26-30: 1; mas a proporção de compostagem de subprodutos agrícolas pode ser determinada pela quantidade necessária para diluir as concentrações de produtos químicos tóxicos no lodo para níveis aceitáveis ​​para o uso pretendido do composto. Embora a toxicidade seja baixa na maioria dos subprodutos agrícolas, aparas de grama suburbanas podem ter níveis residuais de herbicidas prejudiciais para alguns usos agrícolas; e subprodutos de madeira recentemente compostados podem conter fitotoxinas que inibem a germinação de mudas até serem desintoxicadas por fungos do solo.

Esquema do processo de incineração de lodo (observe a ênfase no controle de qualidade do ar).
Lodo de esgoto após secagem em leito de secagem de lodo.

Incineração

A incineração também é usada, embora em um grau muito menor. A incineração de lodo é menos comum devido às preocupações com as emissões atmosféricas e ao combustível suplementar (normalmente gás natural ou óleo combustível) necessário para queimar o lodo de baixo valor calorífico e vaporizar a água residual. Em uma base de sólidos secos, o valor do combustível do lodo varia de cerca de 9.500 unidades térmicas britânicas por libra (980 cal / g) de lodo de esgoto não digerido a 2.500 unidades térmicas britânicas por libra (260 cal / g) de lodo primário digerido. Incineradores escalonados de lareira múltipla com alto tempo de residência e incineradores de leito fluidizado são os sistemas mais comuns usados ​​para queimar lodo de águas residuais. A co-combustão em usinas municipais de geração de energia de resíduos é feita ocasionalmente, sendo essa opção menos dispendiosa assumindo que já existem instalações para resíduos sólidos e não há necessidade de combustível auxiliar. A incineração tende a maximizar as concentrações de metais pesados nas cinzas sólidas restantes que requerem descarte; mas a opção de retornar o efluente do purificador úmido para o processo de tratamento de esgoto pode reduzir as emissões atmosféricas ao aumentar as concentrações de sais dissolvidos no efluente da estação de tratamento de esgoto.

Este leito de secagem de lodo evaporativo simples perto de Damasco, na Síria, ilustra a consistência inicial do lodo primário sendo descarregado do tanque de sedimentação primário através do tubo em primeiro plano.

Camas de secagem

Leitos simples de secagem de lodo são usados ​​em muitos países, particularmente em países em desenvolvimento, pois são um método barato e simples para secar o lodo de esgoto. A água de drenagem deve ser capturada; camas de secagem às vezes são cobertas, mas geralmente deixadas descobertas. Dispositivos mecânicos para revolvimento do lodo nas fases iniciais do processo de secagem também estão disponíveis no mercado.

Os leitos de secagem são normalmente compostos por quatro camadas de cascalho e areia. A primeira camada é de cascalho grosso com 15 a 20 centímetros de espessura. Seguido por cascalho fino com 10 centímetros de espessura. A terceira camada é de areia que pode ter entre 10 e 15 centímetros e serve de filtro entre o lodo e o cascalho. O lodo seca e a água se infiltra para a primeira camada que é coletada no tubo de drenagem que fica abaixo de todas as camadas.

Tecnologias emergentes

O sistema de hidrólise térmica na planta de tratamento de Blue Plains em Washington, DC é o maior do mundo em 2016.
  • A recuperação de fósforo a partir de lodo de esgoto ou de fluxos de desidratação de lodo está recebendo maior atenção, particularmente na Suécia, Alemanha e Canadá, pois o fósforo é um recurso limitado (um conceito também conhecido como " pico de fósforo ") e é necessário como fertilizante para alimentar uma crescente população mundial . Os métodos de recuperação de fósforo de águas residuais ou lamas podem ser categorizados pela origem da matéria usada (águas residuais, licor de lamas, lamas digeridas ou não digeridas, cinzas) ou pelo tipo de processos de recuperação (precipitação, extração química úmida e precipitação, térmica tratamento). Pesquisas sobre métodos de recuperação de fósforo de lodo de esgoto têm sido realizadas na Suécia e na Alemanha desde cerca de 2003, mas as tecnologias atualmente em desenvolvimento ainda não são econômicas, dado o preço atual do fósforo no mercado mundial.
  • O Omni Processor é um processo que estava em desenvolvimento em 2015 e trata de lodo de esgoto. Ele pode gerar um excedente de energia elétrica se os materiais de entrada tiverem o nível certo de secura.
  • A despolimerização térmica produz hidrocarbonetos leves a partir do lodo aquecido a 250 ° C e comprimido a 40 MPa.
  • A hidrólise térmica é um processo de dois estágios que combina a ebulição do lodo em alta pressão, seguida por uma descompressão rápida. Essa ação combinada esteriliza o lodo e o torna mais biodegradável, o que melhora o desempenho da digestão. A esterilização destrói os patógenos no lodo, fazendo com que ele exceda os rigorosos requisitos para aplicação no solo (agricultura). Os sistemas de hidrólise térmica estão operando em estações de tratamento de esgoto na Europa, China e América do Norte e podem gerar eletricidade, bem como lodo de alta qualidade.
  • O uso de uma abordagem verde, como a fitorremediação , foi recentemente proposto como uma ferramenta valiosa para melhorar o lodo de esgoto contaminado por oligoelementos e poluentes orgânicos persistentes .

Descarte ou uso como fertilizante

Quando uma lama líquida é produzida, um tratamento adicional pode ser necessário para torná-la adequada para a disposição final. As lamas são normalmente espessadas e / ou desidratadas para reduzir os volumes transportados para fora do local para descarte. Os processos para reduzir o conteúdo de água incluem a criação de lagunas em leitos de secagem para produzir um bolo que pode ser aplicado na terra ou incinerado; prensagem , onde o lodo é filtrado mecanicamente, muitas vezes através de telas de tecido para produzir uma torta firme; e centrifugação onde a lama é engrossada separando centrifugamente o sólido e o líquido. As lamas podem ser eliminadas por injeção de líquido em aterro ou por disposição em aterro.

Não há processo que elimine completamente a necessidade de descarte do lodo de esgoto tratado.

Grande parte do lodo proveniente de áreas comerciais ou industriais está contaminada com materiais tóxicos que são lançados nos esgotos a partir de processos industriais ou comerciais ou de fontes domésticas. Concentrações elevadas de tais materiais podem tornar o lodo impróprio para uso agrícola e pode então ter que ser incinerado ou descartado em aterro.

Apesar da aparente inadequação de pelo menos parte do lodo de esgoto, a aplicação em terras agrícolas continua sendo uma opção comumente usada

Exemplos

Edmonton, Alberta, Canadá

A Edmonton Composting Facility , em Edmonton, Alberta , Canadá, é o maior local de compostagem de lodo de esgoto da América do Norte.

Nova York, EUA

O lodo de esgoto pode ser superaquecido e convertido em grânulos peletizados com alto teor de nitrogênio e outros materiais orgânicos. Na cidade de Nova York , por exemplo, várias estações de tratamento de esgoto têm instalações de desidratação que usam grandes centrífugas junto com a adição de produtos químicos, como polímero, para remover ainda mais o líquido do lodo. O produto que sobra chama-se "torta" e é adquirido por empresas que o transformam em pellets de fertilizantes. Este produto, também chamado de biossólido, é então vendido para fazendeiros locais e fazendas de grama como um corretivo de solo ou fertilizante, reduzindo a quantidade de espaço necessária para descartar o lodo em aterros sanitários.

Sul da Califórnia, EUA

Nas grandes áreas metropolitanas do sul da Califórnia, as comunidades do interior devolvem o lodo de esgoto ao sistema de esgoto das comunidades em altitudes mais baixas para serem reprocessadas em algumas estações de tratamento muito grandes na costa do Pacífico. Isso reduz o tamanho necessário dos esgotos interceptores e permite a reciclagem local de águas residuais tratadas, ao mesmo tempo que retém a economia de uma única instalação de processamento de lodo e é um exemplo de como o lodo de esgoto pode ajudar a resolver uma crise de energia.

Veja também

Referências

Fontes

  • Fair, Gordon Maskew; Geyer, John Charles; Okun, Daniel Alexander (1968). Engenharia de Água e Esgoto . 2 . Nova York: John Wiley & Sons.
  • Hougen, Olaf A .; Watson, Kenneth M .; Ragatz, Roland A. (1965). Princípios do processo químico . I (segunda edição). Nova York: John Wiley & Sons.
  • Metcalf; Eddy (1972). Engenharia de águas residuais . Nova York: McGraw-Hill Book Company.

links externos