PS-GRADUAO EM ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS

CONTRIBUIO PARA O DIMENSIONAMENTO DE LEITOS DE SECAGEM DE LODO

POR

AMILTON SALES DE MELO

CAMPINA GRANDE PB SETEMBRO DE 2006

Amilton Sales de Melo

CONTRIBUIO PARA O DIMENSIONAMENTO DE LEITOS DE SECAGEM DE LODO

Dissertao apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Civil e Ambiental da Universidade Federal de Campina Grande, como requisito para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Civil e Ambiental.

rea de Concentrao: Recursos Hdricos Sub-rea: Engenharia Sanitria e Ambiental

Orientadores: Professor: Adrianus C. van Haandel

Professora: Paula Frassinetti F. Cavalcanti

Campina Grande PB Setembro de 2006

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FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL DA UFCG

M528c 2006

Melo, Amilton Sales de Contribuio para o dimensionamento de leitos de secagem de lodo/ Amilton Sales de Melo. Campina Grande, 2006. 74f.: il. Referncias. Dissertao (Mestrado em Engenharia Civil) Universidade Federal de Campina Grande, Centro de Cincias e Tecnologia. Orientadores: Adrianus C. van Haandel e Paula Frassinetti F. Cavalcanti. 1 Lodo- Leitos de Secagem 2 Desidratao do Lodo 3 Esgoto tratamento 4 Modelagem Matemtica Secagem de Lodo I Ttulo CDU 628.336.4

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AGRADECIMENTOS

A todos que participaram deste trabalho e me apoiaram nos momentos mais difceis para a concluso do mesmo. Especialmente aos orientadores, Professora Paula Frassinetti e Professor Adrianus van Haandel, e ao colega Eudes Alves, os quais foram indispensveis para a realizao e concluso deste trabalho.

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DEDICATRIA

Dedico aos saudosos:

Joaquim Isidoro de Melo (Vov Joaquim) Pedro Clementino de Sales (Pai Pedro)

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RESUMO

Esta dissertao tratou de um estudo realizado sobre leito natural de secagem de lodo, com cargas atpicas, maiores que o recomendado pelas normas brasileiras (15kgSST/m2), tambm se analisou a secagem do lodo pela insuflao ascendente de ar. A pesquisa relacionada secagem natural foi executada com dois tipos de leitos, cobertos e descobertos, sujeitos as condies atmosfricas. A secagem artificial consistiu na insuflao de ar sobre uma camada de lodo, de forma ascendente, em leitos carregados com altura de at um metro de lodo mido, que correspondeu a uma carga de 312kgSST/m2, obtendo-se uma evaporao de 250mm em 45 dias. No seu incio se relata uma brevssima histria da evoluo do destino final dos dejetos humanos, no seu encadeamento se apresenta uma reviso bibliogrfica que consubstanciou os estudos fsicos e atmosfricos abordados, os dados foram coletados no perodo de maro a junho de 2005, na cidade de Campina Grande, onde se media diariamente a massa dgua evaporada ou incorporada nas amostras e a radiao era medida por um radimetro conectado a um micro-computador que fornecia leitura a cada 5 minutos, usando estes materiais e aplicando os mtodos por modelagem matemtica que forneceram os resultados alcanados e as discusses. Em sua concluso foi indicada a carga mais conveniente para secagem natural, em relao s condies climticas do municpio de Campina Grande-PB.

Palavras chaves: Secagem de lodo, leitos de secagem, modelagem matemtica.

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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.

SUMRIORESUMO ABSTRACT 1. INTRODUO 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo geral 2.2 Objetivos especficos 3. REVISO BIBLIOGRFICA 3.1 Esgoto e seu tratamento 3.1.1 Esgoto sanitrio 3.1.2 Tratamento de esgoto 3.1.3 Tratamento anaerbio em reator UASB 3.2 Lodo e seu tratamento 3.2.1 Tratamento de lodos 3.2.2 Leitos de secagem 3.3 Radiao solar 3.4 Calor 3.4.1 Calor especfico e capacidade trmica 3.4.2 Calor sensvel e calor latente 4. MATERIAL E MTODOS 4.1 Descrio dos experimentos 4.1.1 Leitos de secagem natural 4.1.2 Leitos de secagem forada por ar comprimido 5. RESULTADOS E DISCUSSES 5.1 Parmetros meteorolgicos para o ano de 2005 em Campina Grande 5.2 Modelagem matemtica 5.3 Secagem por ar comprimido 6. CONCLUSO REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ANEXOS v vi 1 3 3 3 4 4 5 7 9 11 15 17 19 24 24 25 26 26 27 32 34 53 56 63 67 69 71

1. INTRODUO

Ao longo do tempo, desde que o homem se organizou e se urbanizou, apareceu o problema do destino final dos dejetos humanos. Os ndios da Amrica e os aborgines da Austrlia enterram seus dejetos. Na Roma antiga com a decadncia do Imprio, o sistema de coleta dos esgotos deixou de funcionar e a populao das cidades, em poucos anos, de 500000 habitantes baixou para 20000. Na Cidade do Mxico, ao construrem a rede de esgoto, encontraram antigos coletores de esgotos construdos no tempo dos Astecas, que descarregavam nos canais da antiga cidade. Nas cidades da Europa, aps a Idade Mdia, no combate a peste negra, foram construdos sistemas de coleta de esgotos unitrios, o maior exemplo o sistema de esgoto de Paris. Antigas galerias, construdas em alvenaria pelos padres jesutas, foram encontradas recentemente em So Luiz do Maranho. Nos meados do Sculo XIX foi implantado o primeiro sistema de esgoto separador absoluto, nos Estados Unidos, onde os esgotos domsticos so aduzidos a um local, o destino final dos dejetos humanos estaria resolvido, bastaria fazer o tratamento do mesmo e lanar o efluente tratado numa corrente dgua qualquer, lagos ou no mar. Mas um dos resultados finais do tratamento de esgoto, o lodo, deve receber tratamento e seu destino final problemtico, devido possuir caractersticas indesejveis e ofensivas ao meio ambiente. Antes dos movimentos ecolgicos, este lodo era usado na agricultura em pases da Europa, mas os metais pesados usados nos tratamentos ou do prprio esgoto contaminaram diversas propriedades na Blgica e Frana. Os esgotos domsticos so constitudos por 99,9% de gua e 0,1% de partculas slidas, as quais so removidas em sistema de tratamento de esgoto. Do total dos slidos, 70% aproximadamente so matria orgnica e os 30% restante so matria inorgnica. da parte slida que se origina o lodo, que formado por matria orgnica, mineral e gua, suas caractersticas e composio podem variar muito, dependendo da origem e do processo de tratamento empregado, o qual influi na quantidade produzida deste lodo, uma vez que sua gerao est ligada ao metabolismo das bactrias existentes na matria orgnica e da temperatura ambiente. A secagem natural depende de uma srie de fatores, como a umidade inicial do lodo e fatores climatolgicos, tais como radiao solar, temperatura do ar, umidade relativa do

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ar, e precipitao, os quais foram fornecidos pelo Departamento de Cincias Atmosfricas da Universidade Federal de Campina Grande DCA/UFCG, para o ano de 2005 na cidade de Campina Grande. Inicialmente, para concatenar este trabalho, aps a explicitao dos OBJETIVOS apresenta-se uma REVISO BIBLIOGRFICA, onde so abordados contedos sobre: esgoto e seu tratamento, lodo e seu tratamento, dando enfoque ao tratamento anaerbio tipo UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket que se traduz por digestor anaerbio de fluxo ascendente de manta de lodo. Faz referncia tambm a estudos de alguns fatores climatolgicos, os quais foram utilizados para determinao de parmetros importantes e essenciais, como a energia envolvida no processo de evaporao. Em seguida MATERIAL E MTODOS discrimina o material utilizado na pesquisa e a metodologia aplicada, tanto na descrio dos experimentos como para aquisio dos dados, que consubstanciaram o desenvolvimento do trabalho. RESULTADOS E DISCUSSES apresentam os resultados obtidos, os quais so realados por grficos, tabelas e equaes, desenvolvidas por modelagem matemtica. Na CONCLUSO decide-se pela melhor produtividade para secagem natural de lodo, em funo da radiao solar e da umidade inicial do lodo, para conseguir a umidade final desejada. Encontrando-se ANEXO a radiao solar mdia diria ao longo do ano de 2005 em Campina Grande-PB. Esta dissertao, denominada CONTRIBUIO 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 evaporao e perfil da perda de umidade do lodo para carregamentos distintos em leitos cobertos e descobertos, expostos as condies atmosfricas. Estuda-se a secagem artificial atravs da passagem de ar sobre diferentes cargas de lodo. Sendo analisada tambm a influncia de precipitaes sobre os leitos de secagem. Propem-se uma modelagem matemtica para o processo de secagem natural de lodo, utilizando nos experimentos lodo j percolado, ou seja, com umidade inicial inferior a 80%, associando a perda de gua do lodo com a radiao solar.

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2. OBJETIVOS

Este trabalho teve como objetivo o aprofundamento dos conhecimentos sobre o processo de evaporao de gua de lodo, disposto em leitos de secagem, determinando a parcela da energia solar envolvida no processo natural secagem do lodo, e da capacidade de remoo de gua, ocasionado pela passagem de ar ascendente por uma camada de lodo.

2.1 OBJETIVO GERAL Estudar o processo de secagem de lodo anaerbio, proveniente de reator UASB, atravs de dois processos: evaporao em leitos de secagem natural e evaporao em leitos de secagem artificial provocada por uma fonte externa de energia, a passagem forada de ar sobre uma camada de lodo. Tendo como finalidade a otimizao do dimensionamento de leitos de secagem.

2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS Acompanhar a perda diria de massa de gua do lodo nos leitos, obtendo com isso a curva de evaporao para esses leitos. Pesquisar fatores climatolgicos que influenciam o processo de secagem, como: radiao solar, umidade relativa do ar, temperatura do ar e precipitaes, em Campina Grande, no ano de 2005. Levantar as curvas de perda da umidade do lodo para cinco cargas de slidos distintas para leitos cobertos e descobertos, expostos s condies atmosfricas. Avaliar a influncia de precipitaes na umidade do lodo, em leitos de secagem, para diferentes cargas e umidades distintas. Analisar a influncia da passagem ascendente de ar sobre uma camada de lodo, de modo a determinar a taxa de evaporao em torres de secagem. Propor uma modelagem matemtica que determina o tempo necessrio para evaporao de uma determinada carga de lodo.

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3. REVISO BIBLIOGRFICA

Estudar o processo de secagem de lodo de esgotos, por meios naturais, ou seja, atravs da exposio do lodo s condies atmosfricas locais, requer inicialmente uma viso acerca da gerao do lodo em estaes de tratamento e da distribuio da radiao solar, fonte primria de energia, que ser aproveitada pelo lodo, no processo de evaporao. O estudo emprico associa o calor emitido pelo Sol e o recebido pela superfcie do lodo exposto, atravs da perda de massa, ocasionada pela evaporao da gua, contida no lodo. O lodo proveniente de estaes de tratamento de esgotos (ETEs) tem umidade elevada (95% 99%); aps a percolao, prxima de 80%. Podendo ser inferior a 10% dependendo das condies atmosfricas da regio aps um determinado perodo. Inicialmente revisar-se-o os aspectos referentes produo e caracterizao de esgotos, algumas formas de tratamento e gerao de lodo. Em seguida, alguns conceitos relacionados radiao solar devido sua importncia no processo de evaporao do lodo. A evaporao da gua contida no lodo ocasiona a perda de umidade, cessando quando o lodo atinge a menor umidade possvel, chamada umidade de equilbrio, que depender da natureza do lodo e das condies climticas da localidade. O tempo necessrio at o fim do processo de secagem depender da quantidade de gua a ser evaporada, ou seja, de uma determinada energia para evaporao, de modo que quanto maior a rea de exposio maior ser essa energia.

3.1 Esgoto e seu tratamento A falta de rede coletora de esgoto um dos maiores problemas que o pas enfrenta atualmente, acarretando numa srie de doenas de veiculao hdrica tais como, a clera, esquistossomose, paralisia infantil dentre outras. Sem rede coletora a populao fica desprotegida de microrganismos patognicos, que incluem vrus, bactrias, protozorios e nematides. A falta de saneamento bsico faz com que vidas sejam dizimadas por esses microrganismos, esta a realidade brasileira. Doenas com malria e tuberculose provocam milhares de mortes todo ano, mostrando que a falta de saneamento bsico pode ser considerada uma das maiores violncias que vem enfrentando o povo brasileiro.

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3.1.1 Esgoto sanitrio O esgoto sanitrio constitudo por guas que foram utilizadas em banheiros, cozinhas, lavanderias, possuindo em sua composio fezes, urina, sabes, e restos de comida dentre outros compostos orgnicos e inorgnicos. Sua composio aproximadamente 99,9% de gua, e 0,1% de slidos, que se compem de protenas, carboidratos, leos e graxas, nutrientes como nitrognio e fsforo, produtos qumicos, defensivos agrcolas como os agrotxicos e alguns metais pesados (Campos et alii., 1999). Do total de slidos encontrados nos esgotos cerca de 30% so de origem inorgnica, como metais, areia e sais e 70% de compostos orgnicos (Mara, 1976). Quanto maior a concentrao do esgoto mais pronunciado ser o odor e a turbidez. A concentrao pode ser definida como fora, dependendo da quantidade de matria orgnica existente no esgoto, o qual pode ser classificado em trs nveis: fraco, mdio, ou forte. Caso a DQO, parmetro utilizado para indicar a presena de matria orgnica, seja inferior a 250mg/l o esgoto classificado como fraco, caso seja superior a 250mg/l e inferior a 1000mg/l considerado mdio, e se for superior a 1000mg/l considerado forte (Metcalf & Eddy, 1991). A Tabela 3.1 classifica os esgotos segundo a quantidade de matria orgnica, segundo os parmetros DQO e DBO5.

Tabela 3.1 Classificao do esgoto domstico em relao matria orgnica (mg/l) Parmetro Classificao DQO (mg/l) Fraco Mdio Forte Fonte: Adaptado de Metcalf & Eddy (1991) As principais caractersticas do esgoto so aquelas que conferem gua residuria, um aspecto indesejvel, do ponto de vista fsico, qumico ou biolgico (van Haandel & Lettinga, 1994). As caractersticas do esgoto podem retratar a realidade de comunidades, que diferem desde hbitos alimentares, produo per capita de esgoto e a concentrao de 250 500 1000 DBO5(mg/l) 110 220 400

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organismos patgenos, que servem como indicadores da qualidade de vida de determinada comunidade. Os slidos do esgoto so classificados de acordo com o tamanho de suas partculas e suas propriedades, podendo ser sedimentveis ou dissolvidos. A Figura 3.1 indica a classificao e as fraes dos slidos que compem o esgoto.Slidos Volteis 50% Slidos Fixos 10% Slidos Volteis 20% Slidos Fixos 20% Slidos Volteis 70%

Slidos Sedimentveis em Suspenso 60% Slidos Totais 100% Slidos Dissolvidos 40%

Slidos Fixos 30%

Figura 3.1 Composio dos slidos nos esgotos (Jordo e Pessoa, 1982). A Tabela 3.2 mostra algumas caractersticas dos esgotos de diferentes bairros, em Campina Grande-PB, sendo o primeiro de classe social menos favorecida que o segundo, percebendo que a concentrao de slidos suspensos totais maior no Pedregal, assim como tambm a matria orgnica indicando talvez um menor consumo de gua, o que acarretaria em uma maior concentrao, tanto de slidos quanto de matria orgnica, ou pela evaporao do esgoto, devido a falta de rede coletora apropriada. Tabela 3.2 Composio de esgoto sanitrio de dois bairros de Campina Grande PARMETRO SST (mg/l) DQO (mg/l) DBO5 (mg/l) Fonte: Adaptado de Bezerra (1998) (1) van Haandel & Lettinga, (1994), (2) Nascimento (1996) e Filho (2000). Pedregal 420 727 369(1)

Bairro

Catol (2) 137 564 91

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Para se determinar a frao slida que sedimentvel do esgoto, ou seja, a parte que pode ser removida por sedimentao nos decantadores primrios (Pessoa e Jordo, 1982) realizado um teste de sedimentabilidade simples, que consta da adio de 1 litro do esgoto em recipiente apropriado (Cone de Imhoff), o qual tem uma graduao que indica a concentrao de slidos que sedimentaram aps o perodo de 1 hora, segundo tcnicas padronizadas pelo Standard Methods (1995). Os slidos distinguem-se de acordo com o tamanho das partculas podendo ser: (a) dissolvido, (b) coloidal e (c) particulado, sendo os slidos em suspenso formados pelas duas ltimas categorias (van Haandel & Lettinga, 1994). 3.1.2 Tratamento de esgoto A construo de coletores permite o transporte dos despejos perigosos e nocivos da vizinhana das habitaes, mas quando o esgoto no recebe tratamento se torna uma ameaa para o meio ambiente, poluindo assim os mananciais de gua, devendo ser resolvido o problema de seu tratamento e destino, tanto da fase lquida, como da fase slida. O efluente lquido de ETEs deve obedecer limites de lanamentos de alguns parmetros, que depender principalmente da classe do corpo receptor e a conseqncia do lanamento, de modo que cada rio comporta uma determinada carga orgnica. O tratamento do esgoto pode ser realizado atravs de processos fsicos, qumicos ou biolgicos. No tratamento preliminar os processos que predominam so os fsicos, gradeamento e sedimentao. O tratamento primrio visa principalmente a remoo de parte da matria orgnica e dos slidos sedimentveis. O tratamento secundrio remove matria orgnica e eventualmente nutrientes (fsforo e nitrognio), predominando os processos biolgicos. Enquanto que o tratamento tercirio objetiva a remoo de poluentes especficos (usualmente txicos ou compostos no biodegradveis) e nutrientes que no foram removidos no tratamento secundrio. No processo de digesto anaerbia de guas residurias as bactrias so responsveis pela transformao da matria orgnica em compostos mais reduzidos, como o gs metano e o gs carbnico, atravs do catabolismo fermentativo (van Haandel & Lettinga, 1994).

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A Figura 3.2 indica a seqncia das reaes de fermentao da matria orgnica presente em esgotos domsticos e os produtos resultantes em cada etapa da digesto anaerbia.MATERIAL ORGNICO EM SUSPENSO 21 45 34 CIDOS GRAXOS ACIDOGNESE HIDRLISE

AMINOCIDOS, ACARES 20

PRODUTOS INTERMEDIRIOS PROPIONATO, BUTIRATO, ETC 11 35 ACETATO 70 METANO 100% DQO 12 ? 8 23 11 ACETOGNESE

HIDROGNIO 30 METANOGNESE

Figura 3.2 Representao esquemtica da decomposio de lodo atravs da digesto anaerbia (os nmeros referem-se a porcentagens de DQO). Fonte: Gujer e Zenhnder (1983) A hidrlise o processo pelo qual o material orgnico particulado convertido em compostos dissolvidos de menor peso molecular e complexidade, pelo efeito de enzimas extracelulares produzidas pelas bactrias fermentativas hidrolticas (van Haandel & Lettinga, 1994). Podendo ser ainda o processo limitante para a digesto anaerbia. Segundo ORourk (1968) a temperatura do esgoto um fator extremamente importante para que haja um bom desempenho do processo de hidrlise, de modo que temperaturas inferiores a 20 C tornam a taxa de converso da matria orgnica baixa, para todo o processo de digesto anaerbia. A hidrlise um processo lento e normalmente limita a taxa de digesto anaerbia (van Haandel & Marais, 1999) Na acidognese os produtos resultantes da hidrlise so absorvidos pelas bactrias denominadas acidognicas que so excretados como compostos mais simples como: os cidos graxos volteis (AGV), lcoois e cido lctico, e compostos minerais como: gs carbnico (CO2), hidrognio (H2), amnia (NH3) e gs sulfidrico (H2S). Dentre os cidos graxos o actico, o butrico e o propinico so definidos por volteis (Sawyer et alii., 1994).

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A acetognese o processo pelo qual os produtos da acidognese so convertidos em cido actico, hidrognio e dixido de carbono pelo grupo de bactrias denominadas acetognicas (van Haandel & Marais, 1999). Na etapa final da digesto anaerbia, a metanognese, bactrias denominadas metanognicas convertem os produtos da fermentao cida em produtos gasosos estveis que se desprendem da fase lquida: metano (CH4) e dixido de carbono (CO2). As bactrias que utilizam o acetato so chamadas acetoclssicas, e so responsveis por cerca de 70% da produo de metano e as que utilizam hidrognio so chamadas hidrogenotrficas sendo responsveis pelos 30% restantes (van Haandel & Lettinga, 1994). O metano produzido atravs das seguintes reaes catablicas: (a) metanognese acetotrfica: CH3COOH CH4 + CO2 (b) metanognese hidrogenotrfica: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O (3.2) (3.1)

Para que haja um bom funcionamento do sistema, necessrio que a taxa de remoo de cidos volteis atravs da metanognese acompanhe a produo dos mesmos, caso contrrio pode surgir uma situao de instabilidade, ocorrendo uma diminuio do pH, provocando assim o chamado azedamento impedindo assim a gerao do metano, que produzido na faixa de pH entre 6,3 e 7,8, condio necessria ao equilbrio das populaes bacterianas (van Haandel & Lettinga, 1994).

3.1.3 Tratamento Anaerbio em reator UASB O reator UASB foi desenvolvido na dcada de 70 na Holanda, recebendo no Brasil a denominao de DAFA Digestor Anaerbio de Fluxo Ascendente. um sistema moderno de tratamento, provido de separador de fases, que possibilita a remoo do biogs produzido na digesto anaerbia, diferenciando-se pela trajetria do afluente no reator; este se faz de forma ascendente, passando inicialmente por uma camada de lodo, chamada zona de digesto, depois zona de transio e por fim a zona de sedimentao onde descarregado o efluente. A Figura 3.3 mostra a representao desse reator, podendo ser visualizados seus principais dispositivos e as diferentes zonas que o constituem.

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sada do biogs

efluente h h elemento do separador de fases defletor zona de sedimentao

selo hdrico

zona de transio

camada de lodo anaerbio

zona de digesto

afluente

Figura 3.3 Representao esquemtica de um reator tipo UASB Um dos dispositivos caractersticos deste reator o separador de fases, onde o biogs produzido na zona de digesto coletado, sendo a vazo deste gs controlada por um selo hdrico. As bolhas de gases que se formam, sobem verticalmente, encontrando os defletores, que so responsveis pelo seu direcionamento at o separador de fases. Entre os separadores de fases existem defletores, que so responsveis por desviarem o biogs, que tem a presso de sada controlada por selo hdrico (van Haandel & Lettinga, 1994). A eficincia do tratamento depender basicamente da temperatura e do tempo de permanncia hidrulica. Resultados experimentais mostram que para temperaturas superiores a 20 C a eficincia da remoo de matria orgnica em termos de DQO pode ser expressa como: E = 1 - 0,68(Tp)-0,68 (3.3)

onde E representa a eficincia da remoo de DQO, em termos percentuais, em relao ao tempo de permanncia - Tp, expresso em horas. Para tempo de permanncia de 6 horas a remoo de matria orgnica prxima de 80%, mostrando assim alta eficincia, com pequeno tempo de permanncia. No entanto, para temperaturas mais baixas (10 a 18 C), o tempo de permanncia deve ser aumentado

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assumindo valores entre 12 e 14 horas (De Man, 1990, Van Der Last, 1991 apud van Haandel & Lettinga, 1994) Dentre os critrios de dimensionamento de um reator UASB o principal parmetro o tempo de permanncia do lquido, que definir o volume do reator, dependendo da carga hidrulica, da seguinte forma: Vr = Qa . Tp (3.4)

onde, Vr representa o volume do reator (m3), para Qa: vazo afluente (m3/h) e Tp: tempo de permanncia (horas). Outro fator importante a altura do reator, que determinar a rea, conseqentemente a velocidade ascendente do lquido no reator, que no pode exceder 1m/h. Estes reatores possuem altura entre 4 e 6m (van Haandel & Lettinga, 1994). Os formatos bsicos destes reatores so apresentados na Figura 3.4, podendo os mesmos ainda possuir formato circular ou quadrado.

afluente

afluente

afluente

Figura 3.4 Formas bsicas para reatores UASB

3.2 Lodo e seu tratamento O lodo resultante de processos de tratamento de esgotos constitudo basicamente de slidos: materiais orgnicos (slidos volteis) e minerais (slidos fixos), e gua. Suas propriedades e composies dependero do esgoto de origem e da forma pelo qual o mesmo foi tratado. A parte slida deve ainda ser tratada para destinao final em aterros sanitrios ou na agricultura. A gua presente no lodo pode ser dividida em quatro classes distintas, de acordo com a facilidade de separao de fases (van Haandel & Lettinga, 1994):

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1. gua livre. Pode ser removida por gravidade (adensamento, flotao); 2. gua absorvida. Pode ser removida por foras mecnicas ou pelo uso de floculante; 3. gua capilar. Mantm-se adsorvida fase slida por fora capilar, distingue-se da adsorvida pela necessidade de uma fora maior para sua separao; 4. gua celular. parte da fase slida e s pode ser removida atravs de mudana no estado de agregao da gua, atravs de congelamento ou evaporao. A parte slida do lodo pode ser classificada segundo o tamanho e a frao orgnica. Em relao ao tamanho das partculas representada pelos slidos em suspenso e slidos dissolvidos. Em relao matria orgnica, os slidos dividem-se em fixos ou inorgnicos (SF) e slidos volteis ou orgnicos (SV)(Andrioli et al., 2001). A distribuio dos slidos no lodo representada pela Figura 3.5.

Slidos em Suspenso (SS) Slidos totais (ST) Slidos Dissolvidos (SD)

Slidos Volteis (SSV) Slidos Fixos Slidos Volteis (SV)

Slidos Volteis

Slidos Fixos (SF)

Slidos Fixos

Figura 3.5 Distribuio dos slidos do lodo segundo o tamanho e a frao orgnica. Fonte: Andreoli et al.(2001) A relao entre os slidos volteis e os slidos totais indica a frao orgnica dos slidos do lodo, e o nvel de digesto no lodo. A frao voltil do lodo digerido (SV/ST) situa-se entre 0,60 e 0,65, enquanto lodos no digeridos apresentam valores de SV/ST entre 0,75 e 0,80 (Andrioli et al., 2001). A relao entre o teor de slidos secos e a umidade em um lodo se d da seguinte forma: Umidade (%) = 100 Slidos secos (%) (3.3)

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Uma massa de lodo com umidade de 80% possui teor de slidos de 20%. Assim, em cada 100kg de lodo mido, 80kg so de gua e 20kg so de slidos. Quando disposta em uma rea de 1m2, corresponder a uma carga de 20kgSST/m2. Supondo que a massa de slidos no varie durante a evaporao, possvel determinar a umidade do lodo, basta dividir a massa de gua nas amostras de lodo pelo peso total. U = Ma/(Ms+Ma) = (Mt-Ms)/Mt sendo: U: umidade do lodo Mt: massa total de lodo mido (kg) Ma: massa de gua no lodo (kg) Ms: massa dos slidos do lodo (kg) A umidade influi nas propriedades mecnicas do lodo, influenciando no manuseio e na disposio final do mesmo. A relao entre a umidade e as propriedades mecnicas que caracterizam o lodo quanto sua consistncia pode ser vista na Figura 3.6.Umidade do lodo (%) 1 100 95 90 80 60 40 20

(3.4)

0.8

fludo

torta

slido

grnulo

p

Volume relativo (-)

0.6

0.4 0.25 0.2 0.1 0.05 0 20 40 60 80 100

0 Frao de slidos (%)

Figura 3.6 Relao entre o volume de lodo e sua umidade ou frao de slidos. Fonte: van Haandel & Lettinga (1994).

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Na medida em que a percentagem de gua do lodo diminui, o lodo se torna pastoso, perdendo a caracterstica de um fluido, tornando-se uma torta semi-slida, quando a umidade est entre 65% e 75%, obtendo consistncia slida para umidade abaixo de 65% e sendo considerado um slido duro quando a umidade inferior a 40%. Caso a umidade do lodo seja inferior a 15%, o mesmo tende a se desintegrar, formando um p 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 slidos estabilizados em reatores anaerbios podem ser utilizados como fertilizantes na agricultura, podendo ter outro destino final com incinerao, compostagem e aterro sanitrio (van Haandel & Lettinga, 1994). Ao lodo proveniente de estaes de tratamento de esgotos sanitrios que possuem caractersticas benficas ao uso agrcola designado o termo biosslido (Tsutiya, 2001). Segundo a Water Environment Federation WEF (1996) o termo biosslido deve ser utilizado para designar os produtos orgnicos gerados nos tratamentos de esgotos, devidamente estabilizados, que podem ser reutilizados de forma benfica, enquanto o termo lodo dado aos slidos que no foram adequadamente estabilizados, gerando riscos a sua utilizao. Dependendo da composio do esgoto e das condies operacionais (tempo de permanncia hidrulico e temperatura) a produo de lodo num reator UASB tipicamente est na faixa de 0,1 a 0,2kg SST/kgDQO (van Haandel & Lettinga), enquanto em sistemas de lodo ativado a concentrao tpica de 50g por dia por habitante. Na Tabela 3.3 encontram-se valores de produo de lodo segundo o processo de tratamento. Tabela 3.3 Produo de lodo em ETEs PROCESSO DE TRATAMENTO Lodo ativado convencional Reator UASB Lagoa aerada Filtro biolgico Lodo ativado sem digesto Fonte: Adaptado de Alm Sobrinho (2001) PRODUO DE LODO (gSST/hab.dia) 35 40 15 20 15 25 35 40 65 70

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A produo de lodo em ETEs pode tambm ser estimada por sua concentrao, que depender do processo de tratamento. A Tabela 3.4 apresenta a densidade e a concentrao de slidos no lodo para variados processos de tratamento. Tabela 3.4 Produo tpica de lodo para vrios processos de tratamento PROCESSO DE TRATAMENTO Decantao primria Lodo ativado Filtro biolgico Aerao prolongada Lagoa aerada DENSIDADE DO LODO 1,02 1,005 1,025 1,015 1,01 SLIDOS SECOS (kg/m3) FAIXA 0,106 0,165 0,070 0,094 0,060 0,094 0,082 0,118 0,082 0,118 VALOR TPICO 0,147 0,082 0,070 0,094 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 patgenos que podem ser encontrados no lodo so representados nos cinco grupos: (a) helmintos, (b) protozorios, (c) fungos, (d) vrus e (e) bactrias (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 doenas causadas no homem PARASITO Ascaris lumbricoides Ancylostoma duodenale Taenia solium Taenia saginata Entamoeba histolytica Giardia lamblia PRINCIPAIS SINTOMAS Distrbios digestivos, vmitos e dor abdominal Anemia, emagrecimento Distrbios digestivos e nervosos, irritao, dor abdominal,anorexia e emagrecimento Distrbios digestivos, insnia, anorexia, dor abdominal e emagrecimento Enterite aguda Diarria, perda de peso

Fonte: Adaptado de Thomaz-Socool et alii. (2000)

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O tratamento do lodo to importante como o tratamento do esgoto, tendo em vista a presena de microrganismos patgenos. A Dose Infectiva Mnima DMI para ovos de helmintos e cistos de protozorios, segundo a OMS (1989) de apenas um ovo ou cisto. Dentre os vrus encontrados em esgotos domsticos a Tabela 3.6 lista os principais e as doenas causadas pelos mesmos. Tabela 3.6 Principais vrus entricos encontrados no lodo de origem domstica Vrus entrico Vrus da hepatite A e E Rotavirus Enterovirus Poliovirus Coxsackievirus Astrovirus Reovirus Doenas Hepatite infecciosa Gastroenterite Meningite, encefalite, doenas respiratrias Poliomielite Meningite, pneumonia Meningite, paralisia Gastroenterite, infeces respiratrias

Fonte: ADEME (1998) citado por Andreoli et al. (2001)

A incidncia de raios solares contribui para diminuir o tempo de sobrevivncia dos parasitos (Andreoli et al., 2001). Com a diminuio da umidade do lodo, diminui tambm a possibilidade de vida de alguns microrganismos de veiculao hdrica, que tm na gua seu meio de locomoo e reproduo. Alguns mtodos de tratamento de lodo so indicados na Figura 3.7, com as possibilidades de frao de slidos e disposio final do lodo, segundo van Haandel & Lettinga (1994).MTODO Disperso direta Secagem natural Leitos de secagem Centrfuga Secagem artificial Filtro a vcuo Filtro prensa FRAO DE SLIDOS 5-10% 30-90% 15-25% 15-25% 20-50% DISPOSIO FINAL Uso na agricultura Fertilizante slido Co-compostagem com resduos slidos Secagem trmica e incinerao aterro

Figura 3.7 Alguns mtodos para o tratamento e disposio de lodo

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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 caractersticas climticas, 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 d uma ligeira declividade para os drenos que so tubos perfurados com dimetro de 150mm. A distino e a disposio dos materiais utilizadas na construo de leitos de secagem de lodo podem ser vistas na Figura 3.8.

Figura 3.8 Seo de um leito de secagem de lodo A parte superior, denominada camada suporte constituda por uma camada de tijolos, apoiada na soleira drenante do leito, que tem em sua parte inferior um sistema de drenagem (Franci,1999). A disposio dos tijolos constituintes da camada suporte pode ser realizada de duas maneiras, conforme Figura3.9. A distncia entre os tijolos de 2 a 3 cm.

Figura 3.9 Detalhe da posio dos tijolos que compem a camada suporte (Franci, 1999)

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Os leitos de secagem requerem rea elevada, sendo indicados para ETEs que tratem uma populao equivalente de 20000 habitantes (Andreoli et al., 2001). A secagem depender da taxa de evaporao que, por sua vez, depende de vrios 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 compe de quatro perodos seqenciais diferentes: 1. T1 : tempo para preparao do leito e descarga do lodo; 2. T2 : tempo de percolao; 3. T3 : tempo de evaporao para se atingir a umidade desejada e; 4. T4 : tempo de remoo dos slidos secos. Os perodos para preparao do leito e remoo dos slidos (T1 e T4) so limitados pelo nmero de trabalhadores e disponibilidade de equipamento mecanizado. J os perodos T2 e T3 so determinadas pelas condies operacionais durante a secagem, condies metereolgicas e carga aplicada (van Haandel & Lettinga, 1994). Dados experimentais comprovaram uma relao quadrtica entre o tempo de percolao e cargas na faixa de 15 a 50 kg SST/m2 podendo ser expressa como: T2 = (CS2/ 420) + 0,5 (15kgSST/m2 < C S < 50kgSST/m2) (3.5)

onde Cs a carga de slidos aplicada em kgSST/m2 e T2 o tempo de percolao em dias. A produtividade de leitos de secagem o principal parmetro utilizado no dimensionamento de leitos de secagem, de modo que o tempo total de um ciclo Tt determinado como sendo a razo entre a massa de lodo seco e a produtividade. PLS = CS / Tt (3.6)

onde Tt o tempo total em dias para secar uma massa de lodo, CS a carga de lodo seco (kgSST/m2) PLS a produtividade do leito (kgSST/m2.dia). O leito de secagem pode ser descoberto ou coberto, podendo a cobertura ser constituda por vidro, ou plstico, que servem para proteger o lodo da ao da chuva e, dependendo da configurao, a cobertura pode auxiliar na higienizao do lodo, ocasionado por elevao da temperatura. Porm, isto s ocorrer aps a evaporao, devido liberao da energia de vaporizao que ocasiona num resfriamento na massa de lodo.

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3.3 Radiao Solar a energia proveniente do Sol, que chega at a Terra na forma de ondas eletromagnticas. Sua propagao ocorre tanto no vcuo quanto na atmosfera, com velocidade de propagao de 299.300 km por segundo (Ayoade, 1983). Esta energia esta relacionada a uma freqncia que se relaciona com o comprimento de onda e com a velocidade de propagao, da seguinte forma: V = .f (3.6)

onde, V a velocidade de propagao da onda (m/s), o comprimento de onda (m) e f a frequncia em Hertz (Hz). A energia de um fton da radiao eletromagntica caracteriza a radiao, e expressa como: E=h.f onde: E : energia de um fton da radiao (J); h : constante de Planck (6,6262 x 10-34 J.s) A radiao solar um conjunto de radiaes eletromagnticas, que se apresentam na maioria como ondas de comprimentos entre 0,3 e 4 micrometros, sendo ento chamada de radiao de onda curta. A Tabela 3.7 a seguir indica o comprimento de onda para a radiao solar. (3.7)

Tabela 3.7 Espectro eletromagntico da radiao solar Radiao Radiao ultravioleta Luz visvel Radiao infravermelha Comprimento de onda (m) 0,001 a 0,39 0,39 a 0,77 0,77 a 1000

O espectro da radiao solar se assemelha ao de um corpo negro temperatura aproximada de 6000oK. Entende-se por corpo negro aquele que absorve totalmente a radiao eletromagntica de todos os comprimentos de onda que incidam sobre ele.

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Segundo a Lei Stefan-Boltzmann pode se determinar a energia total emitida por um corpo negro como sendo: E = . T4 onde: E : energia total emitida (cal/cm2.min); : constante de Stefan-Boltzmann (0,827 x 10-10 cal/cm2.min.K4) ; T : temperatura absoluta (K); A energia total emitida por um corpo no negro obtida a partir da equao (3.8), aplicando-lhe um fator , que corresponde a emissividade do corpo: E = . . T4 (3.9) (3.8)

Algumas superfcies se caracterizam pela emissividade da radiao infravermelha. Na Tabela 3.8 encontra-se a emissividade de algumas superfcies. A emissividade do corpo negro 1,0.

Tabela 3.8 Emissividade de algumas superfcies SUPERFCIE gua Neve Fresca Areia seca Areia mida EMISSIVIDADE (%) 92 96 82 99.5 89 90 95

Outra grandeza importante no estudo da radiao atmosfrica a densidade de fluxo de radiao que representa a quantidade de energia radiante que passa atravs de um certo plano na unidade de tempo e de rea, sendo medida em W.m-2. A constante solar a irradincia sobre uma superfcie normal aos raios solares, distncia mdia Terra-Sol, na ausncia da atmosfera. Seu valor estimado corresponde a aproximadamente 1.367 W/m2. A radiao 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 radiao solar diria numa superfcie horizontal no topo da atmosfera. Parte da radiao absorvida por partculas constituintes da atmosfera, como o dixido de carbono e vapor de gua.

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Tabela 3.9 Radiao solar diria em uma superfcie horizontal no topo da atmosfera (MJ/m2.dia), em funo da latitude (). 10N 8N 6N 4N 2N 0 2S 4S 6S 8S 10S 12S 14S 16S 18S 20S 22S 24S 26S 28S 30S 32S 34S 36S 38S 40S Jan 32,7 33,6 34,5 35,4 36,2 37,0 37,7 38,5 39,1 39,8 40,3 40,9 41,4 41,8 42,3 42,6 43,0 43,2 43,5 43,6 43,8 43,9 44,0 44,1 44,0 43,9 Fev 35,3 36,0 36,6 37,2 37,7 38,2 38,7 39,1 39,5 39,8 40,1 40,3 40,5 40,6 40,7 40,8 40,8 40,7 40,6 40,5 40,3 40,0 39,8 39,5 39,1 38,7 Mar 38,7 38,0 38,2 38,4 38,5 38,6 38,7 38,7 38,6 38,5 38,4 38,2 38,0 37,7 37,4 37,0 36,6 36,1 35,7 35,1 34,5 33,9 33,2 32,5 31,7 30,9 Abr 31,8 38,5 38,3 38,1 37,8 37,5 37,1 36,7 36,2 35,7 35,2 34,6 33,9 33,3 32,6 31,9 31,1 30,3 29,4 28,5 27,6 26,6 25,7 24,7 23,7 22,6 Mai 38,2 37,8 37,3 36,7 36,1 35,4 34,8 34,1 33,3 32,5 31,7 30,8 29,9 29,1 28,1 27,1 26,1 25,1 24,0 22,9 21,9 20,7 19,6 18,4 17,3 16,1 Jun Jul Ago 38,2 37,9 37,5 37,2 36,7 36,3 35,8 35,2 34,7 34,0 33,4 32,6 31,9 31,1 30,3 29,5 28,6 27,7 26,8 25,7 24,8 23,8 22,7 21,7 20,6 19,5 Set 37,7 37,8 37,9 37,9 37,9 37,8 37,7 37,5 37,3 37,0 36,7 36,3 35,9 35,5 35,0 34,5 33,9 33,3 32,6 32,0 31,2 30,5 29,6 28,8 28,0 31,4 Out 35,9 36,4 36,9 38,2 37,7 38,0 38,3 38,6 38,8 39,0 39,1 39,1 39,2 39,1 39,0 39,0 38,8 38,6 38,3 38,0 37,7 37,2 36,8 36,4 35,9 35,3 Nov 33,3 34,1 34,9 35,7 36,4 37,2 37,8 38,5 39,0 39,5 40,0 40,5 40,8 41,2 41,5 41,8 42,0 42,1 42,3 42,4 42,4 42,4 42,4 42,3 42,2 42,0 Dez 31,8 36,5 33,7 34,7 35,5 36,4 37,2 38,0 38,8 39,5 40,2 40,8 41,4 41,9 42,4 42,9 43,3 43,7 44,1 44,3 44,6 44,8 45,0 45,1 45,2 45,3

37,7 37,8 37,1 37,2 36,4 36,6 35,7 36,0 34,9 35,3 34,2 34,6 33,4 33,8 32,5 33,1 31,6 32,2 30,7 31,4 29,8 30,5 28,8 29,6 27,8 28,6 26,8 27,7 25,7 26,6 24,7 25,6 23,6 24,6 22,5 23,5 21,4 22,4 20,2 21,3 19,1 20,1 17,9 19,1 16,7 17,9 15,5 16,7 14,4 15,5 13,2 14,4

Fonte: Adaptado de Tubelis (1980)

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A Figura 3.10 mostra a variao da radiao ao longo do ano para latitudes diferentes, podendo ser verificado que os extremos da radiao ocorrem na latitude 40 S.50

Radiao Solar (MJ/m.dia)

40

0030

10 S 20 S

20

30 S 40 S

10 J A S O N D J F M A M J

Figura 3.10 Totais dirios da radiao solar em uma superfcie horizontal no topo da atmosfera O curso da radiao sofre variaes maiores, quanto maior for a latitude. Para as latitudes maiores que 10 seus valores so mximos no solstcio de vero e mnimos no solstcio de inverno, enquanto que para a latitude do Equador ocorrem dois momentos de mxima que se localizam nos equincios (Tubelis, 1980). A energia solar que atravessa a atmosfera e chega superfcie terrestre chamada de radiao global (Vianello, 1991). Esta energia cada vez mais utilizada por indstrias e em projetos agrcolas, visando seu aproveitamento e substituio de fontes no renovveis. Na Tabela 3.10 esto os valores extremos da radiao global de alguns estados brasileiros, e respectivos meses de ocorrncia. Tabela 3.10 Valores mdios mensais extremos da radiao global em algumas localidades LOCAIS RS Estado SP Estado Salvador BA Recife PE MXIMA (MJ/m2.dia) 22,6 21,9 21,5 19,0 JAN DEZ DEZ NOV MNIMA (MJ/m2.dia) 9,18 13,1 11,8 12,7 JUN JUN JUL JUN

Fonte: Adaptado de Tubelis (1980)

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Para a cidade de Campina Grande, segundo o Atlas Climatolgico do Estado da Paraba (1987), a radiao global assume o perfil representado na Figura 3.11.25

Radiao Solar (MJ/m.dia)

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10 J A S O N D J F M A M J

Figura 3.11 Perfil da radiao solar global no municpio de Campina Grande PB importante tambm conhecermos o conceito de albedo, que tem sido definido como coeficiente de reflexo da superfcie para a radiao solar. Se uma frao da radiao global incidente numa superfcie for refletida (Rg) diz-se que o albedo desta superfcie. Encontram-se na Tabela 3.11 os albedos de algumas superfcies, na forma de percentagem. Tabela 3.11 Albedo para alguns tipos de superfcies Item algodo milho feijo tomate gua asfalto alumnio cobre ao Fonte: Adaptado de Vianello (1991) Albedo (%) 20 22 16 23 24 23 5 9 85 74 80

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3.4 Calor O calor uma forma de energia que pode ser transferida de um sistema a outro, independente do transporte de massa e da realizao de trabalho. No sc. XVII, Galileu, Newton e outros filsofos da natureza apoiaram, a teoria dos atomistas gregos da Antiguidade, que consideravam o calor uma manifestao do movimento molecular que escoava de um corpo mais quente para um corpo mais frio. Esta aceitao levou ao desenvolvimento de uma teoria do calor, como a de uma substncia material que escoava. Lavoisier chamou esta substncia de calrico. Benjamin Thomson, atravs de experincias precisas notou que no havia absolutamente nenhuma alterao de massa nos corpos dos quais o calor escoava (Quadros, 1996). Percebendo no haver limite para a extrao de calrico dos corpos, ou seja, um corpo podia ser aquecido vrias vezes, havendo sempre mais calrico para oferecer. Concluiu Thomson que o calrico no era uma substncia material, pois em corpos isolados, no existe substncia material que possa ser extrada sem limite. Em 1840 surge a teoria mecnica do calor. Nesta teoria, o calor energia que se transfere de um corpo para outro em virtude da diferena de temperatura. James Joule (1818-1889) foi quem em precisas experincias, demonstrou a equivalncia entre energia trmica e a energia mecnica (Tipler, 1994). Em homenagem a este cientista, a unidade de energia no SI J (Joule), sendo a caloria uma unidade ainda muito utilizada. Finalmente, pode-se dizer que o calor energia em trnsito, ou seja, uma energia que flui de um corpo a outro devido diferena de temperatura entre eles. Ao estudar como a energia transferida a um objeto, surgem dois novos conceitos: o calor especfico e a capacidade trmica.

3.4.1 Calor Especfico e Capacidade Trmica Define-se a capacidade trmica de um corpo como a quantidade de calor necessria para elevar sua temperatura de um grau Celsius. Quando a massa do corpo unitria, a sua capacidade trmica denominada calor especfico. No caso da gua, o calor especfico a 15C de 1cal.g-1.oC-1, ou seja, necessita-se de uma caloria para elevar a temperatura de um grama dgua de 14,5C para 15,5C.

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3.4.2 Calor Sensvel e Calor Latente O calor sensvel a quantidade de energia necessria para elevar a temperatura de uma determinada substncia, at um limite, dependendo da substncia. O calor sensvel se refere mudana de temperatura. A quantificao do calor para variar a temperatura de um determinado corpo dada por: Q = m c T (3.10)

onde Q representa a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo, m a sua massa e c seu calor especfico, valendo salientar que esta equao representa a quantidade de calor para variar a temperatura em T de um corpo de massa m. O calor latente a quantidade de energia necessria para a mudana de fase de uma quantidade de substncia de uma fase para outra. Os tipos de mudana de fase so fuso, que a transformao de um slido em lquido; a vaporizao, que a mudana de lquido em vapor (como na evaporao da gua); e a sublimao, a mudana de slido em vapor. Para que haja mudana de fase, com uma certa quantidade de substncia, necessria uma certa quantidade de energia trmica. O calor necessrio mudana de fase proporcional massa da substncia. O calor necessrio para evaporar uma determinada massa de uma substncia dado por: Q = m Lv (3.11)

onde Lv o calor latente de vaporizao. Para a gua, na presso de 1atm, o calor latente de vaporizao 2.257 kJ/kg. Por exemplo, a quantidade de energia necessria para evaporar uma massa de 100g de gua ser: Q = 0,100kg x 2.257kJ/kg = 225,7kJ (3.12)

Desta forma a quantificao da energia utilizada para evaporao da gua do lodo, disposto nos leitos de secagem ser feita atravs da equao (3.11), como mostra o exemplo da equao (3.12). certo que haver aquecimento da massa de lodo, no entanto este estudo trata apenas da energia utilizada para evaporao, de modo que a energia utilizada para o aquecimento do lodo ser tambm utilizada para evaporao.

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4. MATERIAL E MTODOS

Neste captulo indicaremos os materiais usados e descreveremos os mtodos aplicados para conseguir os resultados da pesquisa, nos experimentos que ocorreram durante os meses de fevereiro a junho de 2005, realizados no laboratrio da UFCGPROSAB, localizado na Estao Experimental de Tratamentos Biolgicos de Esgotos Sanitrios EXTRABES, situado na avenida Conselheiro Jos Noujaim Habib (Canal do Prado), onde passa um interceptor do sistema de esgotamento sanitrio da cidade de Campina Grande. O esgoto recebe tratamento, tendo como resultado alm do efluente, o lodo. Este passa por um processo de percolao, tendo sua umidade reduzida de cerca de 95 para 80%, assumindo uma consistncia pastosa, e pelo processo de evaporao, tem a umidade reduzida para 74%, sendo esta a umidade inicial do material de estudo utilizado nos dois primeiros experimentos. A pesquisa constituda de cinco experimentos. Nos dois ltimos experimentos a umidade inicial do lodo foi 70%. 4.1 DESCRIO DOS EXPERIMENTOS Os experimentos foram realizados em duas etapas. Na primeira etapa, trs experimentos possibilitaram estudar o comportamento da evaporao do lodo em leitos de secagem natural. No primeiro, simularam-se 5 carregamentos diferentes de lodo em caixas de madeira descobertas; expostas s condies atmosfricas. O segundo foi realizado paralelamente ao primeiro, com as mesmas cargas, em caixas de madeira, porm providas de uma cobertura, constituda por armao metlica e revestida por uma camada plstica, permitindo assim a passagem da radiao solar, e a conveco livre do ar. O terceiro foi realizado para analisar a influncia de precipitaes sucessivas sobre dois carregamentos de lodo, com umidades variando de 45% a 75%. Em ambos os experimentos as caixas possuam um sistema drenante: furos de dimetro 6mm, e uma camada de geotxtil BidimXT4, como camada filtrante, permitindo a passagem da gua resultante das precipitaes. A segunda etapa da pesquisa est dividida em dois experimentos, que visaram estudar a secagem de lodo com auxlio de uma fonte externa de energia, a passagem de ar por uma camada de lodo. Para isso foram realizados na primeira experincia trs carregamentos de lodo em tubos de PVC, branco, dimetro 100mm, protegidos das

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intempries, nos quais se injetavam ares comprimidos de forma ascendente. Na ltima experincia se estudou o efeito da injeo de ar de forma ascendente, em dois tubos com mesmo carregamento, 50cm de lodo com umidade 70%, construdos de PVC, branco, dimetro 100mm, sendo que em um desses tubos o ar afluente aquecido por uma lmpada 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 rea, 0,075m2 (25cm x 30cm), construdas com madeira tipo compensado naval de espessura 1/2, de modo a isolar termicamente o fundo. As paredes laterais, que eram do tipo encaixe, formadas por segmentos de 8cm de altura, que eram removidas quando da diminuio da altura do lodo, diminuindo assim o efeito do sombreamento na massa de lodo. As caixas eram providas de sistema de drenagem, que era constitudo de furos no fundo protegidos por uma camada de Bidim -XT4, que permitia a passagem da gua 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.

25 cm 30 cm 25 cm 30 cm

PLANTA BAIXA PLANTA BAIXA

8 cm

8 cm

8 cm

8 cm geotxtil B idim - XT4 geotxtil B idim - XT4

VISTA FRONTAL

VISTA LATERAL

(a)

(b)

Figura 4.1 Modelo dos leitos utilizados na pesquisa: (a) descobertos e (b) cobertos

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A primeira etapa da pesquisa trata a respeito da evaporao da gua do lodo, em dois tipos de leitos: cobertos e descobertos, expostos s condies atmosfricas. A Tabela 4.1 mostra as massas iniciais de lodo, com umidade inicial de 74%. Dividindo a massa de slidos do lodo pela rea se obtm os carregamentos, que so expressos em kgSST/m2. Por se tratar de cinco cargas distintas, porm, essas cargas se repetem para os dois tipos de leitos, ento 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/m2, respectivamente. Por exemplo, o leito LC III, refere-se ao leito coberto com a carga de 41kgSST/m2. A carga de 68kgSST/m2 foi conseguida com 20kg de lodo com umidade de 74% disposta em 0,075m2, 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/m2) e denominao dos leitos utilizados nos experimentos relacionados a secagem natural. Umidade inicial = 74%. Leito I II III IV V Massa inicial (kg) 6,00 8,00 12,00 16,00 20,00 Carga (kgSST/m2) 21 27 41 55 68 Denominao LD I LD II LD III LD IV LD V LC I LC II LC III LC IV LC V

As caixas aps o carregamento com suas devidas cargas de lodo, ficavam sobrepostas em bancada de madeira a 0,90m do solo, expostas s condies atmosfricas durante o perodo de 17/02 a 22/07 de 2005, totalizando 155 dias de observaes. Sendo pesadas diariamente, com balana digital FILIZOLA com preciso de 5 gramas. Verificando-se, assim, a perda de massa dgua do lodo, ao longo do experimento. A radiao solar incidente era medida atravs de um aparelho chamado radimetro, que fornece os dados da radiao solar incidente na superfcie, em intervalos de 5 minutos, sendo expressa em watts por metro quadrado (W/m2) em formato analgico que so capturados por um PC atravs de um conversor, onde se analisa o perfil da radiao ao longo do experimento, no local da pesquisa, tanto diariamente, quanto mensalmente. A Figura 4.2 mostra o esquema da distribuio dos leitos, sobre a bancada, onde tambm se encontra o radimetro, utilizado na quantificao da energia.

29

RADIMETRO

B

LD I A

LD II

LD III

LD IV

LD V A

LC I PLANTA BAIXA

LCII

LC III B

LC IV

LC V

RADIMETRO

RADIMETRO

LD I

LD II

LD III

LD IV

LD V

LC III

LD III

CORTE AA

CORTE BB

Figura 4.2 Distribuio e denominaes dos leitos expostos s condies atmosfricas Para a medio da radiao solar foi utilizado um radimetro, que conectado ao PC fornecem dados da radiao solar incidente na superfcie, em intervalos de 5 minutos, sendo expressa em watts por metro quadrado (W/m2). Para os dados cedidos pelo DCA/UFCG o intervalo de aquisio dos dados era de 10 minutos. Atravs da radiao emitida, calcula-se a energia solar emitida pela seguinte equao: E = Rg.A.t E: energia solar (J); Rg: radiao solar emitida na superfcie (W/m2); A: rea da projeo horizontal (m2) T: tempo (s) (4.1)

30

Por exemplo, a energia emitida diariamente por metro quadrado numa localidade onde a radiao mdia seja 200W ser 17,28MJ. Na Figura 4.3 pode ser visto o perfil da radiao solar no dia 1 de maro de 2005, no local do experimento, no intervalo de 5h s 18h. Observou-se que a radiao assume valores superiores 200W a partir de 7h e superior a 1000W, prximo ao meio-dia. Observou-se tambm que o a nebulosidade provoca o amortecimento da radiao.

1400 1200 1000

Radiao (W/m2)

800 600 400 200 0 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

Tempo

Figura 4.3 Radiao solar (W/m2) no dia 1 de maro de 2005 das 5h s 18h Foram construdos alm dos grficos que representam a potncia solar mdia diria, grficos que determinam a radiao mdia em intervalos de hora, para os meses de maro junho de 2005, como tambm foram pesquisados fatores climatolgicos referentes ao ano de 2005, como a temperatura do ar, umidade do ar, e precipitaes ocorridas na Estao Meteorolgica Automtica da UFCG Campus I. Esse trabalho associa radiao solar emitida e a umidade do lodo. Quanto maior a radiao maior ser a energia emitida, portanto, menor tempo de exposio. Determinada a energia solar incidente sobre o lodo, e a massa dgua evaporada do mesmo, pode-se calcular a relao entre a energia solar emitida, e a energia utilizada para a mudana de fase da gua no lodo, sabendo que a energia utilizada ser o produto da massa evaporada pelo calor latente de vaporizao da gua (2,257MJ/kg).

31

O terceiro experimento determinou o efeito de precipitaes de 10mm sobre leitos de secagem de lodo. Para tanto foram simuladas duas cargas: 20 e 40 kgSST/m2. Ambas as cargas possuam 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/m2 Carga (kgSST/m2) 20 40 45 45 50 50 55 55 Umidade (%) 60 60 65 65 70 70 75 75

Tal qual os dois primeiros experimentos, os lodos ficaram dispostos sobre bancada de madeira, mas protegidos da radiao 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 slidos, determinou-se massa de lodo mido para as cargas desejadas, esperando que as mesmas alcanassem as massas determinadas para as umidades encontradas na Tabela 4.2. As precipitaes foram simuladas com o auxlio de um regador de jardim, com intensidades controladas. Como os leitos possuam uma rea de 0,075m2 (0,25 x 0,30m) ento para se obter uma altura precipitada de 10mm foram adicionados 750g de gua. Visando determinar a frao retida da gua precipitada para cada leito foi determinada a diferena da massa antes das precipitaes. Foram realizadas trs precipitaes de 10mm, com curta durao, com intervalos de recorrncia de 24 horas, totalizando num perodo de trs dias uma precipitao de 30mm. Para a anlise do efeito provocado foram realizadas pesagens aps a primeira hora da precipitao. O acompanhamento das massas se fez com a mesma balana utilizada nos experimentos anteriores. Com o aumento da massa de lodo mido, uma vez que a massa de lodo seco no sofria variao, pode-se determinar a parcela da precipitao que ficava retida no lodo como a razo entre o aumento da massa do lodo, que correspondia a uma determinada altura de gua, e a altura precipitada.

32

4.1.2 Leitos de secagem forada por ar comprimido Esta etapa da pesquisa foi constituda de duas experincias. A primeira experincia analisou a passagem de ar por uma camada de lodo com umidade de 70%, acomodado em tubos de PVC dimetro 100mm, com uma camada de 3 cm de areia, que tinha por funo distribuir o ar injetado por um nebulizador. Com trajetria ascendente, o ar passava pela camada de areia e posteriormente pela camada de lodo e saindo na extremidade superior por um orifcio de 5mm de dimetro. A remoo da gua do lodo se dava pelo processo de absoro da gua pelo ar, que era determinada pela diferena de massa do lodo em intervalos subseqentes de pesagem. A temperatura e a umidade relativa do ar indicariam a capacidade mxima de absoro da gua pelo ar. Para realizao desta etapa da pesquisa foram simulados trs carregamentos distintos, com alturas iniciais de lodo de 0,25m, 0,50m e 1,0m. A Tabela 4.3 mostra as caractersticas dos leitos, e seus carregamentos. Tabela 4.3 Caracterizao dos leitos de secagem forada LEITOS Altura (cm) rea (cm2) Umidade inicial do lodo (%) Massa do leito (kg) Massa do lodo mido (kg) Carga (kgSST/m2) Vazo do ar (m /dia) Denominao3

I 25 73,9 70 0,855 1,980 81,6 7,62 LT I

II 50 73,9 70 1,020 4,090 168,5 10,8 LT II

III 100 73,9 70 1,550 7,595 312,8 10,8 LT III

Aps devidamente carregados, os leitos ficavam sobrepostos em uma bancada de madeira, protegidos das condies atmosfricas, o ar afluente possua caractersticas ambientes. O acompanhamento da perda de massa era realizado atravs da mesma balana 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 disposio dos leitos encontram-se na Figura 4.4, onde os crculos representam os nebulizadores, e as setas indicam o sentido do fluxo de ar, que atravessa uma camada de lodo.

33

Tubo PVC 100mm

25m

50cm

100cm

lodo

LT I areia (a)

LT II

LT III

(b)

Figura 4.4 Leitos de secagem forada: (a) modelo dos leitos, (b) disposio dos leitos. Para que se possa levantar a curva de evaporao destes leitos, necessrio que haja o acompanhamento da perda de massa. Relaciona-se a taxa de evaporao com a vazo injetada de ar, temperatura e a umidade relativa do ar. A Figura 4.5 mostra a concentrao de gua no ar em relao temperatura sob condies de saturao. Cada metro cbico de ar pode reter at 196g, a 70 C e 588g a 100 C.

Figura 4.5 Concentrao de gua por m3 de ar saturado em funo da temperatura Fonte: Pedroza et alii. (2006)

34

5. RESULTADOS E DISCUSSES

O estudo da distribuio da radiao solar, e seu aproveitamento no processo de secagem natural de lodo estabilizado se fez de modo a conhecer o potencial energtico solar da regio e determinar a parcela da energia efetiva aproveitada no processo de evaporao do lodo. Para tanto se fez necessria uma quantificao da energia cedida ao longo do dia, para os meses de maro a junho de 2005. Conforme so apresentados a seguir.250

200

Radiao Solar (W/m)

150

100

50

0 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

Tempo (dia do ms)

Figura 5.1 Radiao solar mdia 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 potncia solar mdia diria que chega at a superfcie, expressa em watts por metro quadrado (W/m2) no ms de junho de 2005. Resulta da mdia da energia radiada entre as 05h e 17h, que medida atravs de um radimetro, que conectado ao PC gera um arquivo com os dados referentes radiao do instante em que foi requisitado at as ltimas 72 horas, com intervalos entre as leituras de 5 minutos. Apresentando uma radiao mdia para o ms de junho de 130 W/m2, ocorreram dois dias com radiao superior a 200W/m2, e o dia 23 chegou apenas a 61 W/m2, o que caracteriza um dia nublado de inverno.

35

A Figura 5.2 mostra os valores mdios da radiao em intervalos de hora, para o mesmo perodo apresentado anteriormente. A radiao mdia mxima ocorre entre 11h e 12h assumindo um valor de 489 W/m2, sendo que a mdia instantnea mxima 557W/m2 ocorreu s 11h10 e a mnima de 405W/m2 s 11h45.600 489 442 Radiao Solar (W/m) 400 314 300 207 200 154 79 46 13 0 05 s 06 06 s 07 07 s 08 08 s 09 09 s 10 10 s 11 11 s 12 12 s 13 13 s 14 14 s 15 15 s 16 16 s 17 389 366 291 445

500

100

Figura 5.2 Distribuio horria da potncia solar (W/m2) em junho de 2005. A radiao mxima, geralmente ocorre prximo do meio dia. A Figura 5.3 mostra o perfil de um dia, representando mdia instantnea da radiao solar nos dias pesquisados em junho. Com uma radiao mdia que fornece uma energia de 11,25MJ/m2, junho foi o ms que apresentou a menor radiao para o perodo em estudo. Como conseqncia da baixa radiao, ocasionada pela nebulosidade, de se esperar que a produtividade de secagem em junho seja inferior aos outros meses, haja vista que a evaporao depende principalmente da energia recebida pela superfcie de lodo; como a emisso da energia menor, logo a recepo desta energia, que indica quanto de gua evapora tambm ser, promovendo assim uma baixa evaporao. Evitar a descarga nesse perodo seria a melhor opo, devido no s a baixa radiao, como a ocorrncia de chuvas nesse ms ser superior aos demais.

36

600

500

Radiao Solar (W/m)

400

300

200

100

0 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

Figura 5.3 Potncia solar instantnea mdia (W/m2) no ms de junho de 2005.

Os pontos da Figura 5.3 representam a mdia da potncia solar ao longo do dia, para os dias pesquisados no ms de junho de 2005, indicados na Figura 5.1, sendo o intervalo entre as leituras de 5 minutos. As quedas da radiao entre 9h e 14h, indicam a passagem de nuvens, o que dificultando a passagem dos raios solares, ocasionando uma diminuio da radiao, no entanto, valores superiores a 300W/m2 foram encontrados neste intervalo. Radiaes superiores a 200W so encontradas a partir das 7h30 at s 15h, passando por um mximo prximo de 500W entre 11h e 12h. Maro foi o ms que apresentou maior radiao, sendo o dia 1 de maro o que ocorreu o maior fornecimento de energia solar, sendo mdia mxima para esse intervalo de 887W/m2 s 10h50, e a mnima de 682W/m2 s 10h. Valores de 200W podem ser encontrados s 07h, enquanto que em junho essa radiao s ocorrer aps as 7h30. A Figura 5.4 mostra a distribuio da radiao solar para o ms de maro, podendo ser verificado que a radiao mxima de 773W/m2 ocorreu entre 10h e 11h. Radiaes de 300W/m2 podem ser encontradas facilmente entre as 7h e 16h.

37

900 800 Radiao Solar (W/m) 700 600 500 400 308 300 200 100 0 05 s 06 06 s 07 07 s 08 08 s 09 09 s 10 10 s 11 11 s 12 12 s 13 13 s 14 14 s 15 15 s 16 16 s 17 27 126 298 134 498 488 679 645 773 745 757

Figura 5.4 Distribuio horria da potncia solar (W/m2) em maro de 2005 Com uma radiao mdia de 236W/m2, apresentando sob condies de cu limpo, valores superiores a 1000W/m2, chegando at 1258W/m2 no dia 05 s 11h40. A Figura 5.5 mostra que a radiao mxima de 310W/m2, que corresponde a uma energia de 26,80MJ/m2, aconteceu no dia 1, e a mnima de 131W/m2 no dia 26.350 300 Radiao Solar (W/m) 250 200 150 100 50 0 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 Tempo (dia do ms)

Figura 5.5 Potncia solar diria em maro de 2005 em Campina Grande PB.

38

Visando uma comparao entre radiaes emitidas no perodo em estudo, foi construdo um grfico de disperso com os valores mdios das radiaes instantneas, como mostra a Figura 5.6, percebendo-se que a radiao assume um aspecto decrescente de maro a junho.1000 900 800 Radiao Solar (W/m) 700 600 500 400 300 200 100 0 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 maro de 2005 Tempo (Hora) abril de 2005 maio de 2005 junho de 2005

Figura 5.6 Grfico de disperso da radiao solar instantnea mdia de maro a junho de 2005 em Campina Grande - PB H uma superioridade em termos energticos do ms de maro em relao aos outros meses, destacando-se em relao a junho, com uma potncia 81% maior. A energia emitida em 20 dias no ms de junho em mdia corresponde energia emitida em 11 dias em maro, 13 dias em abril, e 15 dias em maio. A radiao chega a valores de 900W/m2 em maro, prximo de 11h, caindo para 800W/m2 prximo de 12h, diferena essa causada pela ocorrncia de nuvens. Enquanto em junho chega 550W/m2, prximo das 11h. Para o ms de abril a mxima ocorreu s 12h15 com uma mdia de 858W/m2, sendo o perodo com maior radiao de 10h s 11h com uma mdia de 773W/m2. Em maio a radiao mdia de 594W/m2 aconteceu entre 11h e 12h, sendo o seu valor mximo 701W/m2 ocorrido s 11h35. Como a durao do dia no vero maior que no inverno, era de se esperar que a radiao s 17h fosse maior em maro e decrescesse at junho, como realmente ocorreu.

39

A radiao dos meses de abril e maio est indicada na Figura 5.7, apresentando mximos de 298W/m2 (11 de abril), 246W/m2 (02 de maio), e mnimos de 122W/m2 (09 de abril), 111W/m2 (19 de maio).350 300 Radiao Solar (W/m) 250 200 150 100 50 0 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 Tempo (dia do ms) abril de 2005 maio de 2005

Figura 5.7 Potncia solar diria em abril e maio de 2005 em Campina Grande PB Para facilitar a compreenso cerca da distribuio horria da radiao ao longo do dia, para os meses estudados, construiu-se um grfico mostrando a radiao em intervalos de 1 hora a partir das 05h at s 17h, como mostra a Figura 5.8, concluindo que a energia emitida nos meses de maro, abril e maio, no intervalo das 09h s 10h superior a emitida no ms de junho entre 11h e 12h. Sendo observado ainda que a radiao solar emitida no perodo de 08h s 09h no ms de maro foi superior a emitida em junho entre 11h e 12h. Ao contrrio dos outros meses a radiao solar mxima que chega a superfcie em maro mxima entre 10h e 11h. Isso ocorre devido presena de nuvens entre 11h e 12h, tornando a aumentar entre 12h e 13h, mostrando assim a ocorrncia de nuvens no intervalo que antecede o meio-dia.

40

800 700 600 R ad iao (W /m ) 500 400 300 200 100 0 0 5 s 0 6 0 6 s 0 7 0 7 s 0 8 0 8 s 0 9 0 9 s 1 0 1 0 s 1 1 1 1 s 1 2 1 2 s 1 3 1 3 s 1 4 1 4 s 1 5 1 5 s 1 6 1 6 s 1 7

m aro

ab ril

m aio

ju n h o

Figura 5.8 Distribuio horria da potncia solar (W/m2) de maro a junho de 2005. No perodo analisado a radiao mdia foi de 186W/m2, sendo maro e abril os meses mais quentes, com radiaes superiores mdia para o mesmo perodo. Abril apresentou uma radiao mdia de 208W/m2, enquanto que no ms de maio a radiao foi de 171W/m2. Conforme indicado na Figura 5.9

250

236 208

200 171 Radiao Solar (W/m) 150 130

100

50

0 maro abril maio junho

Figura 5.9 Radiao solar de maro a junho de 2005 em Campina Grande - PB

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Para o perodo estudado observamos que a radiao tem um carter decrescente com o tempo de forma aparentemente linear, assumindo valores mximos em maro e mnimos em junho, com uma perda mensal de aproximadamente 35W/m2. Como a diferena entre a radiao mdia entre maro e junho foi 106 W/m2 e a radiao mdia foi 189W/m2, aconselhvel utilizar para clculos, a mdia mensal para o tempo de exposio do lodo as condies atmosfricas, devido o tempo necessrio secagem poder ser maior, ou seja, a energia necessria para que o lodo atinja o grau de umidade desejado ser maior, e o mesmo no secar, caso contrrio, com a radiao superior, o lodo secar em um tempo menor que o programado, ocasionando assim uma rea maior que a realmente necessria.

Desidratao do lodo O processo de desaguamento do lodo consiste em separar a parte lquida da parte slida, por percolao, sendo que para no fim do processo, percolao o lodo tem alcanado umidade prxima a 80%. Depois a separao do lquido se dar de forma lenta, sendo a evaporao o processo que far a retirada transporte de gua do lodo para a atmosfera. Visando determinar a parcela da energia solar envolvida diretamente no processo de evaporao, e ainda sabendo que a mesma varia com a umidade do lodo, de modo que quanto mais mido maior ser a evaporao, cessando quando o lodo entrar em sua umidade de equilbrio, que depender das condies atmosfricas, no caso de Campina Grande esse valor chegou a 5%, que corresponde a um teor de slidos de 95%. A primeira parte do estudo se refere perda de massa do lodo em um perodo de 15 dias, de 1 de maro a 16 de maro de 2005, onde a massa de lodo do leito denominado LC V foi reduzida em 4kg, de 16kg para 12kg, num perodo de 15 dias, conforme Figura 5.10. Numa rea de 0,075m2, esta evaporao equivale a uma massa de 53kg/m2, e a uma lmina dgua equivalente de 53mm, com uma taxa de evaporao de 3,6mm/dia. Enquanto o leito denominado LC I, teve sua massa reduzida em 1,2kg num perodo de 11 dias, equivalendo a uma altura de gua evaporada de 15,9 mm, conseqentemente com uma taxa de evaporao de 1,4mm/dia. Na Figura 5.11 se encontram os perfis das massas dos lodos dispostos nos leitos descobertos, para o mesmo perodo.

42

18,00 16,00 14,00 Massa de lodo (kg) 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0 1 2 LC I 3 4 5 LC II 6 7 8 LC III 9 10 11 12 13 14 LC V 15 Tempo (dias) LC IV

Figura 5.11 Acompanhamento da massa de lodo exposto as condies atmosfricas nos leitos cobertos no perodo de 01/03/05 a 16/03/05 em Campina Grande-PB

18,00 16,00 14,00 Massa de lodo (kg) 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0 1 2 LD I 3 4 5 LD II 6 7 8 LD III 9 10 11 12 13 14 15 Tempo (dias) LD IV LD V

Figura 5.11 Acompanhamento da massa de lodo exposto as condies atmosfricas nos leitos descobertos no perodo de 01/03/05 16/03/05 em Campina Grande-PB

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Notamos que a diferena entre a evaporao nos dois tipos de cobertura no significativa, ou seja, a cobertura, por ser transparente no 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 no tem efeito retardador, na secagem do lodo, em perodos 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%), porm cargas diferentes. Nesse perodo o leito LC II atingiu uma umidade de 10%, enquanto que o leito LC I permaneceu com a massa estvel, ou seja, cessou o processo de evaporao, quando atingiu umidade de 6%. Umidade baixa um bom indicador de qualidade higinica do lodo, no entanto em termos econmicos, com uma carga mais elevada, como a aplicada em LC V obtm-se reduo maior da massa, acarretando em diminuio no custo do transporte ao destino final.0,80 0,70 0,60 Umidade do lodo (-) 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tempo (dias) LC I LC II LC III LC IV LC V

Figura 5.12 Grfico de disperso da umidade do lodo para os leitos cobertos no perodo 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 est em equilbrio com a umidade ambiente, a energia solar ser aproveitada apenas na higienizao do lodo.

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O leito coberto com carga de 21kgSST/m2, apresentou uma umidade de equilbrio de 6% no dia 11 de maro, com um perodo total de exposio de 23 dias, com uma produtividade de secagem de 0,9kgSST/m2 para umidade inicial de 74% e final de 6%. Caso a umidade desejada fosse 10%, o leito LC II (27kgSST/m2) obteve esta umidade com 27 dias, correspondendo a uma produtividade de 1kgSST/m2. Os leitos descobertos apresentaram uma maior 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.0,80 0,70 0,60 Umidade do lodo (-) 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tempo (dias) LD I LD II LD III LD IV LD V

Figura 5.13 Grfico de disperso da umidade do lodo para os leitos descobertos no perodo de 01/03/05 16/03/05 em Campina Grande-PB. Os leitos LC I e LDI obtm umidade de 10% em 8 dias e 7 dias, respectivamente. A umidade do lodo no incio do perodo 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% tambm de 7 dias. A evaporao foi medida diariamente, resultando da diferena entre a massa do lodo no instante da pesagem e a massa anterior em cada leito. A massa 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.

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Tabela 5.1 Massa evaporada (kg) diariamente nos leitos cobertos Massa Evaporada (kg) 68 (kg/m) 55 (kg/m) 41 (kg/m) 27 (kg/m) 21 (kg/m) 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 4,030 3,885 3,425 2,225 1,190 Evaporao Total (kg) Data Hora Tabela 5.2 Massa evaporada (kg) diariamente nos leitos descobertos Massa Evaporada (kg) 68 (kg/m) 55 (kg/m) 41 (kg/m) 27 (kg/m) 21 (kg/m) 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 4,250 3,945 3,465 2,275 0,985 Evaporao Total (kg) Data Hora Tempo (d) Tempo (d)

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A Tabela 5.1 e a Tabela 5.2 mostram a massa evaporada diariamente nos leitos cobertos e nos leitos descobertos, respectivamente, durante um perodo de 15 dias, mostrando no haver diferena significativa para os leitos com mesma carga de slidos, isto mostra a eficincia da coberta transparente e sua forma que possibilita a conveco natural. Quanto maior a disponibilidade de gua, umidade do lodo, maior ser a taxa evaporao. Atravs da evaporao diria, e da radiao mdia diria para o perodo de 01 16/03/2005, calculou-se a frao Rn da energia solar utilizada na evaporao para cada leito como sendo a razo entre a energia utilizada para a evaporao e a energia cedida pela radiao solar, de modo que: Energia Utilizada = mEV LV Energia Cedida = Rg A t (5.1) (4.1)

Dividindo a Equao 5.1 pela Equao 4.1 se obtm a Equao 5.2, que determina a frao, ou parcela, da energia cedida, ou radiada pelo Sol, que aproveitada no processo de secagem do lodo, denominada de Rn. Ento: Rn = mEV LV / (Rg A t) (5.2)

Onde Rn: parcela da energia solar emitida que utilizada na evaporao do lodo. mEV: massa evaporada (kg) LV: calor latente de vaporizao da gua (2,257MJ/kg) Rg: radiao global (W/m2) A: rea da seo horizontal (m2) t: tempo (s) Buscando uma correlao entre a parcela da energia solar utilizada no processo de evaporao do lodo, com a umidade do lodo, foi construda a Tabela 5.3, que indica a energia utilizada na evaporao do lodo para os leitos cobertos. Bastando para isso utilizar a Tabela 5.1, na quantificao da energia, segundo a Equao 5.1. A energia cedida pelo Sol mensurada a partir da Equao 5.2, utilizando os dados referentes emisso de energia durante a primeira quinzena do ms de maro de 2005, associando a umidade do lodo, segundo a Figura 5.12. Representando assim a exposio de um total de cinco leitos de cada tipo, com diferentes umidades e cargas, expostos s condies atmosfricas.

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Tabela 5.3 Energia Utilizada (kJ) no processo de evaporao de lodo em leitos cobertos e a Energia Cedida pelo Sol (kJ) Tempo (d) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 LC I 576 418 350 249 283 249 203 169 102 45 45 0 0 0 0 Energia Utilizada (kJ) LC II LC III LC IV 722 745 836 542 599 644 520 576 667 384 486 531 441 565 621 418 588 667 350 565 610 339 531 610 283 486 554 215 418 497 237 508 565 158 158 486 147 678 497 147 441 508 124 395 486 LC V 858 655 689 531 633 678 621 622 576 531 576 520 520 576 520 Energia Cedida (kJ) 1974 1822 1820 1595 1609 1963 1786 1605 1929 1565 1667 1664 1643 1723 1442

O aproveitamento da energia solar ser maior quanto mais mido for o lodo, de modo que ao atingir a umidade de equilbrio, o processo de secagem cessa.0,50 0,45

Parcela da Energia Solar Utilizada na Evaporao (Rn)

0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,00

Rn = 0,5616 . U 2 R = 0,9526

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

Umidade do lodo (-)

Figura 5.14 Parcela da Energia Solar Utilizada na Evaporao do lodo em Leitos Cobertos

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A Figura 5.14 mostra a relao da energia aproveitada para evaporao do lodo em leitos cobertos em funo da umidade do lodo, indicando uma tendncia linear.A partir destes dados chegamos a seguinte equao: Rn = 0,5616 U (5.3)

Com um forte ndice de correlao (R2=0,95) podemos dizer que h uma correlao linear da parcela da energia utilizada no processo de evaporao 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 no haver diferena significativa da perda de umidade em relao ao tipo de leito, para um perodo de estiagem. Desta forma, a Equao 5.3 ser vlida tambm para os leitos descobertos. Como os leitos carregados com 21kgSST/m2 alcanaram 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 radiao solar de se esperar que a parcela da energia utilizada na evaporao do lodo nos leitos descobertos seja um pouco maior.80% 70% Umidade do lodo 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Tempo (dias) 68 (kg/m) CC 55 (kg/m) CC 41 (kg/m) CC 27 (kg/m) CC 21 (kg/m) CC 68 (kg/m) SC 55 (kg/m) SC Umidade do lodo 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Tempo (dias) 41 (kg/m) SC 27 (kg/m) SC 21 (kg/m) SC

(a)

(b)

Figura 5.15 Grfico da dessoro de umidade do lodo para 5 carregamentos distintos e dois tipos de leitos: (a) Cobertos e (b) Descobertos, em um perodo de 28 dias (4 semanas)

Os leitos carregados com 27kgSST/m2 apresentaram uma umidade de 10% em 27 dias, conseqentemente uma produtividade de 1kgSST/m2.dia. J para a umidade de 50% o tempo necessrio foi 10 dias, para o leito descoberto, e 11 dias para o leito coberto, ocasionando respectivamente produtividades de 2,7 e 2,6kgSST/m2.dia, evidenciando que quanto menor a umidade exigida menor ser a produtividade.

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O processo de evaporao cessar quando o lodo se encontrar na umidade de equilbrio, que depender da umidade relativa do ar ambiente, podendo ser visualizado na Figura 5.15 que este valor, para a cidade de Campina Grande-PB, est prximo de 5%. Para uma umidade desejada de 50% o leito com carga de 55kgSST/m2 apresentou uma produtividade de 2,0kgSST/m2.dia. A Tabela 5.4 indica as produtividades obtidas para umidades desejadas de 10, 20, 30, 40, e 50 e 60%, para umidade inicial prxima de 75%, durante um perodo de exposio razovel (28 dias), para os dois tipos de leitos, mostrando que o tipo de cobertura utilizado, no impede a passagem dos raios solares, e nem impede a circulao natural dos ventos. Tabela 5.4 Produtividade da evaporao nos leitos de secagem Carga I II III IV V Umidade Final do lodo (%) 60 2,6 2,7 2,7 2,8 2,8 50 1,9 1,9 2,0 2,0 40 1,6 1,6 1,5 30 1,3 1,4 20 1,2 1,2 10 1,0 1,0 -

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 necessrios aproximadamente 15m2, caso fosse escolhida a carga do leito I seria necessria uma rea de 48m2. Para uma carga de 15 kgSST/m2, apesar do tempo ser menor, seriam necessrios aproximadamente 70m2. 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 freqncia dos descartes seja de 27 dias, a carga mais indicada ser de 27kgSST/m2. Em uma massa de 28ton de lodo com umidade de 75%, a massa de gua contida de 21ton, e a massa de slidos 7ton. Com a reduo para 60% a massa de gua remanescente de 10,5ton, Se a umidade final desejada for 10% essa perda ser de 20,2ton, restando apenas 800kg de gua, remanescendo 7,8ton de lodo, que representa uma reduo de 72% da massa a ser transportada para destino final.

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Uma reduo da umidade do lodo de 75% para 50% representa uma perda de 50% da massa total, ento o custo transporte, que calculado pelar tonelada por quilometro transportado, reduzir tambm em 50%, mostrando assim a vantagem de se secar o lodo antes de transport-lo. Os leitos LC IV e LD IV apresentaram uma produtividade de secagem de 2kgSST/m2.dia para umidade de 50%, alcanando esta umidade em 28 dias. Enquanto os leitos LC II e LD II com uma produtividade de 1,9kgSST/m2.dia alcanaram umidade de 50% em apenas 11 dias. Porm a rea necessria ao carregamento dos leitos com carga de 27kgSST/m2dia 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 gua. Para uma umidade final de 10%, com a carga IV seriam necessrios 182m2, em um tempo de 28 dias. Para a carga do leito I seriam necessrios 477m2 em 11 dias. Sendo a massa evaporada no fim da secagem de 29ton, restando apenas 11ton, implicando em uma reduo de 72,5% no peso a ser transportado.

Evaporao Mdia nos Leitos de Secagem A evaporao nos leitos de secagem determinada pela perda de massa de gua. Para tanto necessrio o acompanhamento da massa de lodo. Determina-se a altura evaporada a partir da diferena de massa num intervalo de tempo. As Figuras 5.16 e 5.17 mostram a altura evaporada equivalente em milmetros para os leitos descobertos e cobertos, respectivamente, em um no perodo experimental que compreende 155 dias. Onde se percebe o efeito das precipitaes, que alteram a curva da evaporao dos leitos de forma a retardar o processo de secagem. O leito LD V absorveu mais de 40mm de gua, enquanto LC V absorveu pouco menos de 30mm, devendo-se isto a ineficincia da cobertura em impedir a passagem da gua 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 permanecer constante.

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200 180 160 Altura Evaporada (mm) 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Tempo (dias) 68 kgSST/m 55 kgSST/m 48 kgSST/m 27 kgSST/m 21 kgSST/m

Figura 5.16 Altura evaporada (mm) para os leitos descobertos

200 180 160 Altura Evaporada (mm) 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Tempo (dias) 68 kgSST/m 55 kgSST/m 48 kgSST/m 27 kgSST/m 21 kgSST/m

Figura 5.17 Altura evaporada (mm) para os leitos cobertos No houve variao significativa da evaporao nos leitos providos de cobertura e os sem cobertura no perodo que compreende as quatro primeiras semanas (perodo de estiagem). Para os primeiros 10 dias do experimento a taxa de evaporao foi praticamente igual, para ambos os tipos de leitos, assumindo um valor de 4mm/dia.

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A influncia da chuva nos leitos de secagem analisada num perodo de 3 dias, onde eram simuladas precipitaes de 10mm em cada dia, totalizando 30mm, utilizando para isto lodo anaerbio proveniente de UASB, em duas cargas distintas. A Figura 5.18 mostra os resultados obtidos para a frao da precipitao que fica retida na camada de lodo.

Figura 5.18 Frao retida da precipitao sobre leitos de secagem Para umidades inferiores a 65% grande parte da precipitao percola, sendo retidas fraes de 12% para os leitos com carga de 20kgSST/m2, e 18% para os leitos com carga de 40kgSST/m2. Quando a umidade se encontra com valores superiores a 65% esta parcela aumentada, ficando retida grande parte, e para umidades acima de 80% no haver percolao devido a massa de lodo se encontrar com forma pastosa, sem a presena das fendas, que so os espaos por onde percola a gua.

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5.1 Parmetros metereolgicos de Campina Grande no ano 2005

importante saber como se comporta no s a radiao como tambm a umidade e a temperatura do ar, e a precipitao, pois estes elementos determinam as condies climatolgicas da regio, e conseqentemente o poder de evaporao, no caso em estudo, do lodo estabilizado em reator UASB. Os dados apresentados a seguir se referem cidade de Campina Grande, no ano de 2005, sendo valores mdios, com intervalos de leitura de 10 minutos, para a radiao global (Rg), a temperatura do ar (Tar), e a umidade relativa do ar (f), e a precipitao como sendo o somatrio para cada ms. J a energia foi calculada pela integrao da radiao, sendo ento convertida para kWh.

Tabela 3.0 Parmetros meteorolgicos de Campina Grande no ano 2005 MESES Janeiro Fevereiro Maro Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Rg (W/mdia) 249 236 249 212 177 137 183 176 230 230 253 243 f (%) 69,81 73,35 73,48 77,34 83,10 88,79 82,30 84,38 76,88 72,46 70,28 72,67 TAR (oC) 25,4 25,3 25,6 24,7 23,4 21,6 21,2 20,9 22,3 23,4 24,3 24,3 Precipitao (mm) 51,20 20,00 100,20 24,70 189,30 211,70 36,20 115,10 9,90 9,50 1,00 13,70 Energia Radiada (MJ/m2dia) 21,51 20,39 21,51 18,32 15,29 11,84 15,81 15,21 19,87 19,87 21,86 21,00 (kWh/m2dia) 5,98 5,66 5,98 5,09 4,25 3,29 4,39 4,22 5,52 5,52 6,07 5,83

O ms que apresentou maior disponibilidade energtica foi novembro com uma radiao mdia 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 mdia da umidade relativa do ar de 69,81%, porm o dia 7 de maro foi o dia que apresentou maior

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temperatura (34C), s 16h, sendo a umidade relativa do ar mnima nesse instante (27,8%), conforme visto na Figura 5.19.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 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 (C)

Figura 5.19 Umidade Relativa do ar, e temperatura do ar no dia 7 de maro de 2005 Para podermos compreender o que ocorre com a umidade no momento da chuva, foi construdo o grfico do dia 2 de maio, que foi o dia com maior precipitao no perodo de 10 minutos, 13,8mm, em um total precipitado no dia de 28,7mm. A Figura 5.20 mostra que a umidade fica bem pr