Economic

Existem vários métodos de secagem de lodo que se classificam como método térmico. Na literatura existem poucas classificações que elucidam as classificações de métodos de secagem de lodo. Inclusive, esta é uma razão de se propor a classificação que existe nesta tese. Na classificação dos métodos de secagem de lodo se observa que alguns processos podem ser classificados em mais do que um tipo de método, primeiro pelas características específicas de funcionamento e, segundo, pelas bases conceituais do processo.

Tao et al. (2014) citam que de acordo com a diferença do meio e da forma de contato, as tecnologias de secagem térmica de lodo podem ser divididas em três categorias: método de

secagem direta, método de secagem indireta, e método de secagem combinado (direta- indireta). A Figura 3.24 traz esta divisão proposta por Tao et al. (2014).

Figura 3.24 – Principais tecnologias de secagem térmica existentes. Fonte: Adaptado de Tao et al. (2014).

No entanto, para este presente trabalho serão considerados os seguintes processos como tecnologias de método térmico de secagem de lodo: aquecimento convencional, micro- ondas e fritura. Esta subdivisão foi pensada desta forma com objetivo didático, ainda que se possa entender como método térmico todo método de secagem de lodo que demande aumento da temperatura para que ocorra. Logo, como para a remoção de água superficial e intracelular presente no lodo é necessário que exista a quebra da partícula por meio de aplicação de maior nível de energia – na maioria dos casos exercida por aquecimento (aumento da temperatura) – é possível dizer que as tecnologias descritas nos métodos anteriormente tratados neste tópico de “secagem” são suscetíveis de serem classificadas como tecnologias térmicas. Por esta razão, optou-se por propor como métodos térmicos os de aquecimento convencional (em características semelhantes a de inserção do resíduo em fornos convencionais ou estufa), micro-ondas (em características semelhantes a de inserção do resíduo em forno micro-ondas), e de fritura (em características semelhantes a de fritura de alimento).

Aquecimento Convencional

O aquecimento convencional consiste em tecnologias que se assemelham ao uso de forno (aquecimento de temperatura) para remoção de água de lodo. Existem aplicações como a utilização de gás e energia elétrica para promover o aquecimento. Tais aplicações resultam na remoção de grande parte da água presente no lodo, mas, de maneira geral, deriva de alto consumo de gás e/ou energia. Assim, existem muitos estudos relacionados ao uso de variadas aplicações de aquecimento convencional do lodo para secar o resíduo e destiná-lo a tecnologias de aproveitamento, como, por exemplo, aproveitamento do potencial energético. A seguir são mencionadas aplicações de variações do método térmico de aquecimento.

Romdhana et al. (2009), monitoraram o nível de contaminação por micro-organismos patogênicos durante processos de secagem de lodo de esgoto por aquecimento. Dentre as tecnologias utilizadas mencionaram a secagem condutiva por agitação e a secagem em tambor. A primeira consiste em uma tecnologia cujo agente de transferência de calor (resistência elétrica, fluido, etc.) e o produto (lodo) são separados por uma estrutura (parede). Durante o processo, a umidade do lodo de esgoto é mantida em um compartimento de aço aquecido usando um sistema mecânico de agitação (pás, rapadores e outros). A perda de umidade é determinada por pesagem contínua. A temperatura do lodo é medida por termômetros instalados no eixo do agitador em várias posições. A temperatura do lodo aumenta até 100ºC no início, e depois diminui para valores mais baixos (entre 100 e 80ºC), induzindo um abrandamento da secagem e diminuição da troca de calor. A quantidade de 2,2kg de lodo de esgoto fica completamente seca após cerca de 7 horas. A Figura 3.25 ilustra esquematicamente a secagem condutiva por agitação. Em relação ao secador de tambor, a alimentação de lodo de esgoto é aplicada numa película fina (1mm) para a superfície de um cilindro oco rotativo, aquecido internamente. O tambor rotativo possui termômetros para medir a temperatura, e a temperatura da superfície do tambor onde a camada de lodo é exposta durante a fase de evaporação é relativamente elevada (112 a 137ºC). Logo, os tempos

de secagem são consideravelmente curtos (entre 10 e 60s). A Figura 3.26 ilustra esta tecnologia de secagem térmica por aquecimento em tambor.

Figura 3.25 – Esquema representativo de um secador térmico de aquecimento: secagem condutiva por agitação. Notas de tradução: Gas sweeping: entrada de gás; System of agitation: sistema de agitação; Thermocouples:

termômetros; Heating resistance: resistência de aquecimento; Balance: balança; Exhaust: escape/saída. Fonte: Romdhana et al. (2009).

Figura 3.26 – Esquema representativo de um secador térmico de aquecimento: secagem em tambor. Notas de tradução: Roller: rolador; Feeding: alimentação; Heating resistance: resistência de aquecimento; Thermocouple: termômetros; Rotating drum: tambor rotativo; Sludge layer: camada de lodo; Scraper: raspador.

Fonte: Romdhana et al. (2009).

Micro-ondas

Comparado com métodos convencionais, a secagem por micro-ondas é considerada eficiente, principalmente no que se refere ao tempo de secagem, que é mais curto. Existem vários estudos realizados usando micro-ondas em alimentos, culturas, madeira, fármacos e plantas medicinais, além de comparação entre métodos convencionais e por micro-ondas. Apesar das vantagens, a secagem por micro-ondas não era comumente aplicada para lodo de

esgoto. Alguns estudos foram realizados para especificar as vantagens da utilização de micro- ondas para secar lodo de esgotos, comparando os resultados com, por exemplo, secagem por convecção de ar. As conclusões foram que o tempo de secagem durante a aplicação com micro-ondas foi, pelo menos, dez vezes menor que na secagem por convecção de ar e, em relação à eficiência energética, a secagem por micro-ondas também foi mais eficiente que a secagem por convecção de ar (BENNAMOUN, 2014).

Bennamoun (2014) estudou a difusão da umidade durante a secagem de lodo de esgoto por micro-ondas e, dentre suas conclusões, apontou que, analisando o perfil de temperatura, foi possível distinguir três fases principais durante a secagem por micro-ondas. A primeira é a fase de adaptação, que é curta, é caracterizada por um rápido aumento da temperatura do lodo, e o efeito das condições de secagem aplicadas nesta fase não é aparente. A segunda fase possui taxa de secagem constante caracterizada por uma temperatura constante, e o efeito das condições de secagem nesta fase é notável, sendo mais intenso se o período de aplicação desta fase for estendido. Durante a terceira fase, a energia serve para evaporação da água do lodo e também para aumentar a sua temperatura. Neste processo as amostras mostraram diminuição de volume na ordem de 40%, quando comparado às condições iniciais. O estudo mostrou que os valores dos coeficientes de difusão foram mais influenciados pelos níveis de potência de micro-ondas, seguidos da espessura inicial e da massa inicial.

Jinping et al. (2015) classificam as três fases de secagem de lodo por micro-ondas como fase de aumento, fase de velocidade, e fase de queda de velocidade. Quando o teor de umidade do lodo é superior a 50% durante a secagem por micro-ondas, a taxa de secagem diminui com o aumento da espessura do lodo. Já quando a umidade é inferior a 50%, a taxa de secagem aumenta com o aumento da espessura do lodo. A secagem por micro-ondas pode melhorar muito o deslocamento da água durante o processo.

Fritura

O princípio básico deste método consiste no rápido escape da umidade do lodo através de seus poros para o meio de óleo, conduzida pelo forte gradiente de pressão formado entre os meios de lodo e de óleo. Este gradiente de pressão benéfico para transferência de umidade pode ser consequência da combinação sutil da diferença de propriedades físicas de calor específico e temperatura de ebulição entre água e óleo (SHIN et al., 2011).

Silva, Rudolph e Taranto (2005) aplicaram o processo de fritura de lodo de esgoto por imersão com o objetivo de verificar a secagem do resíduo. Durante a fritura foram obtidas curvas típicas de secagem e se verificou que em relação aos parâmetros temperatura do óleo, tipo de óleo, e forma da amostra; o fator forma da amostra foi o de maior efeito na taxa de secagem, de acordo com as condições estudadas. Dentre as conclusões do estudo, apontaram que a água foi removida rapidamente do lodo, assim como o óleo ficou aderido a ele. A aderência do óleo aumentou o poder calorífico do lodo, tornando o lodo de esgoto frito mais atrativo para geração de energia por incineração.

Shin et al. (2011), para determinar as características físicas desta tecnologia de secagem, realizaram uma série de experimentos em que foram variados parâmetros importantes, tais como temperatura de aquecimento do óleo, tempo de secagem, tipo de óleo, e tamanho do lodo. De acordo com os resultados obtidos, o tempo ótimo de secagem para o lodo depende da temperatura de aquecimento. Quando se utilizou óleo de cozinha residual como meio de aquecimento, o decréscimo no teor de umidade do lodo ocorreu rapidamente nos primeiros 10 minutos, e se reduziu para 5% ou menos após 14 minutos, independentemente da temperatura de aquecimento. Verificaram que a perda de umidade do lodo é bastante sensível à temperatura de aquecimento, ou seja, a eficiência da perda ou escape de água do lodo é muito maior a 140ºC do que a 120ºC, não ocorrendo diferenças significativas em temperaturas acima de 140ºC. A utilização de óleo de motor usado no processo demonstrou maior tempo para a secagem do lodo, possivelmente, devido à maior

viscosidade do óleo de motor em relação ao óleo de cozinha residual. Em relação ao tamanho da partícula, verificaram que o aumento do tamanho da partícula desfavorece a perda de umidade.

Por fim, salienta-se que este método demanda estudos complementares para se afirmar sobre a viabilidade de aplicação em escala real.

Com o objetivo de se trazer algumas considerações de maneira resumida e comparativa em relação à etapa de secagem de lodo de esgoto, apresenta-se o Quadro 3.3, elaborado por Bennamoun et al. (2013).

Quadro 3.3 – Vantagens e desvantagens de alguns métodos de secagem de lodo de ETE.

Tecnologia Vantagens Desvantagens Consumo específico de energia _(kWh.t-1₎ Taxa específica de _{secagem (kg.m}-2_.h-1₎

Secagem convectiva

(Convective drying)

- Projeto permitindo fácil manipulação

- Produto seco utilizado na agricultura - Tempo de secagem relativamente longo - Maus odores - Emissões gasosas - Secador de correia: 700 a 1140 - Secador de tambor: 900 a 1100 - secador de flash: 1200 a 1400 - Secador de correia: 5 a 30 - Secador de tambor: 3 a 8 - secador de flash: 0,2 a 1 Secagem condutiva (Conductive drying)

- Nenhuma poluição do meio de transporte de calor

- Confinamento de vapor e odor - Baixa concentração de compostos orgânicos voláteis (COV) - Redução dos riscos de incêndio e explosão

- Produto seco usado em aplicações industriais

- Tempo de secagem relativamente longo - Fase pegajosa altera performance do secador

- Secador de disco: 855 a 955 - Secador de pás: 800 a 885 - Secador de filme fino: 800 a 900

- Secador de disco: 7 a 12 - Secador de pás: 15 a 20 - Secador de filme fino: 25 a 35

Secagem solar

(Solar drying)

- Uso de energia solar gratuita - Lodo livre de patógenos - Produto seco utilizado na agricultura

- Durante a mesma operação, quantidades importantes são secas

- Depende de condições climáticas - Tempo de secagem relativamente longo - Necessidade de grandes áreas

- 30 a 200 (em alguns casos 1000)

Secagem por fritura

(Frying)

- Curto tempo de secagem - Possibilidade de empregar óleo usado

- Lodo seco usado para incineração - Confinamento de odor

- Nenhuma emissão gasosa - Redução dos riscos de incêndio e explosão

- Altas temperaturas são

necessárias - 888 Secagem por super- aquecimento) (Superheated steam drying) - Sem poeira - Sem emissão volátil - Lodo livre de patógenos - Curto tempo de secagem - Baixo consumo de energia

- Altas temperaturas são necessárias

Fonte: Bennamoun et al. (2013).