Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/94989
Title: Studies on urban sewage sludge drying process aided by adjuvants for producing soil amendments
Other Titles: Estudos do processo de secagem de lama de depuração de efluentes urbanos com auxílio de adjuvantes para produção de corretivos de solo
Authors: Gomes, Luciano de Andrade
Orientador: Quina, Margarida Maria João de
Góis, José Carlos Miranda
Keywords: urban sewage sludge; adjuvants; kinetics of drying; agronomic application; circular economy; lamas de depuração urbana; adjuvantes; cinéticas de secagem; aplicação agronômica; economia circular
Issue Date: 26-May-2020
Project: POCI-01-0247- FEDER-033662 
Place of publication or event: Coimbra, Portugal
Abstract: Sewage sludge (SS) formed during the purification of urban effluents in wastewater treatment plants (WWTP) is produced in high quantities in Portugal (around 300 kt year-1 on a dry basis) and in all developed countries. Thus, the management of this waste is expensive due to the high moisture content (greater than 80%), transportation costs, and all the logistics to the final destination. The main constituents of WWTP sludge are water, biomass (microorganisms, including some pathogens), inorganic solids, fats, macronutrients (N, P, K), Ca, Mg, Fe, and minor quantities of potentially toxic metals (PTM) such as Cr, Ni, Cu, Pb, Zn, and Cd. Due to its high organic matter (OM) content and nutrients, its application in the soil is a possible management route. In the context of the circular economy, this thesis aimed to study the isothermal sludge drying process, aided by other industrial residues, with a view to agronomic recovery. The studies involved sludge from anaerobic digestion and various industrial residues (weathered coal fly ash collected in a landfill - CFA; green liquor dregs - GLD; eggshell - ES and rice husk - RH) used as adjuvants. Experimental tests were carried out by drying small cylinders with an initial moisture content of about 80% at different isothermal conditions (70, 85, 100, 115, and 130 ºC). After the initial physical and chemical characterization of several samples of sludge and adjuvants, multiple drying studies were performed. Sludge samples were mixed with different proportions of adjuvants, where the most used dosage was 0.15 g g-1 of SS (wet basis). Initially, the characterization of soil and sludge samples revealed that the concentration of PTM of the soil complies with the lowest constraints in at least 90% of the Portuguese territory. However, if more restrictive limits were adopted (such as those adopted in Sweden), the concentrations of Ni, Zn and Cd would hamper the application of sludge in the soil. The ecological risk assessment showed that the geoaccumulation index (Igeo) for Cd, Cu and Zn corresponds to a moderate to the high pollution level. However, the pollution index (PI) and the potential ecological risk index (PERI) revealed that there is no contamination, and the ecological risk is low for the six metals studied. Drying kinetics demonstrated that different periods could be identified: Period 0 (warm-up), Period I (free water removal) and Period II (interstitial water removal), which represent the heating phase, constant drying period, and non-linear drying period, respectively. The temperature increase led to faster drying. For example, the control sample at 70 °C required about 64 minutes to achieve a moisture ratio (MR) of 0.30, while at 130 °C the same dryness level was reached in approximately 17 minutes. The positive effect of the use of adjuvants on the diffusion coefficient (D_{eff}), for example at 100 ºC in Period I, compared to the control sample, was 1.11; 16 and 19%, for CFA, ES, and RH, respectively. However, GLD decreased the D_{eff} by about 7%. Additionally, the experimental drying data can be well described by the second Fick's Law (Period I) and by the thin-layer model (Period II). Regarding the properties of adjuvants, the acid neutralization capacity of GLD and ES played an important role in increasing the pH of the soil from 6.7 to 7.8 and 8.0, respectively. GLD was the only adjuvant that decreased the pathogenic microorganisms (86%), although it did not improve the drying process. Thus, the studies carried out allowed to identify three decisive parameters in the selection of an adjuvant for the drying process: reduction of pathogenic microorganisms, acid neutralization capacity, and influence on the germination index. Germination study with Lepidium Sativum L. (garden cress) indicated that the sludge mixed with CFA and ES reduces the phytotoxicity effect of the sludge, reduces the acidity and increases the OM content in the soil. The SS:adjuvant mixture reduced the concentration that induces 50% of inhibition - EC50 by 66%, 60% and 80% for CFA, GLD, and ES, respectively, when compared with the effect of the SS without any adjuvant. Additionally, the tests in pots with garden cress revealed that the effect of the sludge with and without the different adjuvants did not present a deleterious effect on the plants. Finally, through a multicriteria approach involving environmental, technical and economic aspects, it was possible to conclude that the sludge drying using GLD at 130 ºC is the best option in terms of adjuvant type and temperature. However, ES at 130 ºC and GLD at 70 ºC can also be considered. Therefore, the incorporation of these residues as SS drying adjuvants can bring environmental and social gains, in addition to promoting the value chain in new routes for waste management, thus closing the loop of these anthropogenic materials in the environment.
As lamas formadas na depuração de efluentes urbanos em Estações de tratamento de águas residuais (ETAR) são produzidas em elevadas quantidades em Portugal (em torno de 300 kt ano-1 em base seca) e em todos os países desenvolvidos. Devido ao elevado teor de humidade (superior a 80%), aos custos de transporte, e a toda a logística até ao destino final, a gestão destes resíduos é por isso dispendiosa. Os principais constituintes da lama de ETAR são a água, biomassa (microrganismos, incluindo alguns agentes patogénicos), sólidos inorgânicos, gorduras, macronutrientes (N, P, K), Ca, Mg, Fe e quantidades menores de metais potencialmente tóxicos (PTM) como por exemplo Cr, Ni, Cu, Pb, Zn e Cd. Devido ao seu elevado teor em matéria orgânica (OM) e nutrientes, a sua utilização no solo tem sido uma via possível para gerir este resíduo. No contexto da economia circular, esta tese teve como objetivo estudar o processo de secagem isotérmica de lama, coadjuvado com outros resíduos industriais, tendo em vista a valorização agronómica. Os estudos envolveram lamas de digestão anaeróbia, bem como diversos resíduos industriais (cinzas de carvão coletadas num aterro – CFA; Dregs de licor verde – GLD; casca de ovo – ES e casca de arroz – RH). Os ensaios foram realizados com recurso à secagem de pequenos cilindros com humidade inicial de aproximadamente 80%, para diferentes condições isotérmicas (70, 85, 100, 115, e 130 ºC). Após uma fase inicial de caracterização física e química de diversas amostras de lamas e dos adjuvantes, foram realizados múltiplos estudos de secagem. As amostras de lamas foram misturadas com diversas taxas de aditivos, sendo a mais utilizada 0,15 g g-1 de lama (base húmida). Inicialmente, o estudo da caracterização das amostras de solo e lama, revelou que a concentração de PTM do solo cumpre as restrições mais baixas em cerca de 90% do território português, e que os limites impostos à lama na legislação portuguesa não foram ultrapassados em nenhuma amostra. No entanto, se fossem adotados limites mais restritivos (como por exemplo os praticados pela Suécia), as concentrações de Ni, Zn e Cd poderiam ser impeditivas para aplicar lama ao solo. A avaliação do risco ecológico mostrou que o índice de geoacumulação (Igeo) para Cd, Cu e Zn corresponde a um nível de poluição moderado a alto. No entanto, o índice de poluição (PI) e o índice potencial de risco ecológico (PERI) revelaram que não há contaminação e o risco ecológico é baixo para os seis metais estudados. A cinética de secagem demonstrou que podem ser identificados diferentes períodos de secagem: Período 0 (warm-up), Período I (free water removal) e Período II (interstitial water removal), os quais representam a fase de aquecimento, período de secagem constante e o período não linear de secagem, respetivamente. O aumento na temperatura levou a uma secagem mais rápida. Por exemplo, a amostra de controlo a 70 °C exigiu cerca de 64 minutos para atingir uma razão de humidade (MR) de 0,30, enquanto que a 130 °C o mesmo nível de secagem foi alcançado em aproximadamente 17 minutos. O efeito positivo do uso dos adjuvantes no coeficiente de difusão (D_{eff}), por exemplo a 100 ºC, no Período I, face à amostra controlo, foi 1,11; 16 e 19 %, para o CFA, ES e RH, respetivamente. Entretanto, o uso de GLD diminuiu o D_{eff}\ em ~ 7%. Também foi possível verificar que os dados experimentais da secagem podem ser bem descritos pelo modelo baseado na segunda Lei de Fick (Período I) e pelo modelo da fina-camada (Período II). Relativamente às propriedades dos adjuvantes, a capacidade de neutralização ácida do GLD e da ES assumiu papel importante no aumento do pH do solo de 6,7 para 7,8 e 8,0, respetivamente. O GLD foi o único adjuvante que influenciou na diminuição dos microrganismos patogénicos (86%), embora não tenha melhorado o processo de secagem. Assim, os estudos realizados permitiram identificar três parâmetros decisivos na escolha de um adjuvante para o processo de secagem: diminuição de microrganismos patogénicos, capacidade de neutralização ácida e influência no índice de germinação. O estudo de germinação com Lepidium Sativum L. (agrião de jardim) indicou que a lama misturada com CFA e com ES reduz o seu efeito fitotóxico e a acidez e aumenta o conteúdo de MO no solo. A mistura lama:adjuvante reduziu a concentração que induz 50% de inibição - EC50 em 66%, 60% e 80% para CFA, GLD e ES, respetivamente, quando comparado com o efeito da lama sem adição de qualquer adjuvante. Adicionalmente, os testes em vasos com agrião de jardim revelaram que a lama com e sem os diferentes adjuvantes não apresenta efeito deletério para as plantas testadas. Finalmente, através de uma abordagem multicritério envolvendo aspetos ambientais, técnicos e económicos, foi possível concluir que a secagem de lama utilizando GLD a 130 ºC é a melhor opção em termos de adjuvante e temperatura. No entanto, ES a 130 ºC e GLD a 70 ºC também podem ser opções consideradas. Assim, a incorporação destes resíduos como adjuvantes de secagem de lamas pode trazer ganhos ambientais e sociais e promover a cadeia de valor, que se traduz em novas rotas de gestão de resíduos, fechando o ciclo destes materiais antropogénicos no ambiente.
Description: Ph.D. Thesis in Environmental Engineering, submitted to the Faculty of Science and Technology of University of Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/94989
Rights: openAccess
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UC - Teses de Doutoramento

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