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PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS
CONTRIBUIÇÃO PARA O DIMENSIONAMENTO
DE LEITOS DE SECAGEM DE LODO
POR
AMILTON SALES DE MELO
CAMPINA GRANDE – PB
SETEMBRO DE 2006
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Amilton Sales de Melo
CONTRIBUIÇÃO PARA O DIMENSIONAMENTO
DE LEITOS DE SECAGEM DE LODO
Dissertação apresentada ao Curso de
Mestrado em Engenharia Civil e
Ambiental da Universidade Federal de
Campina Grande, como requisito para
obtenção do título de Mestre em
Engenharia Civil e Ambiental.
Área de Concentração: Recursos Hídricos
Sub-área: Engenharia Sanitária e Ambiental
Orientadores:
Professor: Adrianus C. van Haandel
Professora: Paula Frassinetti F. Cavalcanti
Campina Grande – PB
Setembro de 2006
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ii
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL DA UFCG
M528c Melo, Amilton Sales de
2006 Contribuição para o dimensionamento de leitos de secagem de lodo/ Amilton
Sales de Melo. ─ Campina Grande, 2006.
74f.: il.
Referências.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade Federal de
Campina Grande, Centro de Ciências e Tecnologia.
Orientadores: Adrianus C. van Haandel e Paula Frassinetti F. Cavalcanti.
1─ Lodo- Leitos de Secagem 2─ Desidratação do Lodo 3─ Esgoto -
tratamento 4─ Modelagem Matemática – Secagem de Lodo I─ Título
CDU 628.336.4
iii
AGRADECIMENTOS
A todos que participaram deste trabalho e me apoiaram nos momentos mais difíceis
para a conclusão do mesmo. Especialmente aos orientadores, Professora Paula Frassinetti e
Professor Adrianus van Haandel, e ao colega Eudes Alves, os quais foram indispensáveis
para a realização e conclusão deste trabalho.
iv
DEDICATÓRIA
Dedico aos saudosos:
Joaquim Isidoro de Melo (Vovô Joaquim)
Pedro Clementino de Sales (Pai Pedro)
v
RESUMO
Esta dissertação tratou de um estudo realizado sobre leito natural de secagem de
lodo, com cargas atípicas, maiores que o recomendado pelas normas brasileiras
(15kgSST/m
2
), também se analisou a secagem do lodo pela insuflação ascendente de ar. A
pesquisa relacionada à secagem natural foi executada com dois tipos de leitos, cobertos e
descobertos, sujeitos as condições atmosféricas. A secagem artificial consistiu na
insuflação de ar sobre uma camada de lodo, de forma ascendente, em leitos carregados
com altura de até um metro de lodo úmido, que correspondeu a uma carga de
312kgSST/m
2
, obtendo-se uma evaporação de 250mm em 45 dias. No seu início se relata
uma brevíssima história da evolução do destino final dos dejetos humanos, no seu
encadeamento se apresenta uma revisão bibliográfica que consubstanciou os estudos
físicos e atmosféricos abordados, os dados foram coletados no período de março a junho de
2005, na cidade de Campina Grande, onde se media diariamente a massa d’água evaporada
ou incorporada nas amostras e a radiação era medida por um radiômetro conectado a um
micro-computador que fornecia leitura a cada 5 minutos, usando estes materiais e
aplicando os métodos por modelagem matemática que forneceram os resultados alcançados
e as discussões. Em sua conclusão foi indicada a carga mais conveniente para secagem
natural, em relação às condições climáticas do município de Campina Grande-PB.
Palavras chaves: Secagem de lodo, leitos de secagem, modelagem matemática.
vi
ABSTRACT
This is a dissertation about a study of the behaviour of a natural drying bed for
sludge, whith aptypical loads, larger than those recommended by the Brazilian norms
(15kgSST/m2). Sludge drying with upward insuflation of air was also investigated. The
research about natural drying was carried out with two types of beds, covered and
uncoveredand, subject to atmospheric conditions. Artificial drying consisted in blowing air
in upward direction through sludge beds loaded with up to one meter of humid sludge,
corresponding to a load of 312kgSST/m2. Evaporation of a layer of 250 mm of water was
obtained in 45 days. Initially the dissertation presents a very brief history of the evolution
of the destionation of human wastes. In its development a literature review is presented, in
which the physical and atmospheric studies are reviewed. The data were collected over a
period of march to june 2005, at Campina Grande, where the mass of evaporated from
sludge samples as well as the solar radiation was measured by a radiometer connected to a
micro-computador so that readings were taken every five minutes. These data were used
and methods of mathematical modeling were applied to evaluate the obtained data. In its
conclusion it was indicated which would be the optimal load to be applied on natural
drying beds for the climatic conditions of Campina Grande-PB.
Key words: Sludge drying, drying beds, mathematical modeling.
SUMÁRIO
RESUMO v
ABSTRACT vi
1. INTRODUÇÃO 1
2. OBJETIVOS 3
2.1 Objetivo geral 3
2.2 Objetivos específicos 3
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 4
3.1 Esgoto e seu tratamento 4
3.1.1 Esgoto sanitário 5
3.1.2 Tratamento de esgoto 7
3.1.3 Tratamento anaeróbio em reator UASB 9
3.2 Lodo e seu tratamento 11
3.2.1 Tratamento de lodos 15
3.2.2 Leitos de secagem 17
3.3 Radiação solar 19
3.4 Calor 24
3.4.1 Calor específico e capacidade térmica 24
3.4.2 Calor sensível e calor latente 25
4. MATERIAL E MÉTODOS 26
4.1 Descrição dos experimentos 26
4.1.1 Leitos de secagem natural 27
4.1.2 Leitos de secagem forçada por ar comprimido 32
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 34
5.1 Parâmetros meteorológicos para o ano de 2005 em Campina Grande 53
5.2 Modelagem matemática 56
5.3 Secagem por ar comprimido 63
6. CONCLUSÃO 67
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 69
ANEXOS 71
1. INTRODUÇÃO
Ao longo do tempo, desde que o homem se organizou e se urbanizou, apareceu o
problema do destino final dos dejetos humanos. Os índios da América e os aborígines da
Austrália enterram seus dejetos. Na Roma antiga com a decadência do Império, o sistema
de coleta dos esgotos deixou de funcionar e a população das cidades, em poucos anos, de
500000 habitantes baixou para 20000. Na Cidade do México, ao construírem a rede de
esgoto, encontraram antigos coletores de esgotos construídos no tempo dos Astecas, que
descarregavam nos canais da antiga cidade. Nas cidades da Europa, após a Idade Média, no
combate a peste negra, foram construídos sistemas de coleta de esgotos unitários, o maior
exemplo é o sistema de esgoto de Paris. Antigas galerias, construídas em alvenaria pelos
padres jesuítas, foram encontradas recentemente em São Luiz do Maranhão.
Nos meados do Século XIX foi implantado o primeiro sistema de esgoto separador
absoluto, nos Estados Unidos, onde os esgotos domésticos são aduzidos a um local, o
destino final dos dejetos humanos estaria resolvido, bastaria fazer o tratamento do mesmo e
lançar o efluente tratado numa corrente d’água qualquer, lagos ou no mar. Mas um dos
resultados finais do tratamento de esgoto, o lodo, deve receber tratamento e seu destino
final é problemático, devido possuir características indesejáveis e ofensivas ao meio
ambiente. Antes dos movimentos ecológicos, este lodo era usado na agricultura em países
da Europa, mas os metais pesados usados nos tratamentos ou do próprio esgoto
contaminaram diversas propriedades na Bélgica e França.
Os esgotos domésticos são constituídos por 99,9% de água e 0,1% de partículas
sólidas, as quais são removidas em sistema de tratamento de esgoto. Do total dos sólidos,
70% aproximadamente são matéria orgânica e os 30% restante são matéria inorgânica.
É da parte sólida que se origina o lodo, que é formado por matéria orgânica,
mineral e água, suas características e composição podem variar muito, dependendo da
origem e do processo de tratamento empregado, o qual influi na quantidade produzida
deste lodo, uma vez que sua geração está ligada ao metabolismo das bactérias existentes na
matéria orgânica e da temperatura ambiente.
A secagem natural depende de uma série de fatores, como a umidade inicial do lodo
e fatores climatológicos, tais como radiação solar, temperatura do ar, umidade relativa do
2
ar, e precipitação, os quais foram fornecidos pelo Departamento de Ciências Atmosféricas
da Universidade Federal de Campina Grande – DCA/UFCG, para o ano de 2005 na cidade
de Campina Grande.
Inicialmente, para concatenar este trabalho, após a explicitação dos OBJETIVOS
apresenta-se uma REVISÃO BIBLIOGRÁFICA, onde são abordados conteúdos sobre:
esgoto e seu tratamento, lodo e seu tratamento, dando enfoque ao tratamento anaeróbio
tipo UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket – que se traduz por digestor anaeróbio de
fluxo ascendente de manta de lodo. Faz referência também a estudos de alguns fatores
climatológicos, os quais foram utilizados para determinação de parâmetros importantes e
essenciais, como a energia envolvida no processo de evaporação. Em seguida MATERIAL
E MÉTODOS discrimina o material utilizado na pesquisa e a metodologia aplicada, tanto
na descrição dos experimentos como para aquisição dos dados, que consubstanciaram o
desenvolvimento do trabalho. RESULTADOS E DISCUSSÕES apresentam os resultados
obtidos, os quais são realçados por gráficos, tabelas e equações, desenvolvidas por
modelagem matemática. Na CONCLUSÃO decide-se pela melhor produtividade para
secagem natural de lodo, em função da radiação solar e da umidade inicial do lodo, para
conseguir a umidade final desejada. Encontrando-se ANEXO a radiação solar média diária
ao longo do ano de 2005 em Campina Grande-PB.
Esta dissertação, denominada CONTRIBUIÇÃO PARA O DIMENSIONAMENTO
DE LEITOS DE SECAGEM DE LODO, trata de uma pesquisa sobre secagem de lodo, por
modelagem, onde foram simulados leitos de secagem, com cargas elevadas e distintas, com
levantamento de curvas de evaporação e perfil da perda de umidade do lodo para
carregamentos distintos em leitos cobertos e descobertos, expostos as condições
atmosféricas. Estuda-se a secagem artificial através da passagem de ar sobre diferentes
cargas de lodo. Sendo analisada também a influência de precipitações sobre os leitos de
secagem.
Propõem-se uma modelagem matemática para o processo de secagem natural de
lodo, utilizando nos experimentos lodo já percolado, ou seja, com umidade inicial inferior
a 80%, associando a perda de água do lodo com a radiação solar.
3
2. OBJETIVOS
Este trabalho teve como objetivo o aprofundamento dos conhecimentos sobre o
processo de evaporação de água de lodo, disposto em leitos de secagem, determinando a
parcela da energia solar envolvida no processo natural secagem do lodo, e da capacidade
de remoção de água, ocasionado pela passagem de ar ascendente por uma camada de lodo.
2.1 OBJETIVO GERAL
Estudar o processo de secagem de lodo anaeróbio, proveniente de reator UASB,
através de dois processos: evaporação em leitos de secagem natural e evaporação em leitos
de secagem artificial provocada por uma fonte externa de energia, a passagem forçada de
ar sobre uma camada de lodo. Tendo como finalidade a otimização do dimensionamento de
leitos de secagem.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Acompanhar a perda diária de massa de água do lodo nos leitos, obtendo com isso a
curva de evaporação para esses leitos.
Pesquisar fatores climatológicos que influenciam o processo de secagem, como:
radiação solar, umidade relativa do ar, temperatura do ar e precipitações, em Campina
Grande, no ano de 2005.
Levantar as curvas de perda da umidade do lodo para cinco cargas de sólidos
distintas para leitos cobertos e descobertos, expostos às condições atmosféricas.
Avaliar a influência de precipitações na umidade do lodo, em leitos de secagem,
para diferentes cargas e umidades distintas.
Analisar a influência da passagem ascendente de ar sobre uma camada de lodo, de
modo a determinar a taxa de evaporação em torres de secagem.
Propor uma modelagem matemática que determina o tempo necessário para
evaporação de uma determinada carga de lodo.
4
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Estudar o processo de secagem de lodo de esgotos, por meios naturais, ou seja,
através da exposição do lodo às condições atmosféricas locais, requer inicialmente uma
visão acerca da geração do lodo em estações de tratamento e da distribuição da radiação
solar, fonte primária de energia, que será aproveitada pelo lodo, no processo de
evaporação. O estudo empírico associa o calor emitido pelo Sol e o recebido pela
superfície do lodo exposto, através da perda de massa, ocasionada pela evaporação da
água, contida no lodo.
O lodo proveniente de estações de tratamento de esgotos (ETEs) tem umidade
elevada (95% à 99%); após a percolação, próxima de 80%. Podendo ser inferior a 10%
dependendo das condições atmosféricas da região após um determinado período.
Inicialmente revisar-se-ão os aspectos referentes à produção e caracterização de
esgotos, algumas formas de tratamento e geração de lodo. Em seguida, alguns conceitos
relacionados à radiação solar devido à sua importância no processo de evaporação do lodo.
A evaporação da água contida no lodo ocasiona a perda de umidade, cessando
quando o lodo atinge a menor umidade possível, chamada umidade de equilíbrio, que
dependerá da natureza do lodo e das condições climáticas da localidade. O tempo
necessário até o fim do processo de secagem dependerá da quantidade de água a ser
evaporada, ou seja, de uma determinada energia para evaporação, de modo que quanto
maior a área de exposição maior será essa energia.
3.1 Esgoto e seu tratamento
A falta de rede coletora de esgoto é um dos maiores problemas que o país enfrenta
atualmente, acarretando numa série de doenças de veiculação hídrica tais como, a cólera,
esquistossomose, paralisia infantil dentre outras. Sem rede coletora a população fica
desprotegida de microrganismos patogênicos, que incluem vírus, bactérias, protozoários e
nematóides. A falta de saneamento básico faz com que vidas sejam dizimadas por esses
microrganismos, esta é a realidade brasileira. Doenças com malária e tuberculose
provocam milhares de mortes todo ano, mostrando que a falta de saneamento básico pode
ser considerada uma das maiores violências que vem enfrentando o povo brasileiro.
5
3.1.1 Esgoto sanitário
O esgoto sanitário é constituído por águas que foram utilizadas em banheiros,
cozinhas, lavanderias, possuindo em sua composição fezes, urina, sabões, e restos de
comida dentre outros compostos orgânicos e inorgânicos. Sua composição é
aproximadamente 99,9% de água, e 0,1% de sólidos, que se compõem de proteínas,
carboidratos, óleos e graxas, nutrientes como nitrogênio e fósforo, produtos químicos,
defensivos agrícolas como os agrotóxicos e alguns metais pesados (Campos et alii., 1999).
Do total de sólidos encontrados nos esgotos cerca de 30% são de origem inorgânica, como
metais, areia e sais e 70% de compostos orgânicos (Mara, 1976).
Quanto maior a concentração do esgoto mais pronunciado será o odor e a turbidez.
A concentração pode ser definida como “força”, dependendo da quantidade de matéria
orgânica existente no esgoto, o qual pode ser classificado em três níveis: fraco, médio, ou
forte. Caso a DQO, parâmetro utilizado para indicar a presença de matéria orgânica, seja
inferior a 250mg/l o esgoto é classificado como fraco, caso seja superior a 250mg/l e
inferior a 1000mg/l é considerado médio, e se for superior a 1000mg/l é considerado forte
(Metcalf & Eddy, 1991). A Tabela 3.1 classifica os esgotos segundo a quantidade de
matéria orgânica, segundo os parâmetros DQO e DBO
5
.
Tabela 3.1 Classificação do esgoto doméstico em relação à matéria orgânica (mg/l)
Parâmetro
Classificação
DQO (mg/l) DBO
5
(mg/l)
Fraco 250 110
Médio 500 220
Forte 1000 400
Fonte: Adaptado de Metcalf & Eddy (1991)
As principais características do esgoto são aquelas que conferem à água residuária,
um aspecto indesejável, do ponto de vista físico, químico ou biológico (van Haandel &
Lettinga, 1994). As características do esgoto podem retratar a realidade de comunidades,
que diferem desde hábitos alimentares, produção per capita de esgoto e a concentração de
6
organismos patógenos, que servem como indicadores da qualidade de vida de determinada
comunidade.
Os sólidos do esgoto são classificados de acordo com o tamanho de suas partículas
e suas propriedades, podendo ser sedimentáveis ou dissolvidos. A Figura 3.1 indica a
classificação e as frações dos sólidos que compõem o esgoto.
Figura 3.1 Composição dos sólidos nos esgotos (Jordão e Pessoa, 1982).
A Tabela 3.2 mostra algumas características dos esgotos de diferentes bairros, em
Campina Grande-PB, sendo o primeiro de classe social menos favorecida que o segundo,
percebendo que a concentração de sólidos suspensos totais é maior no Pedregal, assim
como também a matéria orgânica indicando talvez um menor consumo de água, o que
acarretaria em uma maior concentração, tanto de sólidos quanto de matéria orgânica, ou
pela evaporação do esgoto, devido a falta de rede coletora apropriada.
Tabela 3.2 Composição de esgoto sanitário de dois bairros de Campina Grande
Bairro
PARÂMETRO
Pedregal
(1)
Catolé
(2)
SST (mg/l) 420 137
DQO (mg/l) 727 564
DBO
5
(mg/l) 369 91
Fonte: Adaptado de Bezerra (1998)
(1) van Haandel & Lettinga, (1994), (2) Nascimento (1996) e Filho (2000).
Sólidos
Totais
100%
Sólidos Voláteis
70%
Sólidos Fixos
30%
Sólidos Voláteis
50%
Sólidos Fixos
10%
Sólidos Voláteis
20%
Sólidos Fixos
20%
Sólidos Sediment ávei s
em Suspensão
60%
Sólidos Dissolvidos
40%
7
Para se determinar a fração sólida que é sedimentável do esgoto, ou seja, a parte
que pode ser removida por sedimentação nos decantadores primários (Pessoa e Jordão,
1982) é realizado um teste de sedimentabilidade simples, que consta da adição de 1 litro
do esgoto em recipiente apropriado (Cone de Imhoff), o qual tem uma graduação que
indica a concentração de sólidos que sedimentaram após o período de 1 hora, segundo
técnicas padronizadas pelo Standard Methods (1995). Os sólidos distinguem-se de acordo
com o tamanho das partículas podendo ser: (a) dissolvido, (b) coloidal e (c) particulado,
sendo os sólidos em suspensão formados pelas duas últimas categorias (van Haandel &
Lettinga, 1994).
3.1.2 Tratamento de esgoto
A construção de coletores permite o transporte dos despejos perigosos e nocivos da
vizinhança das habitações, mas quando o esgoto não recebe tratamento se torna uma
ameaça para o meio ambiente, poluindo assim os mananciais de água, devendo ser
resolvido o problema de seu tratamento e destino, tanto da fase líquida, como da fase
sólida. O efluente líquido de ETEs deve obedecer limites de lançamentos de alguns
parâmetros, que dependerá principalmente da classe do corpo receptor e a conseqüência do
lançamento, de modo que cada rio comporta uma determinada carga orgânica.
O tratamento do esgoto pode ser realizado através de processos físicos, químicos ou
biológicos. No tratamento preliminar os processos que predominam são os físicos,
gradeamento e sedimentação. O tratamento primário visa principalmente a remoção de
parte da matéria orgânica e dos sólidos sedimentáveis. O tratamento secundário remove
matéria orgânica e eventualmente nutrientes (fósforo e nitrogênio), predominando os
processos biológicos. Enquanto que o tratamento terciário objetiva a remoção de poluentes
específicos (usualmente tóxicos ou compostos não biodegradáveis) e nutrientes que não
foram removidos no tratamento secundário.
No processo de digestão anaeróbia de águas residuárias as bactérias são
responsáveis pela transformação da matéria orgânica em compostos mais reduzidos, como
o gás metano e o gás carbônico, através do catabolismo fermentativo (van Haandel &
Lettinga, 1994).
8
A Figura 3.2 indica a seqüência das reações de fermentação da matéria orgânica
presente em esgotos domésticos e os produtos resultantes em cada etapa da digestão
anaeróbia.
Figura 3.2 Representação esquemática da decomposição de lodo através da digestão
anaeróbia (os números referem-se a porcentagens de DQO).
Fonte: Gujer e Zenhnder (1983)
A hidrólise é o processo pelo qual o material orgânico particulado é convertido em
compostos dissolvidos de menor peso molecular e complexidade, pelo efeito de enzimas
extracelulares produzidas pelas bactérias fermentativas hidrolíticas (van Haandel &
Lettinga, 1994). Podendo ser ainda o processo limitante para a digestão anaeróbia.
Segundo O’Rourk (1968) a temperatura do esgoto é um fator extremamente importante
para que haja um bom desempenho do processo de hidrólise, de modo que temperaturas
inferiores a 20 ºC tornam a taxa de conversão da matéria orgânica baixa, para todo o
processo de digestão anaeróbia. A hidrólise é um processo lento e normalmente limita a
taxa de digestão anaeróbia (van Haandel & Marais, 1999)
Na acidogênese os produtos resultantes da hidrólise são absorvidos pelas bactérias
denominadas acidogênicas que são excretados como compostos mais simples como: os
ácidos graxos voláteis (AGV), álcoois e ácido láctico, e compostos minerais como: gás
carbônico (CO
2
), hidrogênio (H
2
), amônia (NH
3
) e gás sulfidrico (H
2
S). Dentre os ácidos
graxos o acético, o butírico e o propiônico são definidos por voláteis (Sawyer et alii.,
1994).
MATERIAL ORGÂNICO EM SUSPENSÃO
AMINOÁCIDOS, AÇÚCARES
ÁCIDOS GRAXOS
PRODUTOS INTERMEDIÁRIOS
PROPIONATO, BUTIRATO, ETC
ACETATO
HIDROGÊNIO
21 45 34 HIDRÓLISE
20 ACIDOGÊNESE
11 23 ACETOGÊNESE
35 12 8 11
METANO
?
70 30 METANOGÊNESE
100% DQO
9
A acetogênese é o processo pelo qual os produtos da acidogênese são convertidos
em ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono pelo grupo de bactérias denominadas
acetogênicas (van Haandel & Marais, 1999).
Na etapa final da digestão anaeróbia, a metanogênese, bactérias denominadas
metanogênicas convertem os produtos da fermentação ácida em produtos gasosos estáveis
que se desprendem da fase líquida: metano (CH
4
) e dióxido de carbono (CO
2
). As bactérias
que utilizam o acetato são chamadas acetoclássicas, e são responsáveis por cerca de 70%
da produção de metano e as que utilizam hidrogênio são chamadas hidrogenotróficas sendo
responsáveis pelos 30% restantes (van Haandel & Lettinga, 1994). O metano é produzido
através das seguintes reações catabólicas:
(a) metanogênese acetotrófica:
CH
3
COOH → CH
4
+ CO
2
(3.1)
(b) metanogênese hidrogenotrófica:
4H
2
+ CO
2
→ CH
4
+ 2H
2
O (3.2)
Para que haja um bom funcionamento do sistema, é necessário que a taxa de
remoção de ácidos voláteis através da metanogênese acompanhe a produção dos mesmos,
caso contrário pode surgir uma situação de instabilidade, ocorrendo uma diminuição do
pH, provocando assim o chamado “azedamento” impedindo assim a geração do metano,
que é produzido na faixa de pH entre 6,3 e 7,8, condição necessária ao equilíbrio das
populações bacterianas (van Haandel & Lettinga, 1994).
3.1.3 Tratamento Anaeróbio em reator UASB
O reator UASB foi desenvolvido na década de 70 na Holanda, recebendo no Brasil
a denominação de DAFA – Digestor Anaeróbio de Fluxo Ascendente. É um sistema
moderno de tratamento, provido de separador de fases, que possibilita a remoção do biogás
produzido na digestão anaeróbia, diferenciando-se pela trajetória do afluente no reator; este
se faz de forma ascendente, passando inicialmente por uma camada de lodo, chamada zona
de digestão, depois zona de transição e por fim a zona de sedimentação onde é
descarregado o efluente. A Figura 3.3 mostra a representação desse reator, podendo ser
visualizados seus principais dispositivos e as diferentes zonas que o constituem.
10
11
assumindo valores entre 12 e 14 horas (De Man, 1990, Van Der Last, 1991 apud van
Haandel & Lettinga, 1994)
Dentre os critérios de dimensionamento de um reator UASB o principal parâmetro
é o tempo de permanência do líquido, que definirá o volume do reator, dependendo da
carga hidráulica, da seguinte forma:
Vr = Qa . Tp (3.4)
onde, Vr representa o volume do reator (m
3
), para Qa: vazão afluente (m
3
/h) e Tp: tempo
de permanência (horas).
Outro fator importante é a altura do reator, que determinará a área,
conseqüentemente a velocidade ascendente do líquido no reator, que não pode exceder
1m/h. Estes reatores possuem altura entre 4 e 6m (van Haandel & Lettinga, 1994).
Os formatos básicos destes reatores são apresentados na Figura 3.4, podendo os
mesmos ainda possuir formato circular ou quadrado.
Figura 3.4 Formas básicas para reatores UASB
3.2 Lodo e seu tratamento
O lodo resultante de processos de tratamento de esgotos é constituído basicamente
de sólidos: materiais orgânicos (sólidos voláteis) e minerais (sólidos fixos), e água. Suas
propriedades e composições dependerão do esgoto de origem e da forma pelo qual o
mesmo foi tratado. A parte sólida deve ainda ser tratada para destinação final em aterros
sanitários ou na agricultura.
A água presente no lodo pode ser dividida em quatro classes distintas, de acordo
com a facilidade de separação de fases (van Haandel & Lettinga, 1994):
afluente afluente afluente
12
1. Água livre. Pode ser removida por gravidade (adensamento, flotação);
2. Água absorvida. Pode ser removida por forças mecânicas ou pelo uso de floculante;
3. Água capilar. Mantém-se adsorvida à fase sólida por força capilar, distingue-se da
adsorvida pela necessidade de uma força maior para sua separação;
4. Água celular. É parte da fase sólida e só pode ser removida através de mudança no
estado de agregação da água, através de congelamento ou evaporação.
A parte sólida do lodo pode ser classificada segundo o tamanho e a fração orgânica.
Em relação ao tamanho das partículas é representada pelos sólidos em suspensão e sólidos
dissolvidos. Em relação à matéria orgânica, os sólidos dividem-se em fixos ou inorgânicos
(SF) e sólidos voláteis ou orgânicos (SV)(Andrioli et al., 2001). A distribuição dos sólidos
no lodo é representada pela Figura 3.5.
Figura 3.5 Distribuição dos sólidos do lodo segundo o tamanho e a fração orgânica.
Fonte: Andreoli et al.(2001)
A relação entre os sólidos voláteis e os sólidos totais indica a fração orgânica dos
sólidos do lodo, e o nível de digestão no lodo. A fração volátil do lodo digerido (SV/ST)
situa-se entre 0,60 e 0,65, enquanto lodos não digeridos apresentam valores de SV/ST entre
0,75 e 0,80 (Andrioli et al., 2001).
A relação entre o teor de sólidos secos e a umidade em um lodo se dá da seguinte
forma:
Umidade (%) = 100 – Sólidos secos (%) (3.3)
Sólidos
totais
(ST)
Sólidos Voláteis
(SV)
Sólidos Fixos
(SF)
Sólidos Voláteis
(SSV)
Sólidos Fixos
Sólidos Voláteis
Sólidos Fixos
Sólidos em Suspensão
(SS)
Sólidos Dissolvidos
(SD)
13
Uma massa de lodo com umidade de 80% possui teor de sólidos de 20%. Assim,
em cada 100kg de lodo úmido, 80kg são de água e 20kg são de sólidos. Quando disposta
em uma área de 1m
2
, corresponderá a uma carga de 20kgSST/m
2
.
Supondo que a massa de sólidos não varie durante a evaporação, é possível
determinar a umidade do lodo, basta dividir a massa de água nas amostras de lodo pelo
peso total.
U = Ma/(Ms+Ma) = (Mt-Ms)/Mt (3.4)
sendo:
U: umidade do lodo
Mt: massa total de lodo úmido (kg)
Ma: massa de água no lodo (kg)
Ms: massa dos sólidos do lodo (kg)
A umidade influi nas propriedades mecânicas do lodo, influenciando no manuseio e
na disposição final do mesmo. A relação entre a umidade e as propriedades mecânicas que
caracterizam o lodo quanto à sua consistência pode ser vista na Figura 3.6.
V o lu m e r e la t iv o ( - )
100 2 040608090 95
pógr â n u l osól idotortaflu ído
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 10080604020
Umi dade do l odo (%)
Fração de sól ido s (%)
0.1
0.05
0.25
Figura 3.6 Relação entre o volume de lodo e sua umidade ou fração de sólidos.
Fonte: van Haandel & Lettinga (1994).
14
Na medida em que a percentagem de água do lodo diminui, o lodo se torna pastoso,
perdendo a característica de um fluido, tornando-se uma torta semi-sólida, quando a
umidade está entre 65% e 75%, obtendo consistência sólida para umidade abaixo de 65% e
sendo considerado um sólido duro quando a umidade é inferior a 40%. Caso a umidade do
lodo seja inferior a 15%, o mesmo tende a se desintegrar, formando um pó fino. Conforme
Figura 3.6 o lodo pode ter seu volume final reduzido a 10% do seu volume inicial,
mostrando assim a vantagem da secagem.
Os sólidos estabilizados em reatores anaeróbios podem ser utilizados como
fertilizantes na agricultura, podendo ter outro destino final com incineração, compostagem
e aterro sanitário (van Haandel & Lettinga, 1994). Ao lodo proveniente de estações de
tratamento de esgotos sanitários que possuem características benéficas ao uso agrícola é
designado o termo biossólido (Tsutiya, 2001). Segundo a Water Environment Federation –
WEF (1996) o termo biossólido deve ser utilizado para designar os produtos orgânicos
gerados nos tratamentos de esgotos, devidamente estabilizados, que podem ser reutilizados
de forma benéfica, enquanto o termo lodo é dado aos sólidos que não foram
adequadamente estabilizados, gerando riscos a sua utilização.
Dependendo da composição do esgoto e das condições operacionais (tempo de
permanência hidráulico e temperatura) a produção de lodo num reator UASB tipicamente
está na faixa de 0,1 a 0,2kg SST/kgDQO (van Haandel & Lettinga), enquanto em sistemas
de lodo ativado a concentração típica é de 50g por dia por habitante. Na Tabela 3.3
encontram-se valores de produção de lodo segundo o processo de tratamento.
Tabela 3.3 Produção de lodo em ETEs
PROCESSO DE TRATAMENTO PRODUÇÃO DE LODO
(gSST/hab.dia)
Lodo ativado convencional 35 – 40
Reator UASB 15 – 20
Lagoa aerada 15 – 25
Filtro biológico 35 – 40
Lodo ativado sem digestão 65 – 70
Fonte: Adaptado de Além Sobrinho (2001)
15
A produção de lodo em ETEs pode também ser estimada por sua concentração, que
dependerá do processo de tratamento. A Tabela 3.4 apresenta a densidade e a concentração
de sólidos no lodo para variados processos de tratamento.
Tabela 3.4 Produção típica de lodo para vários processos de tratamento
SÓLIDOS SECOS (kg/m
3
)
PROCESSO DE TRATAMENTO
DENSIDADE
DO LODO
FAIXA VALOR TÍ PICO
Decantação primária 1,02 0,106 – 0,165 0,147
Lodo ativado 1,005 0,070 – 0,094 0,082
Filtro biológico 1,025 0,060 – 0,094 0,070
Aeração prolongada 1,015 0,082 – 0,118 0,094
Lagoa aerada 1,01 0,082 – 0,118 0,094
Fonte: Adaptado de Metcalf & Eddy (1991).
3.2.1 Tratamento de lodos
Os processos de tratamento de esgoto concentram, no lodo, a maior carga de
microrganismos contidos inicialmente no afluente. Os microrganismos patógenos que
podem ser encontrados no lodo são representados nos cinco grupos: (a) helmintos, (b)
protozoários, (c) fungos, (d) vírus e (e) bactérias (Andreoli et al., 2001). A Tabela 3.5
mostra alguns dos principais parasitos encontrados no lodo, e os sintomas que podem
causar no homem.
Tabela 3.5 Alguns microrganismos encontrados no lodo e doenças causadas no homem
PARASITO PRINCIPAIS SINTOMAS
Ascaris lumbricoides
Distúrbios digestivos, vômitos e dor abdominal
Ancylostoma duodenale
Anemia, emagrecimento
Taenia solium
Distúrbios digestivos e nervosos, irritação, dor
abdominal,anorexia e emagrecimento
Taenia saginata
Distúrbios digestivos, insônia, anorexia, dor
abdominal e emagrecimento
Entamoeba histolytica
Enterite aguda
Giardia lamblia
Diarréia, perda de peso
Fonte: Adaptado de Thomaz-Socool et alii. (2000)
16
O tratamento do lodo é tão importante como o tratamento do esgoto, tendo em vista
a presença de microrganismos patógenos. A Dose Infectiva Mínima – DMI para ovos de
helmintos e cistos de protozoários, segundo a OMS (1989) é de apenas um ovo ou cisto.
Dentre os vírus encontrados em esgotos domésticos a Tabela 3.6 lista os principais e as
doenças causadas pelos mesmos.
Tabela 3.6 Principais vírus entéricos encontrados no lodo de origem dom éstica
Vírus entérico Doenças
Vírus da hepatite A e E Hepatite infecciosa
Rotavirus Gastroenterite
Enterovirus Meningite, encefalite, doenças respiratórias
Poliovirus Poliomielite
Coxsackievirus Meningite, pneumonia
Astrovirus Meningite, paralisia
Reovirus Gastroenterite, infecções respiratórias
Fonte: ADEME (1998) citado por Andreoli et al. (2001)
A incidência de raios solares contribui para diminuir o tempo de sobrevivência dos
parasitos (Andreoli et al., 2001). Com a diminuição da umidade do lodo, diminui também a
possibilidade de vida de alguns microrganismos de veiculação hídrica, que têm na água seu
meio de locomoção e reprodução.
Alguns métodos de tratamento de lodo são indicados na Figura 3.7, com as
possibilidades de fração de sólidos e disposição final do lodo, segundo van Haandel &
Lettinga (1994).
MÉTODO FRAÇÃO DE SÓ LIDOS DISPOSIÇÃO FINAL
5-10%
30-90%
15-25%
15-25%
20-50%
Figura 3.7 Alguns métodos para o tratamento e disposição de lodo
Leitos de secagem
Centrífuga
Filtro a vácuo
Filtro prensa
Fertilizante sólido
Co-compostagem com
resíduos sólidos
Secagem térmica e
incineração
aterro
Uso na agricultura
Dispersão direta
Secagem
natural
Secagem
artificial
17
3.2.2 Leitos de Secagem
Foram as primeiras unidades a serem usadas para a secagem de lodo, sendo o
sistema mais comum de se preparar o lodo digerido para o destino final, que dependendo
do tratamento e das características climáticas, pode ser utilizado na agricultura como
fertilizante. Consiste de camadas de areia apoiada em brita, sendo o fundo de terreno
natural ou concreto ao qual se dá uma ligeira declividade para os drenos que são tubos
perfurados com diâmetro de 150mm. A distinção e a disposição dos materiais utilizadas na
construção de leitos de secagem de lodo podem ser vistas na Figura 3.8.
Figura 3.8 Seção de um leito de secagem de lodo
A parte superior, denominada camada suporte é constituída por uma camada de
tijolos, apoiada na soleira drenante do leito, que tem em sua parte inferior um sistema de
drenagem (Franci,1999). A disposição dos tijolos constituintes da camada suporte pode ser
realizada de duas maneiras, conforme Figura3.9. A distância entre os tijolos é de 2 a 3 cm.
Figura 3.9 Detalhe da posição dos tijolos que compõem a camada suporte (Franci, 1999)
18
Os leitos de secagem requerem área elevada, sendo indicados para ETEs que tratem
uma população equivalente de 20000 habitantes (Andreoli et al., 2001). A secagem
dependerá da taxa de evaporação que, por sua vez, depende de vários fatores, tais como
clima, natureza do lodo e a carga de lodo aplicada (van Haandel & Lettinga, 1994).
O tempo total do ciclo de secagem de lodo num leito (Tt) se compõe de quatro
períodos seqüenciais diferentes:
1. T
1
: tempo para preparação do leito e descarga do lodo;
2. T
2
: tempo de percolação;
3. T
3
: tempo de evaporação para se atingir a umidade desejada e;
4. T
4
: tempo de remoção dos sólidos secos.
Os períodos para preparação do leito e remoção dos sólidos (T
1
e T
4
) são limitados
pelo número de trabalhadores e disponibilidade de equipamento mecanizado. Já os
períodos T
2
e T
3
são determinadas pelas condições operacionais durante a secagem,
condições metereológicas e carga aplicada (van Haandel & Letting a, 1994).
Dados experimentais comprovaram uma relação quadrática entre o tempo de
percolação e cargas na faixa de 15 a 50 kg SST/m
2
podendo ser expressa como:
T
2
= (C
S
2
/ 420) + 0,5 (15kgSST/m
2
< C
S
< 50kgSST/m
2
) (3.5)
onde Cs é a carga de sólidos aplicada em kgSST/m
2
e T
2
o tempo de percolação em dias.
A produtividade de leitos de secagem é o principal parâmetro utilizado no
dimensionamento de leitos de secagem, de modo que o tempo total de um ciclo Tt é
determinado como sendo a razão entre a massa de lodo seco e a produtividade.
P
LS
= C
S
/ Tt (3.6)
onde Tt é o tempo total em dias para secar uma ma ssa de lodo, C
S
é a carga de lodo seco
(kgSST/m
2
) P
LS
é a produtividade do leito (kgSST/m
2
.dia).
O leito de secagem pode ser descoberto ou coberto, podendo a cobertura ser
constituída por vidro, ou plástico, que servem para proteger o lodo da ação da chuva e,
dependendo da configuração, a cobertura pode auxiliar na higienização do lodo,
ocasionado por elevação da temperatura. Porém, isto só ocorrerá após a evaporação,
devido à liberação da energia de vaporização que ocasiona num resfriamento na massa de
lodo.
19
3.3 Radiação Solar
É a energia proveniente do Sol, que chega até a Terra na forma de ondas
eletromagnéticas. Sua propagação ocorre tanto no vácuo quanto na atmosfera, com
velocidade de propagação de 299.300 km por segundo (Ayoade, 1983). Esta energia esta
relacionada a uma freqüência que se relaciona com o comprimento de onda e com a
velocidade de propagação, da seguinte forma:
V = λ.f (3.6)
onde, V é a velocidade de propagação da onda (m/s), λ o comprimento de onda (m) e f a
frequência em Hertz (Hz).
A energia de um fóton da radiação eletromagnética caracteriza a radiação, e é
expressa como:
E = h . f (3.7)
onde: E : energia de um fóton da radiação (J);
h : constante de Planck (6,6262 x 10
-34
J.s)
A radiação solar é um conjunto de radiações eletromagnéticas, que se apresentam
na maioria como ondas de comprimentos entre 0,3 e 4 micrometros, sendo então chamada
de radiação de onda curta. A Tabela 3.7 a seguir indica o comprimento de onda para a
radiação solar.
Tabela 3.7 Espectro eletromagnético da radiação solar
Radiação
Comprimento de onda (µm)
Radiação ultravioleta 0,001 a 0,39
Luz visível 0,39 a 0,77
Radiação infravermelha 0,77 a 1000
O espectro da radiação solar se assemelha ao de um corpo negro à temperatura
aproximada de 6000
o
K. Entende-se por corpo negro aquele que absorve totalmente a
radiação eletromagnética de todos os comprimentos de onda que incidam sobre ele.
20
Segundo a Lei Stefan-Boltzmann pode se determinar a energia total emitida por um
corpo negro como sendo:
E = σ . T
4
(3.8)
onde: E : energia total emitida (cal/cm
2
.min);
σ : constante de Stefan-Boltzmann (0,827 x 10
-10
cal/cm
2
.min.K
4
) ;
T : temperatura absoluta (K);
A energia total emitida por um corpo não negro é obtida a partir da equação (3.8),
aplicando-lhe um fator ε, que corresponde a emissividade do corpo:
E = ε . σ . T
4
(3.9)
Algumas superfícies se caracterizam pela emissividade da radiação infravermelha.
Na Tabela 3.8 encontra-se a emissividade de algumas superfícies. A emissividade do corpo
negro é 1,0.
Tabela 3.8 Emissividade de algumas superfícies
SUPERFÍCIE EMISSIVIDADE (%)
Água 92 – 96
Neve Fresca 82 – 99.5
Areia seca 89 – 90
Areia úmida 95
Outra grandeza importante no estudo da radiação atmosférica é a densidade de
fluxo de radiação que representa a quantidade de energia radiante que passa através de um
certo plano na unidade de tempo e de área, sendo medida em W.m
-2
. A constante solar é a
irradiância sobre uma superfície normal aos raios solares, à distância média Terra-Sol, na
ausência da atmosfera. Seu valor estimado corresponde a aproximadamente 1.367 W/m
2
.
A radiação solar incidente no topo da atmosfera terrestre varia basicamente com a
latitude, o dia do ano e a hora do dia (Vianello, 1991). A Tabela 3.9 apresenta os valores
da radiação solar diária numa superfície horizontal no topo da atmosfera. Parte da radiação
é absorvida por partículas constituintes da atmosfera, como o dióxido de carbono e vapor
de água.
21
Tabela 3.9 Radiação solar diária em uma superfície horizontal no topo da atmosfera
(MJ/m
2
.dia), em função da latitude (φ).
φ Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
10ºN 32,7 35,3 38,7 31,8 38,2 37,7 37,8 38,2 37,7 35,9 33,3 31,8
8ºN 33,6 36,0 38,0 38,5 37,8 37,1 37,2 37,9 37,8 36,4 34,1 36,5
6ºN 34,5 36,6 38,2 38,3 37,3 36,4 36,6 37,5 37,9 36,9 34,9 33,7
4ºN 35,4 37,2 38,4 38,1 36,7 35,7 36,0 37,2 37,9 38,2 35,7 34,7
2ºN 36,2 37,7 38,5 37,8 36,1 34,9 35,3 36,7 37,9 37,7 36,4 35,5
0º 37,0 38,2 38,6 37,5 35,4 34,2 34,6 36,3 37,8 38,0 37,2 36,4
2ºS 37,7 38,7 38,7 37,1 34,8 33,4 33,8 35,8 37,7 38,3 37,8 37,2
4ºS 38,5 39,1 38,7 36,7 34,1 32,5 33,1 35,2 37,5 38,6 38,5 38,0
6ºS 39,1 39,5 38,6 36,2 33,3 31,6 32,2 34,7 37,3 38,8 39,0 38,8
8ºS 39,8 39,8 38,5 35,7 32,5 30,7 31,4 34,0 37,0 39,0 39,5 39,5
10ºS 40,3 40,1 38,4 35,2 31,7 29,8 30,5 33,4 36,7 39,1 40,0 40,2
12ºS 40,9 40,3 38,2 34,6 30,8 28,8 29,6 32,6 36,3 39,1 40,5 40,8
14ºS 41,4 40,5 38,0 33,9 29,9 27,8 28,6 31,9 35,9 39,2 40,8 41,4
16ºS 41,8 40,6 37,7 33,3 29,1 26,8 27,7 31,1 35,5 39,1 41,2 41,9
18ºS 42,3 40,7 37,4 32,6 28,1 25,7 26,6 30,3 35,0 39,0 41,5 42,4
20ºS 42,6 40,8 37,0 31,9 27,1 24,7 25,6 29,5 34,5 39,0 41,8 42,9
22ºS 43,0 40,8 36,6 31,1 26,1 23,6 24,6 28,6 33,9 38,8 42,0 43,3
24ºS 43,2 40,7 36,1 30,3 25,1 22,5 23,5 27,7 33,3 38,6 42,1 43,7
26ºS 43,5 40,6 35,7 29,4 24,0 21,4 22,4 26,8 32,6 38,3 42,3 44,1
28ºS 43,6 40,5 35,1 28,5 22,9 20,2 21,3 25,7 32,0 38,0 42,4 44,3
30ºS 43,8 40,3 34,5 27,6 21,9 19,1 20,1 24,8 31,2 37,7 42,4 44,6
32ºS 43,9 40,0 33,9 26,6 20,7 17,9 19,1 23,8 30,5 37,2 42,4 44,8
34ºS 44,0 39,8 33,2 25,7 19,6 16,7 17,9 22,7 29,6 36,8 42,4 45,0
36ºS 44,1 39,5 32,5 24,7 18,4 15,5 16,7 21,7 28,8 36,4 42,3 45,1
38ºS 44,0 39,1 31,7 23,7 17,3 14,4 15,5 20,6 28,0 35,9 42,2 45,2
40ºS 43,9 38,7 30,9 22,6 16,1 13,2 14,4 19,5 31,4 35,3 42,0 45,3
Fonte: Adaptado de Tubelis (1980)
22
A Figura 3.10 mostra a variação da radiação ao longo do ano para latitudes
diferentes, podendo ser verificado que os extremos da radiação ocorrem na latitude 40º S.
10
20
30
40
50
J AS ONDJ F MAMJ
Radiação Solar (MJ/m².dia)
Figura 3.10 Totais diários da radiação solar em uma superfície horizontal no
topo da atmosfera
O curso da radiação sofre variações maiores, quanto maior for a latitude. Para as
latitudes maiores que 10º seus valores são máximos no solstício de verão e mínimos no
solstício de inverno, enquanto que para a latitude do Equador ocorrem dois momentos de
máxima que se localizam nos equinócios (Tubelis, 1980).
A energia solar que atravessa a atmosfera e chega à superfície terrestre é chamada
23
Para a cidade de Campina Grande, segundo o Atlas Climatológico do Estado da
Paraíba (1987), a radiação global assume o perfil representado na Figura 3.11.
10
15
20
25
J AS ONDJ F MAMJ
Radiação Solar (MJ/m².dia)
Figura 3.11 Perfil da radiação solar global no município de Campina Grande – PB
É importante também conhecermos o conceito de albedo, que tem sido definido
como coeficiente de reflexão da superfície para a radiação solar. Se uma fração da radiação
global incidente numa superfície for refletida (αRg) diz-se que α é o albedo desta
superfície. Encontram-se na Tabela 3.11 os albedos de algumas superfícies, na forma de
percentagem.
Tabela 3.11 Albedo para alguns tipos de superfícies
Item Albedo (%)
algodão 20 – 22
milho 16 – 23
feijão 24
tomate 23
água 5
asfalto 9
alumínio 85
cobre 74
aço 80
Fonte: Adaptado de Vianello (1991)
24
3.4 Calor
O calor é uma forma de energia que pode ser transferida de um sistema a outro,
independente do transporte de massa e da realização de trabalho. No séc. XVII, Galileu,
Newton e outros filósofos da natureza apoiaram, a teoria dos atomistas gregos da
Antiguidade, que consideravam o calor uma manifestação do movimento molecular que
escoava de um corpo mais quente para um c orpo mais frio. Esta aceitação levou ao
desenvolvimento de uma teoria do calor, como a de uma substância material que escoava.
Lavoisier chamou esta substância de calórico. Benjamin Thomson, através de experiências
precisas notou que não havia absolutamente nenhuma alteração de massa nos corpos dos
quais o calor escoava (Quadros, 1996). Percebendo não haver limite para a extração de
calórico dos corpos, ou seja, um corpo podia ser aquecido várias vezes, havendo sempre
mais calórico para oferecer. Concluiu Thomson que o calórico não era uma substância
material, pois em corpos isolados, não existe substância material que possa ser extraída
sem limite.
Em 1840 surge a teoria mecânica do calor. Nesta teoria, o calor é energia que se
transfere de um corpo para outro em virtude da diferença de temperatura. James Joule
(1818-1889) foi quem em precisas experiências, demonstrou a equivalência entre energia
térmica e a energia mecânica (Tipler, 1994). Em homenagem a este cientista, a unidade de
energia no SI é J (Joule), sendo a caloria uma unidade ainda muito utilizada.
Finalmente, pode-se dizer que o calor é energia em trânsito, ou seja, uma energia
que flui de um corpo a outro devido à diferença de temperatura entre eles. Ao estudar
como a energia é transferida a um objeto, surgem dois novos conceitos: o calor específico e
a capacidade térmica.
3.4.1 Calor Específico e Capacidade Térmica
Define-se a capacidade térmica de um corpo como a quantidade de calor necessária
para elevar sua temperatura de um grau Celsius. Quando a massa do corpo é unitária, a sua
capacidade térmica é denominada calor específico. No caso da água, o calor específico a
15ºC é de 1cal.g
-1
.
o
C
-1
, ou seja, necessita-se de uma caloria para elevar a temperatura de
um grama d’água de 14,5ºC para 15,5ºC.
25
3.4.2 Calor Sensível e Calor Latente
O calor sensível é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de
uma determinada substância, até um limite, dependendo da substância. O calor sensível se
refere à mudança de temperatura. A quantificação do calor para variar a temperatura de um
determinado corpo é dada por:
Q = m c ∆T (3.10)
onde Q representa a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo, m é a sua massa
e c é seu calor específico, valendo salientar que esta equação representa a quantidade de
calor para variar a temperatura em ∆T de um corpo de massa m.
O calor latente é a quantidade de energia necessária para a mudança de fase de uma
quantidade de substância de uma fase para outra. Os tipos de mudança de fase são fusão,
que é a transformação de um sólido em líquido; a vaporização, que é a mudança de líquido
em vapor (como na evaporação da água); e a sublimação, a mudança de sólido em vapor.
Para que haja mudança de fase, com uma certa quantidade de substância, é
necessária uma certa quantidade de energia térmica. O calor necessário à mudança de fase
é proporcional à massa da substância. O calor necessário para evaporar uma determinada
massa de uma substância é dado por:
Q = m Lv (3.11)
onde Lv é o calor latente de vaporização. Para a água, na pressão de 1atm, o calor latente
de vaporização é 2.257 kJ/kg.
Por exemplo, a quantidade de energia necessária para evaporar uma massa de 100g
de água será:
Q = 0,100kg x 2.257kJ/kg = 225,7kJ (3.12)
Desta forma a quantificação da energia utilizada para evaporação da água do lodo,
disposto nos leitos de secagem será feita através da equação (3.11), como mos tra o
exemplo da equação (3.12). É certo que haverá aquecimento da massa de lodo, no entanto
este estudo trata apenas da energia utilizada para evaporação, de modo que a energia
utilizada para o aquecimento do lodo será também utilizada para evaporação.
26
4. MATERIAL E MÉTODOS
Neste capítulo indicaremos os materiais usados e descreveremos os métodos
aplicados para conseguir os resultados da pesquisa, nos experimentos que ocorreram
durante os meses de fevereiro a junho de 2005, realizados no laboratório da UFCG-
PROSAB, localizado na Estação Experimental de Tratamentos Biológicos de Esgotos
Sanitários – EXTRABES, situado na avenida Conselheiro José Noujaim Habib (Canal do
Prado), onde passa um interceptor do sistema de esgotamento sanitário da cidade de
Campina Grande. O esgoto recebe tratamento, tendo como resultado além do efluente, o
lodo. Este passa por um processo de percolação, tendo sua umidade reduzida de cerca de
95 para 80%, assumindo uma consistência pastosa, e pelo processo de evaporação, tem a
umidade reduzida para 74%, sendo esta a umidade inicial do material de estudo utilizado
nos dois primeiros experimentos. A pesquisa é constituída de cinco experimentos. Nos dois
últimos experimentos a umidade inicial do lodo foi 70%.
4.1 DESCRIÇÃO DOS EXPERIMENTOS
Os experimentos foram realizados em duas etapas. Na primeira etapa, três
experimentos possibilitaram estudar o comportamento da evaporação do lodo em leitos de
secagem natural. No primeiro, simul aram-se 5 carregamentos diferentes de lodo em caixas
de madeira descobertas; expostas às condições atmosféricas. O segundo foi realizado
paralelamente ao primeiro, com as mesmas cargas, em caixas de madeira, porém providas
de uma cobertura, constituída por armação metálica e revestida por uma camada plástica,
permitindo assim a passagem da radiação solar, e a convecção livre do ar. O terceiro foi
realizado para analisar a influência de precipitações sucessivas sobre dois carregamentos
de lodo, com umidades variando de 45% a 75%. Em ambos os experimentos as caixas
possuíam um sistema drenante: furos de diâmetro 6mm, e uma camada de geotéxtil Bidim-
XT4, como camada filtrante, permitindo a passagem da água resultante das precipitações.
A segunda etapa da pesquisa está dividida em dois experimentos, que visaram
estudar a secagem de lodo com auxílio de uma fonte externa de energia, a passagem de ar
por uma camada de lodo. Para isso foram realizados na primeira experiência três
carregamentos de lodo em tubos de PVC, branco, diâmetro 100mm, protegidos das
27
intempéries, nos quais se injetavam ares comprimidos de forma ascendente. Na última
experiência se estudou o efeito da injeção de ar de forma ascendente, em dois tubos com
mesmo carregamento, 50cm de lodo com umidade 70%, construídos de PVC, br anco,
diâmetro 100mm, sendo que em um desses tubos o ar afluente é aquecido por uma lâmpada
incandescente, localizada na parte inferior do tubo, controlando assim a temperatura do ar.
4.1.1 Leitos de secagem natural
Para analisar o processo de secagem natural em leitos, foram realizados cinco
carregamentos, em cinco caixas de madeira, com mesma área, 0,075m
2
(25cm x 30cm),
construídas com madeira tipo compensado naval de espessura 1/2”, de modo a isolar
termicamente o fundo. As paredes laterais, que eram do tipo encaixe, for madas por
segmentos de 8cm de altura, que eram removidas quando da diminuição da altura do lodo,
diminuindo assim o efeito do sombreamento na massa de lodo. As caixas eram providas de
sistema de drenagem, que era constituído de furos no fundo protegidos por uma camada de
Bidim -XT4, que permitia a passagem da água proveniente das chuvas, substituindo assim
as camadas de brita e areia, utilizadas em leitos de secagem convencionais. A Figura 4.1
mostra os modelos dos leitos utilizados na primeira etapa da pesquisa.
8 c m
8 c m
8 c m
8 c m
PL A N TA BA I X A
VI S TA F RONT AL
ge oté xtil Bidim - XT4
30 c m
25 c m
30 c m
25 c m
ge oté xtil Bidim - XT4
VI S TA L ATER AL
PL A N TA BA I X A
Figura 4.1 Modelo dos leitos utilizados na pesquisa: (a) descobertos e (b) cobertos
(a) (b)
28
A primeira etapa da pesquisa trata a respeito da evaporação da água do lodo, em
dois tipos de leitos: cobertos e descobertos, expostos às condições atmosféricas. A Tabela
4.1 mostra as massas iniciais de lodo, com umidade inicial de 74%. Dividindo a massa de
sólidos do lodo pela área se obtém os carregamentos, que são expressos em kgSST/m
2
. Por
se tratar de cinco cargas distintas, porém, essas cargas se repetem para os dois tipos de
leitos, então os leitos descobertos foram representados pela sigla LD e os cobertos por LC,
seguidos por I, II, III, IV ou V, que representam as seguintes cargas: 21, 27, 41, 55 e
68kgSST/m
2
, respectivamente. Por exemplo, o leito LC III, refere-se ao leito coberto com
a carga de 41kgSST/m
2
. A carga de 68kgSST/m
2
foi conseguida com 20kg de lodo com
umidade de 74% disposta em 0,075m
2
, sendo denominado LC V, se coberto e LD V caso
descoberto. A Tabela 4.1 mostra as siglas que denominam os leitos e seus carregamentos.
Tabela 4.1 Massa inicial de lodo (kg), carregamentos (kgSST/m
2
) e denominação dos leitos
utilizados nos experimentos relacionados a secagem natural. Umidade inicial = 74%.
Leito Massa inicial (kg) Carga (kgSST/m
2
) Denominação
I 6,00 21 LD I LC I
II 8,00 27 LD II LC II
III 12,00 41 LD III LC III
IV 16,00 55 LD IV LC IV
V 20,00 68 LD V LC V
As caixas após o carregamento com suas devidas cargas de lodo, ficavam
sobrepostas em bancada de madeira a 0,90m do solo, expostas às condições atmosféricas
durante o período de 17/02 a 22/07 de 2005, totalizando 155 dias de observações. Sendo
“pesadas” diariamente, com balança digital FILIZOLA com precisão de 5 gramas.
Verificando-se, assim, a perda de massa d’água do lodo, ao longo do experimento. A
radiação solar incidente era medida através de um aparelho chamado radiômetro, que
fornece os dados da radiação solar incidente na superfície, em intervalos de 5 minutos,
sendo expressa em watts por metro quadrado (W/m
2
) em formato analógico que são
capturados por um PC através de um conversor, onde se analisa o perfil da radiação ao
longo do experimento, no local da pesquisa, tanto diariamente, quanto mensalmente.
A Figura 4.2 mostra o esquema da distribuição dos leitos, sobre a bancada, onde
também se encontra o radiômetro, utilizado na quantificação da energia.
29
PLANTA BAIXA
A A
B
B
LC I LCII LC III LC IV LC V
LD I LD II LD III LD IV LD V
RADIÔMETRO
LD I LD II LD III LD IV LD V LC III LD III
RADIÔMETRO RADIÔMETRO
Figura 4.2 Distribuição e denominações dos leitos expostos às condições atm osféricas
Para a medição da radiação solar foi utilizado um radiômetro, que conectado ao PC
fornecem dados da radiação solar incident e na superfície, em intervalos de 5 minutos,
sendo expressa em watts por metro quadrado (W/m
2
). Para os dados cedidos pelo
DCA/UFCG o intervalo de aquisição dos dados era de 10 minutos. Através da radiação
emitida, calcula-se a energia solar emitida pela se guinte equação:
E = Rg.A.t (4.1)
E: energia solar (J);
Rg: radiação solar emitida na superfície (W/m
2
);
A: área da projeção horizontal (m
2
)
T: tempo (s)
CORTE AA CORTE BB
30
Por exemplo, a energia emitida diar iamente por metro quadrado numa localidade
onde a radiação média seja 200W será 17,28MJ.
Na Figura 4.3 pode ser visto o perfil da radiação solar no dia 1º de março de 2005,
no local do experimento, no intervalo de 5h às 18h. Observou-se que a radiação assume
valores superiores à 200W a partir de 7h e superior a 1000W, próximo ao meio-dia.
Observou-se também que o a nebulosidade provoca o amortecimento da radiação.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
Tem
p
o
Radiação (W/m2)
Figura 4.3 Radiação solar (W/m
2
) no dia 1º de março de 2005 das 5h às 18h
Foram construídos além dos gráficos que representam a potência solar média diária,
gráficos que determinam a radiação média em intervalos de hora, para os meses de março à
junho de 2005, como também foram pesquisados fatores climatológicos referentes ao ano
de 2005, como a temperatura do ar, umidade do ar, e precipitações ocorridas na Estação
Meteorológica Automática da UFCG – Campus I.
Esse trabalho associa radiação solar emitida e a umidade do lodo. Quanto maior a
radiação maior será a energia emitida, portanto, menor tempo de exposição. Determinada a
energia solar incidente sobre o lodo, e a massa d’água evaporada do mesmo, pode-se
calcular a relação entre a energia solar emitida, e a energia utilizada para a mudança de
fase da água no lodo, sabendo que a energia utilizada será o produto da massa evaporada
pelo calor latente de vaporização da água (2,257MJ/kg).
31
O terceiro experimento determinou o efeito de precipitações de 10mm sobre leitos
de secagem de lodo. Para tanto foram simuladas duas cargas: 20 e 40 kgSST/m
2
. Ambas as
cargas possuíam lodos com diferentes umidades, como mostra a Tabela 4.2.
Tabela 4.2 Umidade do lodo nos leitos de secagem para cargas de 20 e 40 kgSST/m
2
Carga (kgSST/m
2
) Umidade (%)
20 45 50 55 60 65 70 75
40 45 50 55 60 65 70 75
Tal qual os dois primeiros experimentos, os lodos ficaram dispostos sobre bancada
de madeira, mas protegidos da radiação e das chuvas, em abrigo. Os leitos utilizados neste
experimento foram os mesmos usados nos experimentos anteriores (Figura 4.1).
Os lodos foram preparados de modo a representar os carregamentos reais, ou seja,
tinham inicialmente umidade de 75%. De posse da massa de sólidos, determinou-se à
massa de lodo úmido para as cargas desejadas, esperando que as mesmas alcançassem as
massas determinadas para as umidades encontradas na Tabela 4.2.
As precipitações foram simuladas com o auxílio de um regador de jardim, com
intensidades controladas. Como os leitos possuíam uma área de 0,075m
2
(0,25 x 0,30m)
então para se obter uma altura precipitada de 10mm foram adicionados 750g de água.
Visando determinar a fração retida da água precipitada para cada leito foi
determinada a diferença da massa antes das precipitações. Foram realizadas três
precipitações de 10mm, com curta duração, com intervalos de recorrência de 24 horas,
totalizando num período de três dias uma precipitação de 30mm. Para a análise do efeito
provocado foram realizadas “pesagens” após a primeira hora da precipitação. O
acompanhamento das massas se fez com a mesma balança utilizada nos experimentos
anteriores.
Com o aumento da massa de lodo úmido, uma vez que a massa de lodo seco não
sofria variação, pode-se determinar a parcela da precipitação que ficava retida no lodo
como a razão entre o aumento da massa do lodo, que correspondia a uma determinada
altura de água, e a altura precipitada.
32
4.1.2 Leitos de secagem forçada por ar comprimi do
Esta etapa da pesquisa foi constituída de duas experiências. A primeira experiência
analisou a passagem de ar por uma camada de l odo com umidade de 70%, acomodado e m
tubos de PVC diâmetro 100mm, com uma camada de 3 cm de areia, que tinha por função
distribuir o ar injetado por um nebulizador. Com trajetória ascendente, o ar passava pela
camada de areia e posteriormente pela camada de lodo e saindo na extremidade superior
por um orifício de 5mm de diâmetro. A remoção da água do lodo se dava pelo processo de
absorção da água pelo ar, que era determinada pela diferença de massa do lodo em
intervalos subseqüentes de pesagem. A temperatura e a umidade relativa do ar indicariam a
capacidade máxima de absorção da água pelo ar.
Para realização desta etapa da pesquisa foram simulados três carregamentos
distintos, com alturas iniciais de lodo de 0,25m, 0,50m e 1,0m. A Tabela 4.3 mostra as
características dos leitos, e seus carregamentos.
Tabela 4.3 Caracterização dos leitos de secagem forçada
LEITOS I II III
Altura (cm) 25 50 100
Área (cm
2
) 73,9 73,9 73,9
Umidade inicial do lodo (%) 70 70 70
Massa do leito (kg) 0,855 1,020 1,550
Massa do lodo úmido (kg) 1,980 4,090 7,595
Carga (kgSST/m
2
) 81,6 168,5 312,8
Vazão do ar (m
3
/dia) 7,62 10,8 10,8
Denominação LT I LT II LT III
Após devidamente carregados, os leitos ficavam sobrepostos em uma bancada de
madeira, protegidos das condições atmosféricas, o ar afluente possuía características
ambientes. O acompanhamento da perda de massa era realizado através da mesma balança
utilizada anteriormente, a temperatura do ar e a umidade relativa do ar por um
termohigrometro digital, situado sobre a bancada. O modelo e o esquema da disposição dos
leitos encontram-se na Figura 4.4, onde os círculos representam os nebulizadores, e as
setas indicam o sentido do fluxo de ar, que atravessa uma camada de lodo.
33
Figura 4.4 Leitos de secagem forçada: (a) modelo dos leitos, (b) disposição dos leitos.
Para que se possa levantar a curva de evaporação destes leitos, é necessário que
haja o acompanhamento da perda de massa. Relaciona-se a taxa de evaporação com a
vazão injetada de ar, temperatura e a umidade relativa do ar. A Figura 4.5 mostra a
concentração de água no ar em relação à temp eratura sob condições de saturação. Cada
metro cúbico de ar pode reter até 196g, a 70 ºC e 588g a 100 ºC.
Figura 4.5 Concentração de água por m
3
de ar saturado em função da temperatura
Fonte: Pedroza et alii. (2006)
(a) (b)
areia
lodo
Tubo PVC
100mm
LTI LTII LTIII
25m 50cm 100cm
34
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
O estudo da distribuição da radiação solar, e seu aproveitamento no processo de
secagem natural de lodo estabilizado se fez de modo a conhecer o potencial energético
solar da região e determinar a parcela da energia efetiva aproveitada no processo de
evaporação do lodo. Para tanto se fez necessária uma quantificação da energia cedida ao
longo do dia, para os meses de março a junho de 2005. Conforme são apresentados a
seguir.
0
50
100
150
200
250
123456789101112131415161718192021222324252627282930
Tempo (dia do mês)
Radiação Solar (W/m²)
Figura 5.1 Radiação solar média em junho de 2005 em Campina Grande - PB
A energia solar apresenta diferentes valores ao longo do dia e dos dias, a Figura 5.1
fornece os valores da potência solar média diária que chega até a superfície, expressa em
watts por metro quadrado (W/m
2
) no mês de junho de 2005. Resulta da média da energia
radiada entre as 05h e 17h, que é medida através de um radiômetro, que conectado ao PC
gera um arquivo com os dados referentes à radiação do instante em que foi requisitado até
as últimas 72 horas, com intervalos entre as leituras de 5 minutos.
Apresentando uma radiação média para o mês de junho de 130 W/ m
2
, ocorreram
dois dias com radiação superior a 200W/m
2
, e o dia 23 chegou apenas a 61 W/m
2
, o que
caracteriza um dia nublado de inverno.
35
A Figura 5.2 mostra os valores médios da radiação em intervalos de hora, para o
mesmo período apresentado anteriorme nte. A radiação média máxima ocorre entre 11h e
12h assumindo um valor de 489 W/m
2
, sendo que a média instantânea máxima 557W/ m
2
ocorreu às 11h10 e a mínima de 405W/m
2
às 11h45.
13
79
389
442
489
445
366
291
154
46
314
207
0
100
200
300
400
500
600
05 às 06
06 às 07
07 às 08
08 às 09
09 às 10
10 às 11
11 às 12
12 às 13
13 às 14
14 às 15
15 às 16
16 às 17
Radiação Solar (W/m²)
Figura 5.2 Distribuição horária da potência solar (W/m
2
) em junho de 2005.
A radiação máxima, geralmente ocorre próximo do meio dia. A Figura 5.3 mostra o
perfil de um dia, representando à média instantânea da radiação solar nos dias pesquisados
em junho. Com uma radiação média que fornece uma energia de 11,25MJ/m
2
, junho foi o
mês que apresentou a menor radiação para o período em estudo.
Como conseqüência da baixa radiação, ocasionada pela nebulosidade, é de se
esperar que a produtividade de secagem em junho seja inferior aos outros meses, haja vista
que a evaporação depende principalmente da energia recebida pela superfície de lodo;
como a emissão da energia é menor, logo a recepção desta energia, que indica quanto de
água evapora também será, promovendo assim uma baixa evaporação. Evitar a descarga
nesse período seria a melhor opção, devido não só a baixa radiação, como a ocorrência de
chuvas nesse mês ser superior aos demais.
36
0
100
200
300
400
500
600
05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00
Radiação Solar (W/m²)
Figura 5.3 Potência solar instantânea média (W/m
2
) no mês de junho de 2005.
Os pontos da Figura 5.3 representam a média da potência solar ao longo do dia,
para os dias pesquisados no mês de junho de 2005, indicados na Figura 5.1, sendo o
intervalo entre as leituras de 5 minutos. As quedas da radiação entre 9h e 14h, indicam a
passagem de nuvens, o que dificultando a passagem dos raios solares, ocasionando uma
diminuição da radiação, no entanto, valores superiores a 300W/m
2
foram encontrados neste
intervalo. Radiações superiores a 200W são encontradas a partir das 7h30 até às 15h,
passando por um máximo próximo de 500W entre 11h e 12h.
Março foi o mês que apresentou maior radiação, sendo o dia 1º de março o que
ocorreu o maior fornecimento de energia solar, sendo à média máxima para esse intervalo
de 887W/m
2
às 10h50, e a mínima de 682W/m
2
às 10h. Valores de 200W podem ser
encontrados às 07h, enquanto que em junho essa radiação só ocorrerá após as 7h30.
A Figura 5.4 mostra a distribuição da radiação solar para o mês de março, podendo
ser verificado que a radiação máxima de 773W/m
2
ocorreu entre 10h e 11h. Radiações de
300W/m
2
podem ser encontradas facilmente entre as 7h e 16h.
37
27
126
745
757
645
488
298
134
773
308
498
679
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
05 às 06
06 às 07
07 às 08
08 às 09
09 às 10
10 às 11
11 às 12
12 às 13
13 às 14
14 às 15
15 às 16
16 às 17
Radiação Solar (W/m²)
Figura 5.4 Distribuição horária da potência solar (W/m
2
) em março de 2005
Com uma radiação média de 236W/m
2
, apresentando sob condições de céu limpo,
valores superiores a 1000W/m
2
, chegando até 1258W/m
2
no dia 05 às 11h40. A Figura 5.5
mostra que a radiação máxima de 310W/m
2
, que corresponde a uma energia de
26,80MJ/m
2
, aconteceu no dia 1º, e a mínima de 131W/m
2
no dia 26.
0
50
100
150
200
250
300
350
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425262728293031
Tempo (dia do mês)
Radiação Solar (W/m²)
Figura 5.5 Potência solar diária em março de 2005 em Campina Grande – PB.
38
Visando uma comparação entre radiações emitidas no período em estudo, foi
construído um gráfico de dispersão com os valores médios das radiações instantâneas,
como mostra a Figura 5.6, percebendo-se que a radiação assume um aspecto decrescente
de março a junho.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00
Tempo (Hora)
Radiação Solar (W/m²)
março de 2005 abril de 2005 maio de 2005 junho de 2005
Figura 5.6 Gráfico de dispersão da radiação solar instantânea média de março a junho de
2005 em Campina Grande - PB
Há uma superioridade em termos energéticos do mês de março em relação aos
outros meses, destacando-se em relação a junho, com uma potência 81% maior. A energia
emitida em 20 dias no mê s de junho em média corresponde à energia emitida em 11 dias
em março, 13 dias em abril, e 15 dias em maio.
A radiação chega a valores de 900W/m
2
em março, próximo de 11h, caindo para
800W/m
2
próximo de 12h, diferença essa causada pela ocorrência de nuvens. Enquanto em
junho chega 550W/m
2
, próximo das 11h. Para o mês de abril a máxima ocorreu às 12h15
com uma média de 858W/m
2
, sendo o período com maior radiação de 10h às 11h com uma
média de 773W/m
2
. Em maio a radiação média de 594W/m
2
aconteceu entre 11h e 12h,
sendo o seu valor máximo 701W/m
2
ocorrido às 11h35.
Como a duração do dia no verão é maior que no inverno, era de se esperar que a
radiação às 17h fosse maior em março e decrescesse até junho, como realmente ocorreu.
39
A radiação dos meses de abril e maio está indicada na Figura 5.7, apresentando
máximos de 298W/m
2
(11 de abril), 246W/m
2
(02 de maio), e mínimos de 122W/ m
2
(09 de
abril), 111W/m
2
(19 de maio).
0
50
100
150
200
250
300
350
123456789101112131415161718192021222324252627282930
Tempo (dia do mês)
Radiação Solar (W/m²)
abril de 2005 maio de 2005
Figura 5.7 Potência solar diária em abril e maio de 2005 em Campina Grande – PB
Para facilitar a compreensão à cerca da distribuição horária da radiação ao longo do
dia, para os meses estudados, construiu-se um gráfico mostrando a radiação em intervalos
de 1 hora a partir das 05h até às 17h, como mostra a Figura 5.8, concluindo que a energia
emitida nos meses de março, abril e maio, no intervalo das 09h às 10h é superior a emitida
no mês de junho entre 11h e 12h. Sendo observado ainda que a radiação solar emitida no
período de 08h às 09h no mês de março foi superior a emitida em junho entre 11h e 12h.
Ao contrário dos outros meses a radiação solar máxima que chega a superfície em
março é máxima entre 10h e 11h. Isso ocorre devido à presença de nuvens entre 11h e 12h,
tornando a aumentar entre 12h e 13h, mostrando assim a ocorrência de nuvens no intervalo
que antecede o meio-dia.
40
0
100
200
300
400
500
600
700
800
05 às 06
06 às 07
07 às 08
08 às 09
09 às 10
10 às 11
11 às 12
12 às 13
13 às 14
14 às 15
15 às 16
16 às 17
R adiação (W /m ²
)
março abril maio junho
Figura 5.8 Distribuição horária da potência solar (W/m
2
) de março a junho de 2005.
No período analisado a radiação média foi de 186W/m
2
, sendo março e abril os
meses mais quentes, com radiações superiores à média para o mesmo período. Abril
apresentou uma radiação média de 208W/ m
2
, enquanto que no mês de maio a radiação foi
de 171W/m
2
. Conforme indicado na Figura 5.9
236
208
171
130
0
50
100
150
200
250
março abril maio junho
Radiação Solar (W/m²)
Figura 5.9 Radiação solar de março a junho de 2005 em Campina Grande - PB
41
Para o período estudado observamos que a radiação tem um caráter decrescente
com o tempo de forma aparentemente linear, assumindo valores máximos em março e
mínimos em junho, com uma perda mensal de aproximadamente 35W/m
2
.
Como a diferença entre a radiação média entre março e junho foi 106 W/m
2
e a
radiação média foi 189W/m
2
, é aconselhável utilizar para cálculos, a média mensal para o
tempo de exposição do lodo as condições atmosféricas, devido o tempo necessário à
secagem poder ser maior, ou seja, a energia necessária para que o lodo atinja o grau de
umidade desejado será maior, e o mesmo não secará, caso contrário, com a radiação
superior, o lodo secará em um tempo menor que o programado, ocasionando assim uma
área maior que a realmente necessária.
Desidratação do lodo
O processo de desaguamento do lodo consiste em separar a parte líquida da parte
sólida, por percolação, sendo que para no fim do processo, percolação o lodo tem
alcançado umidade próxima a 80%. Depois a separação do líquido se dará de forma lenta,
sendo a evaporação o processo que fará a retirada transporte de água do lodo para a
atmosfera.
Visando determinar a parcela da energia solar envolvida diretamente no processo
de evaporação, e ainda sabendo que a mesma varia com a umidade do lodo, de modo que
quanto mais úmido maior será a evaporação, cessando quando o lodo entrar em sua
umidade de equilíbrio, que dependerá das condições atmosféricas, no caso de Campina
Grande esse valor chegou a 5%, que corresponde a um teor de sólidos de 95%.
A primeira parte do estudo se refere à perda de massa do lodo em um período de 15
dias, de 1 de março a 16 de março de 2005, onde a massa de lodo do leito denominado LC
V foi reduzida em 4kg, de 16kg para 12kg, num período de 15 dias, conforme Figura 5.10.
Numa área de 0,075m
2
, esta evaporação equivale a uma massa de 53kg/m
2
,
e a uma lâmina
d’água equivalente de 53mm, com uma taxa de evaporação de 3,6mm/dia. Enquanto o leito
denominado LC I, teve sua massa reduzida em 1,2kg num período de 11 dias, equivalendo
a uma altura de água evaporada de 15,9 mm, conseqüentemente com uma taxa de
evaporação de 1,4mm/dia. Na Figura 5.11 se encontram os perfis das massas dos lodos
dispostos nos leitos descobertos, para o mesmo período.
42
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
0123456789101112131415
Tempo (dias)
Massa de lodo (kg)
LC I LC II LC III LC IV LC V
Figura 5.11 Acompanhamento da massa de lodo exposto as condições atmosféricas nos
leitos cobertos no período de 01/03/05 a 16/03/05 em Campina Grande-PB
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
0123456789101112131415
Tempo (dias)
Massa de lodo (kg)
LD I LD II LD III LD IV LD V
Figura 5.11 Acompanhamento da massa de lodo exposto as condições atmosféricas nos
leitos descobertos no período de 01/03/05 à 16/03/05 em Campina Grande-PB
43
Notamos que a diferença entre a evaporação nos dois tipos de cobertura não é
significativa, ou seja, a cobertura, por ser transparente não impede a passagem dos raios
solares, e sua forma possibilita a passagem livre dos ventos. De modo que podemos dizer
que a estrutura da cobertura não tem efeito retardador, na secagem do lodo, em períodos de
estiagem.
A Figura 5.12 mostra o perfil da umidade para os lodos confinados nos leitos
cobertos, que tinham inicialmente a mesma umidade (74%), porém cargas diferentes.
Nesse período o leito LC II atingiu uma umi dade de 10%, enquanto que o leito LC I
permaneceu com a ma ssa estável, ou seja, cessou o processo de evaporação, quando
atingiu umidade de 6%. Umidade baixa é um bom indicador de qualidade higiênica do
lodo, no entanto em termos econômicos, com uma carga mais elevada, como a aplicada em
LC V obtém-se redução maior da massa, acarretando em di minuição no custo do transporte
ao destino final.
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0123456789101112131415
Tempo (dias)
Umidade do lodo (-)
LC I LC II LC III LC IV LC V
Figura 5.12 Gráfico de dispersão da umidade do lodo para os leitos cobertos no período
de 01/03/05 a 16/03/05 em Campina Grande-PB
A partir do “estacionamento” da massa, indicando o fim da secagem, ou seja,
quando a umidade do lodo está em equilíbrio com a umidade ambiente, a energia solar será
aproveitada apenas na higienização do lodo.
44
O leito coberto com carga de 21kgSST/m
2
, apresentou uma umidade de equilíbrio
de 6% no dia 11 de março, com um período total de exposição de 23 dias, com uma
produtividade de secagem de 0,9kgSST/m
2
para umidade inicial de 74% e final de 6%.
Caso a umidade desejada fosse 10%, o leito LC II (27kgSST/m
2
) obteve esta umidade com
27 dias, correspondendo a uma produtividade de 1kgSST/m
2
.
Os leitos descobertos apresentaram uma ma ior perda de massa, no entanto, pode-se
dizer que ambos experimentos, apresentaram os mesmos resultados. Isso se confirma ao
comparar a Figura 5.12 com a Figura 5.13, ilustrada a seguir.
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0123456789101112131415
Tempo (dias)
Umidade do lodo (-)
LD I LD II LD III LD IV LD V
Figura 5.13 Gráfico de dispersão da umidade do lodo para os leitos descobertos no período
de 01/03/05 à 16/03/05 em Campina Grande-PB.
Os leitos LC I e LDI obtêm umidade de 10% em 8 dias e 7 dias, respectivamente. A
umidade do lodo no início do período era de 45% em LC I e 40% em LDI. Quando a
umidade do lodo contido em LC I for 40% o tempo para atingir umidade de 10% é também
de 7 dias.
A evaporação foi medida diariamente, resultando da diferença entre a massa do
lodo no instante da “pesagem” e a massa anterior em cada leito. A ma ssa evaporada indica
a quantidade de energia envolvida no processo de secagem, podendo ser encontrada na
Tabela 5.1, para os leitos cobertos e na Tabela 5.2 para os leitos descobertos.
45
Tabela 5.1 Massa evaporada (kg) diariamente nos leitos cobertos
Massa Evaporada (kg)
Data – Hora
Tempo
(d)
68 (kg/m²) 55 (kg/m²) 41 (kg/m²) 27 (kg/m²) 21 (kg/m²)
1/3/05 9:00 0 - - - - -
2/3/05 9:00 1 0,380 0,370 0,330 0,320 0,255
3/3/05 8:20 2 0,290 0,285 0,265 0,240 0,185
4/3/05 8:30 3 0,305 0,295 0,255 0,230 0,155
5/3/05 9:00 4 0,235 0,235 0,215 0,170 0,110
6/3/05 9:00 5 0,280 0,275 0,250 0,195 0,125
7/3/05 8:30 6 0,300 0,295 0,260 0,185 0,110
8/3/05 8:20 7 0,275 0,270 0,250 0,155 0,090
9/3/05 9:10 8 0,275 0,270 0,235 0,150 0,075
10/3/05 8:30 9 0,255 0,245 0,215 0,125 0,045
11/3/05 8:50 10 0,235 0,220 0,185 0,095 0,020
12/3/05 9:10 11 0,255 0,250 0,225 0,105 0,020
13/3/05 8:30 12 0,230 0,215 0,070 0,070 0,000
14/3/05 8:30 13 0,230 0,220 0,300 0,065 0,000
15/3/05 7:40 14 0,255 0,225 0,195 0,065 0,000
16/3/05 7:50 15 0,230 0,215 0,175 0,055 0,000
Evaporação Total (kg)
4,030 3,885 3,425 2,225 1,190
Tabela 5.2 Massa evaporada (kg) diariamente nos leitos descobertos
Massa Evaporada (kg)
Data – Hora
Tempo
(d)
68 (kg/m²) 55 (kg/m²) 41 (kg/m²) 27 (kg/m²) 21 (kg/m²)
1/3/05 9:00 0 - - - - -
2/3/05 9:00 1 0,515 0,395 0,360 0,325 0,250
3/3/05 8:20 2 0,230 0,295 0,270 0,250 0,170
4/3/05 8:30 3 0,210 0,305 0,290 0,240 0,160
5/3/05 9:00 4 0,200 0,195 0,175 0,140 0,045
6/3/05 9:00 5 0,300 0,295 0,280 0,235 0,135
7/3/05 8:30 6 0,300 0,290 0,285 0,195 0,090
8/3/05 8:20 7 0,285 0,260 0,250 0,165 0,050
9/3/05 9:10 8 0,290 0,265 0,255 0,165 0,055
10/3/05 8:30 9 0,270 0,255 0,220 0,125 0,020
11/3/05 8:50 10 0,245 0,210 0,190 0,095 0,000
12/3/05 9:10 11 0,300 0,260 0,220 0,110 0,010
13/3/05 8:30 12 0,275 0,220 0,165 0,065 0,000
14/3/05 8:30 13 0,275 0,225 0,170 0,070 0,000
15/3/05 7:40 14 0,295 0,250 0,180 0,050 -0,005
16/3/05 7:50 15 0,260 0,225 0,155 0,045 0,005
Evaporação Total (kg)
4,250 3,945 3,465 2,275 0,985
46
A Tabela 5.1 e a Tabela 5.2 mostram a massa evaporada diariamente nos leitos
cobertos e nos leitos descobertos, respectivamente, durante um período de 15 dias,
mostrando não haver diferença significativa para os leitos com mesma carga de sólidos,
isto mostra a eficiência da coberta transparente e sua forma que possibilita a convecção
natural. Quanto maior a disponibilidade de água, umidade do lodo, maior será a taxa
evaporação.
Através da evaporação diária, e da radiação média diária para o período de 01 à
16/03/2005, calculou-se a fração Rn da energia solar utilizada na evaporação para cada
leito como sendo a razão entre a energia utilizada para a evaporação e a energia cedida pela
radiação solar, de modo que:
Energia Utilizada = m
EV
L
V
(5.1)
Energia Cedida = Rg A t (4.1)
Dividindo a Equação 5.1 pela Equação 4.1 se obtém a Equação 5.2, que determina a
fração, ou parcela, da energia cedida, ou radiada pelo Sol, que é aproveitada no processo
de secagem do lodo, denominada de Rn. Então:
Rn = m
EV
L
V
/ (Rg A t) (5.2)
Onde Rn: parcela da energia solar emitida que é utilizada na evaporação do lodo.
m
EV
: massa evaporada (kg)
L
V
: calor latente de vaporização da água (2,257MJ/kg)
Rg: radiação global (W/m
2
)
A: área da seção horizontal (m
2
)
t: tempo (s)
Buscando uma correlação entre a parcela da energia solar utilizada no processo de
evaporação do lodo, com a umidade do lodo, foi construída a Tabela 5.3, que indica a
energia utilizada na evaporação do lodo para os leitos cobertos. Bastando para isso utilizar
a Tabela 5.1, na quantificação da energia, segundo a Equação 5.1. A energia cedida pelo
Sol é mensurada a partir da Equação 5.2, utilizando os dados referentes à emissão de
energia durante a primeira quinzena do mês de março de 2005, associando a umidade do
lodo, segundo a Figura 5.12. Representando assim a exposição de um total de cinco leitos
de cada tipo, com diferentes umidades e cargas, expostos às condições atmosféricas.
47
Tabela 5.3 Energia Utilizada (kJ) no processo de evaporação de lodo em leitos cobertos e a
Energia Cedida pelo Sol (kJ)
Tempo Energia Utilizada (kJ) Energia
(d) LC I LC II LC III LC IV LC V Cedida (kJ)
1 576 722 745 836 858 1974
2 418 542 599 644 655 1822
3 350 520 576 667 689 1820
4 249 384 486 531 531 1595
5 283 441 565 621 633 1609
6 249 418 588 667 678 1963
7 203 350 565 610 621 1786
8 169 339 531 610 622 1605
9 102 283 486 554 576 1929
10 45 215 418 497 531 1565
11 45 237 508 565 576 1667
12 0 158 158 486 520 1664
13 0 147 678 497 520 1643
14 0 147 441 508 576 1723
15 0 124 395 486 520 1442
O aproveitamento da energia solar será maior quanto mais úmido for o lodo, de
modo que ao atingir a umidade de equilíbrio, o processo de secagem cessa.
Rn = 0,5616 . U
R
2
= 0,9526
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80
Umidade do lodo (-)
Parcela da Energia Solar Utilizada
na Evaporação (Rn)
Figura 5.14 Parcela da Energia Solar Utilizada na Evaporação do lodo em Leitos Cobertos
48
A Figura 5.14 mostra a relação da energia aproveitada para evaporação do lodo em
leitos cobertos em função da umidade do lodo, indicando uma tendência linear.A partir
destes dados chegamos a seguinte equação:
Rn = 0,5616 U (5.3)
Com um forte índice de correlação (R
2
=0,95) podemos dizer que há uma correlação
linear da parcela da energia utilizada no processo de evaporação com a umidade do lodo.
A Figura 5.15 apresenta o comportamento da umidade do lodo, dispostos nos leitos
de madeira, ao longo de 28 dias, para os dois tipos de leitos e as cinco cargas, mostrando
não haver diferença significativa da perda de umidade em relação ao tipo de leito, para um
período de estiagem. Desta forma, a Equação 5.3 será válida també m para os leitos
descobertos. Como os leitos carregados com 21kgSST/m
2
alcançaram a umidade de 10%
em 19 dias, o descoberto, e 20 dias o coberto, devido o fato da cobertura tanto refletir
como absorver parte da radiação solar é de se esperar que a parcela da energia utilizada na
evaporação do lodo nos leitos descobertos seja um pouco maior.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
0246810121416182022242628
Tempo (dias)
Umidade do lodo
68 (kg/m²) CC 55 (kg/m²) CC 41 (kg/m²) CC 27 (kg/m²) CC 21 (kg/m²) CC
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
0 2 4 6 8 10121416182022242628
Tempo (dias)
Umidade do lodo
68 (kg/m²) SC 55 (kg/m²) SC 41 (kg/m²) SC 27 (kg/m²) SC 21 (kg/m²) SC
(a) (b)
Figura 5.15 Gráfico da dessorção de umidade do lodo para 5 carregamentos distintos e dois
tipos de leitos: (a) Cobertos e (b) Descobertos, em um período de 28 dias (4 semanas)
Os leitos carregados com 27kgSST/m
2
apresentaram uma umidade de 10% em 27
dias, conseqüentemente uma produtividade de 1kgSST/m
2
.dia. Já para a umidade de 50% o
tempo necessário foi 10 dias, para o leito descoberto, e 11 dias para o leito coberto,
ocasionando respectivamente produtividades de 2,7 e 2,6kgSST/m
2
.dia, evidenciando que
quanto menor a umidade exigida menor será a produtividade.
49
O processo de evaporação cessará quando o lodo se encontrar na umidade de
equilíbrio, que dependerá da umidade relativa do ar ambiente, podendo ser visualizado na
Figura 5.15 que este valor, para a cidade de Campina Grande-PB, está próximo de 5%.
Para uma umidade desejada de 50% o leito com carga de 55kgSST/m
2
apresentou
uma produtividade de 2,0kgSST/m
2
.dia. A Tabela 5.4 indica as produtividades obtidas para
umidades desejadas de 10, 20, 30, 40, e 50 e 60%, para umidade inicial próxima de 75%,
durante um período de exposição razoável (28 dias), para os dois tipos de leitos, mostrando
que o tipo de cobertura utilizado, não impede a passagem dos raios solares, e nem impede a
circulação natural dos ventos.
Tabela 5.4 Produtividade da evaporação nos leitos de secagem
Umidade Final do lodo (%)
Carga
60 50 40 30 20 10
I 2,6 1,9 1,6 1,3 1,2 1,0
II 2,7 1,9 1,6 1,4 1,2 1,0
III 2,7 2,0 1,5 - - -
IV 2,8 2,0 - - - -
V 2,8 - - - - -
Mesmo com produtividade superior, os leitos com carga V, necessitam de 24 dias
para produzir um lodo com umidade 60%, enquanto os leitos com carga I, necessitam de 8
dias. Por exemplo, para uma descarga de 1tonSST, com teor de umidade de 75%, e uma
umidade final de 60%, para a carga do leito V seriam necessários aproximadamente 15m
2
,
caso fosse escolhida a carga do leito I seria necessária uma área de 48m
2
. Para uma carga
de 15 kgSST/m
2
, apesar do tempo ser menor, seriam necessários aproximadamente 70m
2
.
O lodo com umidade inicial de 75% e umidade final desejada de 10%, pode ser
obtido num intervalo de 21 dias e 27 dias para as cargas I e II, respectivamente. Caso a
freqüência dos descartes seja de 27 dias, a carga mais indicada será de 27kgSST/m
2
.
Em uma massa de 28ton de lodo com umidade de 75%, a massa de água contida é
de 21ton, e a massa de sólidos é 7ton. Com a redução para 60% a massa de água
remanescente é de 10,5ton, Se a umidade final desejada for 10% essa perda será de
20,2ton, restando apenas 800kg de água, remanescendo 7,8ton de lodo, que representa uma
redução de 72% da massa a ser transportada para destino final.
50
Uma redução da umidade do lodo de 75% para 50% representa uma perda de 50%
da massa total, então o custo transporte, que é calculado pelar tonelada por quilometro
transportado, reduzirá também em 50%, mostrando assim a vantagem de se secar o lodo
antes de transportá-lo.
Os leitos LC IV e LD IV apresentaram uma produtividade de secagem de
2kgSST/m
2
.dia para umidade de 50%, alcançando esta umidade em 28 dias. Enquanto os
leitos LC II e LD II com uma produtividade de 1,9kgSST/m
2
.dia alcançaram umidade de
50% em apenas 11 dias. Porém a área necessária ao carregamento dos leitos com carga de
27kgSST/m
2
dia é 2,6 vezes maior que para o carregamento do leito II.
Um descarte de 10tonSST com umidade de 75%, proveniente de centrifuga, tem
uma massa total de 40ton, sendo 30ton de água. Para uma umidade final de 10%, com a
carga IV seriam necessários 182m
2
, em um tempo de 28 dias. Para a carga do leito I seriam
necessários 477m
2
em 11 dias. Sendo a massa evaporada no fim da secagem de 29ton,
restando apenas 11ton, implicando em uma redução de 72,5% no peso a ser transportado.
Evaporação Média nos Leitos de Secagem
A evaporação nos leitos de secagem é determinada pela perda de massa de água.
Para tanto é necessário o acompanhamento da massa de lodo. Determina-se a altura
evaporada a partir da diferença de massa num intervalo de tempo.
As Figuras 5.16 e 5.17 mostram a altura evaporada equivalente em milíme tros para
os leitos descobertos e cobertos, respectivamente, em um no período experimental que
compreende 155 dias. Onde se percebe o efeito das precipitações, que alteram a curva da
evaporação dos leitos de forma a retardar o processo de secagem. O leito LD V absorveu
mais de 40mm de água, enquanto LC V absorveu pouco menos de 30mm, devendo-se isto
a ineficiência da cobertura em impedir a passagem da água da chuva para o interior do
leito. Este ganho de massa pode ser reduzido, bastando na hora da chuva fecharmos a
passagem do ar, de modo que a massa permanecerá constante.
51
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Tempo (dias)
Altura Evaporada (mm)
68 kgSST/m² 55 kgSST/m² 48 kgSST/m² 27 kgSST/m² 21 kgSST/m²
Figura 5.16 Altura evaporada (mm) para os leitos descobertos
52
A influência da chuva nos leitos de secagem analisada num período de 3 dias, onde
eram simuladas precipitações de 10mm em cada dia, totalizando 30mm, utilizando para
isto lodo anaeróbio proveniente de UASB, em duas cargas distintas. A Figura 5.18 mostra
os resultados obtidos para a fração da precipitação que fica retida na camada de lodo.
Figura 5.18 Fração retida da precipitação sobre leitos de secagem
Para umidades inferiores a 65% grande parte da precipitação percola, sendo retidas
frações de 12% para os leitos com carga de 20kgSST/m
2
, e 18% para os leitos com carga
de 40kgSST/m
2
. Quando a umidade se encontra com valores superiores a 65% esta parcela
é aumentada, ficando retida grande parte, e para umidades acima de 80% não haverá
percolação devido a massa de lodo se encontrar com forma pastosa, sem a presença das
fendas, que são os espaços por onde percola a água.
53
5.1 Parâmetros metereológicos de Campina Grande no ano 2005
É importante saber como se comporta não só a radiação como também a umidade e
a temperatura do ar, e a precipitação, pois estes elementos determinam as condições
climatológicas da região, e conseqüentemente o poder de evaporação, no caso em estudo,
do lodo estabilizado em reator UASB.
Os dados apresentados a seguir se referem à cidade de Campina Grande, no ano de
2005, sendo valores médios, com intervalos de leitura de 10 minutos, para a radiação
global (Rg), a temperatura do ar (Tar), e a umidade relativa do ar (f), e a precipitação como
sendo o somatório para cada mês. Já a energia foi calculada pela integração da radiação,
sendo então convertida para kWh.
Tabela 3.0 Parâmetros meteorológicos de Campina Grande no ano 2005
Rg f T
AR
Precipitação Energia Radiada
MESES
(W/m²dia) (%) (
o
C) (mm) (MJ/m
2
dia) (kWh/m
2
dia)
Janeiro 249 69,81 25,4 51,20 21,51 5,98
Fevereiro 236 73,35 25,3 20,00 20,39 5,66
Março 249 73,48 25,6 100,20 21,51 5,98
Abril 212 77,34 24,7 24,70 18,32 5,09
Maio 177 83,10 23,4 189,30 15,29 4,25
Junho 137 88,79 21,6 211,70 11,84 3,29
Julho 183 82,30 21,2 36,20 15,81 4,39
Agosto 176 84,38 20,9 115,10 15,21 4,22
Setembro 230 76,88 22,3 9,90 19,87 5,52
Outubro 230 72,46 23,4 9,50 19,87 5,52
Novembro 253 70,28 24,3 1,00 21,86 6,07
Dezembro 243 72,67 24,3 13,70 21,00 5,83
O mês que apresentou maior disponibilidade energética foi novembro com uma
radiação média de 253 Wm
-2
, que corresponde a uma energia de 6,07 kWh por dia, e
umidade relativa do ar de aproximadamente 70%. Janeiro apresentou a menor média da
umidade relativa do ar de 69,81%, porém o dia 7 de março foi o dia que apresentou maior
54
temperatura (34ºC), às 16h, sendo a umidade relativa do ar mínima nesse instante (27,8%),
conforme visto na Figura 5.19.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00
Umidade Relativa do Ar (%) Temperatura do Ar (ºC)
Figura 5.19 Umidade Relativa do ar, e temperatura do ar no dia 7 de ma rço de 2005
Para podermos compreender o que ocorre com a umidade no mo mento da chuva,
foi construído o gráfico do dia 2 de maio, que foi o dia com maior precipitação no período
de 10 minutos, 13,8mm, em um total precipitado no dia de 28,7mm. A Figura 5.20 mostra
que a umidade fica bem próxima de 100%, devido a precipitação, mostrando que quando
do início da chuva há um aumento rápido da umidade relativa e uma diminuição brusca da
temperatura.
Junho foi o mês com maior precipitação, sendo responsável por 27% de todas
precipitações anuais, que chegou a 782mm, já o mês de novembro se apresentou o mais
seco, praticamente sem chuvas. A Figura 5.21 mostra a distribuição das precipitações para
o ano de 2005, na estação automática da UFCG, situada no Campus I. A partir de setembro
as chuvas são difíceis de acontecer, então se espera uma maior produtividade nos meses de
estiagem. As precipitações ocorreram com maior intensidade no ano de 2005 nos meses de
junho a agosto. Os meses que chovem a umidade relativa do ar chega a valores superiores
a 83% que é o período que compreende maio à agosto.
55
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00
Umidade Relativa do Ar (%) Temperatura do Ar (ºC) Precipitação (mm)
Figura 5.20 Umidade Relativa do ar, temperat ura do ar e precipitação no dia 02/05/2005.
0
50
100
150
200
250
J FMAM J J A S OND
Precipitação (mm)
Figura 5.21 Precipitações (mm) na cidade de Campina Grande no ano de 2005.
Os meses de maio e junho foram os que apresentaram precipitações mais
expressivas, sendo estes dois meses responsáveis por 51% de toda precipitação anual.
Podendo dizer que a estação chuvosa começa em março e a partir de setembro as chuvas
são menos significativas.
56
5.2 Modelagem Matemática
No processo de secagem natural a evaporação depende de fatores climatológicos
tais como, a radiação solar, umidade relativa do ar, temperatura do ar, velocidade e direção
do vento, nebulosidade e das precipitações.
Esta modelagem consiste inicialmente em associar dois fatores: (1) radiação solar; e
(2) umidade do lodo, para estimar a massa evaporada em um dia. O tempo necessário para
evaporação dependerá ainda, da carga e da umidade final desejada. Quanto maior a
radiação, e a umidade do lodo, maior será a evaporação. As chuvas causam um aumento na
massa do lodo, de modo a aumentar a altura d’água equivalente no lodo.
A altura equivalente de água no lodo é um parâmetro que compara a massa d’água
contida no lodo, com uma lâmina de água pura. A Figura 5.22 indica a altura equivalente
de água para diferentes cargas.
0
40
80
120
160
200
240
280
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80
Umidade do lodo
Altura equivalente de água no lodo (mm)
70 kgSST/m²
60 kgSST/m²
50 kgSST/m²
40 kgSST/m²
30 kgSST/m²
20 kgSST/m²
10 kgSST/m²
Figura 5.22 Altura equivalente de água no lodo (mm) em função da umidade para cargas
de lodo variando de 10 a 70kgSST/m
2
.
57
A massa d’água evaporada no lodo pode ser estimada, como sendo a razão entre
uma parcela da energia radiada, a energia efetiva utilizada para evaporação, e o calor
latente de vaporização da água:
m
EV
= Rn (Rg.A.t) / L
V
(5.4)
Como a radiação global (Rg) é medida em W/m
2
, e a parcela efetiva da energia
depende da umidade no lodo, conforme equação 5.3. Então para 1 dia (86.400 s), a massa
evaporada por metro quadrado, será:
m
EV
= 0,021RU (5.5)
onde, m
EV
: massa de água evaporada (kg/dia);
R: radiação global (W/m
2
);
U: umidade do lodo.
Considerando a massa específica da água 1000kg/m
3
, tem-se que a evaporação de
1kg de água, em um metro quadrado, equivale a uma altura de 1mm, podendo assim ser
estimada como:
h
EV
= 0,021RU (5.6)
sendo, h
EV
: Altura equivalente de água evaporada (mm/dia).
Num determinado período, a massa evaporada diariamente, assume caráter
decrescente para uma mesma radiação, a evaporação média diária, nesse período:
+
=
2
HH
R021,0h
if
m
(5.7)
onde,
h
: evaporação média (mm/dia);
R
m
: radiação média no período (W/m
2
);
H
f
e H
i
:umidade final e umidade inicial do lodo.
O tempo necessário para evaporar uma determinada altura de água no lodo, será o
quociente dessa altura pela evaporação média diária. Que dependerá da umidade inicial e
da umidade desejada, da carga, e da radiação solar, podendo ser expresso como sendo:
58
T
S
h
hh
fo
−
=
(5.8)
onde, T
S
:Tempo de secagem (dia)
h
o
: Altura inicial de água no lodo (mm);
h
f
: Altura final de água no lodo (mm).
A partir da Figura 5.22 que apresenta a altura equivalente de água para cargas de 10
a 70kgSST/m
2
, determina-se a altura inicial e a altura final de água no lodo, mas como
essas alturas dependem da umidade inicial e final, e da carga, como segue:
h
o
= CsH
i
/(1-H
i
) (5.9)
h
f
= CsH
f
/(1-H
f
) (5.10)
com a substituição das equações (5.9), (5.10) e (5.7) na equação (5.8), resulta que o tempo
de secagem pode ser estimado como:
T
S
= 46,5
+
−−−
)
2
UfUi
(Rm
)Uf1/(Uf)Ui1/(Ui
Cs
(5.11)
Deste modo o tempo necessário para secar uma carga de lodo de 30kgSST/m
2
, com
80 % de umidade para 50%, numa região onde a radiação solar média seja 200W/m
2
será:
T
S
= 46,5 x
+
−−−
2
50,080,0
200
)50,01/(50,0)80,01/(80,0
30
= 32 dias
Para a mesma carga aplicada (30kgSST/m
2
), e uma radiação de 250W o tempo seria
reduzido para 25 dias, uma diferença de 7 dias, aumentando assim a produtividade de
secagem de 0,94 para 1,2 kgSST/m
2
.dia.
A produtividade de secagem dos leitos de secagem é afetada pela radiação e pela
umidade inicial. Na Figura 5.23 encontra-se a produtividade (kgSST/m
2
.dia) dos leitos em
função da umidade final desejada, para umidades iniciais de 70, 75 e 80%, em uma região
onde a radiação solar média é de 200W.
59
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
0 1020304050 6070
Umidade final do lodo (%)
Produtividade (kgSST/m²dia)
Hi = 70%
Hi = 75%
Hi = 80%
Figura 5.23 Produtividade de Leitos de Secagem (kgSST/m
2
dia) para umidades iniciais de
70, 75 e 80% para um radiação solar diária de 200W.
Percebe-se que a produtividade de secagem para umidade final de 50%, chega a
dobrar, quando comparadas as umidades iniciais de 80% e 70%, ocasionando assim em
uma redução de área de 50%.
A radiação solar assume valores diários diferentes ao longo do ano, no caso da
localidade em estudo, conforme Figura 5.9, em março de 2005 a média mensal foi de
236W, enquanto em junho de 2005 foi apenas 130W. A produtividade nos leitos de
secagem será maior no mês de março. A produtividade do leito dependerá não só da carga,
mas da umidade inicial, umidade final e da radiação solar.
Fazendo uso da modelagem, foi simulada a curva da produtividade partindo de uma
umidade inicial de 80% para radiações de 150 a 250 W, como se vê na Figura 5.24, na qual
pode ser visto que a produtividade tem caráter crescente com a radiação. Para umidade
final de 10% a produtividade foi estimada em 0,4, 0,5 e 0,6 kgSST/m
2
.dia para radiações
de 150, 200 e 250W, respectivamente.
A importância de se conhecer o perfil da radiação solar ao longo do ano consiste na
possibilidade de se determinar também uma curva de produtividade, de modo a determinar
o período necessário à secagem, estando ainda relacionada ao regime de chuvas de cada
localidade.
Ui = 70%
Ui = 75%
Ui = 80%
60
61
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 10203040506070
Tempo (dia)
Evaporação (mm)
15kgSST/m²
20kgSST/m²
25kgSST/m²
30kgSST/m²
35kgSST/m²
Figura 5.25 Curva da evaporação para cargas de 15 a 35kgSST/m
2
O processo de secagem cessará quando o lodo tiver sua umidade em equilíbrio com
o meio ambiente, o que dependerá da umidade relativa do ar. Não havendo evaporação
para essa umidade, o lodo permanecerá com sua altura evaporada constante. No caso do
leito com carga de 15kgSST/m
2
, a evaporação tem seu fim em 30 dias, correspondendo a
uma altura evaporada de água de 60mm.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 10203040506070
Tempo (dia)
Umidade do lodo (-)
15kgSST/m²
20kgSST/m²
25kgSST/m²
30kgSST/m²
35kgSST/m²
Figura 5.26 Curva da dessorção da umidade do lodo para cargas de 15 a 35kgSST/m
2
62
A Figuras 5.27 e 5.28 representam os valores obtidos experimentalmente para os
leitos descobertos referentes ao período de 17 de fevereiro a 17 de março de 2005, para a
umidade, e a altura evaporada, respectivamente. Onde os pontos representam os valores
obtidos experimentalmente e a curva representa os valores obtidos segundo a modelagem.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 2 4 6 8 101214161820 22242628
Tempo (dia)
Umidade do lodo(-)
21kgSST/m²
27kgSST/m²
63
5.3 Secagem por ar comprimido
Tendo como objetivo estudar a desidratação do lodo anaeróbio proveniente de
reator UASB, analisou-se o efeito causado pela passagem forçada, ascensional de ar, sobre
uma camada de lodo, já percolado com umidade inicial próxima a 70%. O ar efluente tende
a ser saturado, de modo que quanto maior a temperatura do ar, e menor a umidade do ar
afluente, maior será a retirada d’água do lodo, sendo esta sob a forma de vapor. Num
período de 45 dias a taxa de evaporação média foi de 3,6mm/dia para o leito com carga de
82 kgSST/m
2
(0,25m), 4,6mm/dia para o leito com carga de 168 kgSST/m
2
(0,50m) e
5,6mm/dia para o leito com carga de 312 kgSST/m
2
(1,00m). A Figura 5.29 mostra a
evolução da dessorção do lodo para os três leitos.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 102030405060
Tempo (dia)
Umidade do lodo (%)
82 kg SST/m²
168 kg SST/m²
312 kg SST/m²
Figura 5.29 Curva de dessorção da umidade do lodo nos leitos tubulares.
Ao fim do experimento o leito com carga de 25cm de lodo, atingiu umidade de 7%,
tornando-se um torrão bastante rígido. O mesmo não ocorreria em regiões onde a umidade
relativa do ar fosse superior a 75%, onde se estabelece um equilíbrio entre as umidades,
sendo, portanto, o valor máximo do teor de sólidos inferior a 93%, ou seja, umidade
mínima será maior que 7%. Embora o tempo seja longo, o lodo atingiu umidade de 10%
num período de 50 dias, de modo que a produtividade de secagem foi de 1,6kgSST/m
2
.
dia.
Nos leitos expostos às condições atmosféricas, conforme Tabela 5.4, esse valor foi 1,0
kgSST/m
2
dia, para os leitos carregados com 21 e 27kgSST/m
2
.
64
0
50
100
150
200
250
300
0 102030405060
Tempo (dia)
Evaporação (mm)
82 kg SST/m²
168 kg SST/m²
312 kg SST/m²
Figura 5.30 Curva de evaporação dos leitos tubulares
Para a mesma vazão de ar insuflada houve uma diferença na redução da massa do
lodo. Com uma evaporação de 250mm, o leito com carga de 312kgSST/m
2
, conseguiu
atingir uma umidade de 60%. Enquanto o leito carregado com 168kgSST/m
2
, evaporou
210mm, e teve sua umidade reduzida para 50%. A passagem do ar pelo lodo foi capaz de
remover uma determinada quantidade de água, através de absorção, tendo, além da vazão,
a temperatura e a umidade relativa do ar como principais fatores que determinam a
quantidade de água que pode ser absorvida pelo ar.
A remoção de água do lodo dependerá de fatores climatológicos, de modo que, será
mais eficiente durante o dia, pois a temperatura elevada e a umidade relativa do ar baixa,
propiciam uma maior absorção da água pelo ar. O contrário ocorre à noite; temperatura
baixa e umidade relativa do ar alta implicam numa menor absorção da água pelo ar.
65
umidade do ar fosse 10% a remoção poderia chegar a 679g. Daí a vantagem do ar seco, na
entrada do sistema.
Em Ca mpina Grande, onde a umidade relativa do ar está próxima de 70%, e
temperatura média do ar é de 25ºC, a passagem do ar através do lodo é capaz de remover
no máximo 6,35g em cada metro cúbico de ar insuflado. A Figura 5.31 mos tra os
parâmetros umidade relativa do ar (%) e temperatura do ar (ºC), durante o período do
experimento, iniciado em 24/05/2005 e tendo seu término em 18/07/2005.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Tempo (dias)
Umidade Rela ti va do Ar (%) Temperatura (ºC)
Figura 5.31 – Umidade relativa do ar (%) e temperatura do ar (ºC) no período de 24/05/05
a 18/07/05 em Campina Grande – PB
Secagem por ar comprimido e aquecido
Continuando como objetivo estudar a desidratação do lodo anaeróbio proveniente
de reator UASB, foi analisado o efeito causado pela passagem forçada, ascensional de ar,
sobre dois leitos carregados com 50cm de lodo com umidade de 73,3%, correspondendo a
uma carga de 116kgSST/m
2
, sendo o ar aquecido a 70ºC em um dos leitos e o outro sem
aquecimento.
O leito provido de sistema de aquecimento conseguiu um lodo com umidade
inferior a 10% em 35 dias, enquanto o leito desprovido de aquecimento só atingiu umidade
66
inferior a 10% em 86 dias. No caso dessa carga de lodo, a altura evaporada foi de
aproximadamente 300mm. A produtividade para umidade de 10% foi 1,35kgSST/ m
2
dia
para o leito sem aquecimento e 3,31kgSST/m
2
.dia para o leito com sistema de
aquecimento, o que mostra a vantagem do aquecimento do ar.
A evolução da evaporação nos dois leitos pode ser vista na Figura 5.32, sendo
percebida uma maior inclinação na curva, para o leito com sistema de aquecimento, o que
determina uma maior taxa de evaporação.
0
50
100
150
200
250
300
350
0 102030405060708090100
Tempo (dia)
Evaporação (mm)
Com aquecimento Sem aquecimento
Figura 5.32 Curva de evaporação (mm) para leitos carregados com 116 kgSST/ m
2
O aquecimento do ar aumenta a concentração de água no ar efluente do leito,
diminuindo assim o tempo necessário à secagem. Podendo ser notado que, para uma
evaporação de 300mm, foi necessário um período de 30 dias enquanto o leito sem
aquecimento atingiu essa evaporação em mais de 80 dias.
Existe a possibilidade de secar lodo através da passagem forçada de ar por uma
camada de lodo. Para uma mesma vazão de ar insuflado, a remoção d’água será maior
quanto maior for a temperatura e menor a umidade relativa do ar. A determinação desses
parâmetros indica a remoção d’água do lodo, sendo observado que a parte inferior da
camada de lodo seca primeiro que a superior, de modo que a remoção de lodo seco deve
ser feita na parte inferior, e alimentado pela parte superior.
67
6. CONCLUSÃO
No dimensionamento de leitos de secagem natural de lodo devem ser considerados
quatro fatores: a quantidade produzida de lodo, a freqüência de descarte, condições
climáticas e área disponível para o tratamento. Considerando estes fatores ao
condicionamento para a otimização no da secagem e aproveitamento da área, visando
evidentemente melhorar sua produtividade, diminuindo ao máximo possível a massa de
lodo, em menor tempo, baixando os custos com o carregamento e transporte do seu
descarte para o destino final.
Os principais fatores que proporcionam a evaporação natural do lodo são
climatológicos – a umidade relativa do ar e a radiação solar – portanto o dimensionamento
e a otimização de leitos de secagem estão ligados diretamente a estes fatores.
Para determinar alguns parâmetros, tais como radiação solar e umidade final de
uma carga de lodo, usou-se a modelagem matemática, que proporcionou explicitar estas
grandezas em linguagem matemática, que associada ao estudo de laboratório, forneceu os
dados para as seguintes conclusões dos diversos tipos de leitos e cargas.
Para os leitos cobertos:
- A cobertura transparente proporcionou um perfil de secagem igual aos leitos
descobertos, durante a estiagem, mostrando ser vantajosa sua utilização.
- A evaporação será maior quanto maior for a umidade do lodo e a radiação solar.
- Quanto maior a carga maior a evaporação, para cargas com mesma umidade
inicial de lodo sob as mesmas condições atmosféricas.
- A evaporação cessa gradualmente ao longo do período de acordo com a graduação
da carga, i e, quanto maior a carga maior será o tempo de secagem.
- Portanto a carga de 48kgSSTm
-2
é a melhor carga para um período de 30 dias,
aproximando-se de seu ponto de equilíbrio.
- Caso o desejado seja apenas remoção de massa e não de umidade, deve-se utilizar
a carga de 68kgSSTm
-2
, porque enquanto maior a carga maior a evaporação, devido
a diminuição da umidade ser mais lenta em cargas mais elevadas.
68
Para os leitos descobertos:
- O perfil da secagem segue o mesmo procedimento dos leitos cobertos, só que a
pluviosidade é um problema crucial, porque repõe parte da água evaporada. Num
período chuvoso não se deve utilizar este tipo de leito, porque a umidade do ar é
muito elevada e não ocorre praticamente evaporação, podendo no fim do período
estimado o lodo ter umidade superior a inicial.
- As precipitações afetam de for ma negativa a evaporação, de modo que para
umidade do lodo superior a 65% é mais acentuada, ficando retida grande parte,
enquanto para lodo com umidade inferior a este limite a água da chuva tende a
percolar.
Portanto entre um tipo e outro, deve-se usar os leitos cobertos, pois apesar de
manterem o mesmo perfil da secagem dos leitos descobertos, diminuem o efeito das
precipitações, podendo ainda absorver umidade do ar. De modo que o ideal seria uma
coberta móvel, capaz de isolar o lodo e a atmosfera no mo mento da chuva. Obviamente
este tipo de leito deve ser utilizado por ETEs que tratem os esgotos de uma população
equivalente de 20.000 habitantes.
A secagem artificial pode ser utilizada quando não há disponibilidade de terreno,
podendo a mesma produzir lodo com umidade inferior a 5%, dependendo da umidade
relativa do ar no momento da secagem. Detectou-se que:
- Quanto mais elevada à temperatura do ar, e mais seco for o ar, maior será a
evaporação, devido sua capacidade de absorção da água do lodo.
- A secagem será otimizada quando o ar efluente for saturado.
Este tipo de secagem pode ser acelerado com o aproveitamento da energia solar no
aquecimento do ar afluente, funcionado apenas durante o dia, pois durante a noite ocorre
uma diminuição da temperatura do ar e uma elevação na umidade relativa do ar.
69
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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70
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71
Anexo 1
Potência Solar Diária (W/m
2
) do 1º trimestre de 2005 na cidade de Campina Grande – PB
100
150
200
250
300
350
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Janeiro
100
150
200
250
300
350
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425 262728
Fevereiro
100
150
200
250
300
350
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Março
72
Anexo 2
Potência Solar Diária (W/m
2
) do 2º trimestre de 2005 na cidade de Campina Grande – PB
100
150
200
250
300
123456789101112131415161718192021222324252627282930
Abril
50
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Maio
50
100
150
200
250
123456789101112131415161718192021222324252627282930
Junho
73
Anexo 3
Potência Solar Diária (W/m
2
) do 3º trimestre de 2005 na cidade de Campina Grande – PB
50
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Julho
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Agosto
100
150
200
250
300
123456789101112131415161718192021222324252627282930
Setembro
74
Anexo 4
Potência Solar Diária (W/m
2
) do 4º trimestre de 2005 na cidade de Campina Grande – PB
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Outubro
150
200
250
300
350
123456789101112131415161718192021222324252627282930
Novembro
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Dezembro
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