Biocarvão de lodo de esgoto como adsorvente de matéria orgânica recalcitrante de lixiviado de aterro sanitário

Orientadora: Profª. Maria Cristina Borba Braga

Coorientador: Dr. Carlos Eduardo Rodrigues Barquilha

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 24/02/2022

Inclui referências: p. 201-221

Resumo: O aumento da abrangência dos sistemas de coleta e tratamento de esgoto tem evidenciado a necessidade de tratamento e disposição final adequadas do lodo gerado. O tratamento térmico por pirólise é uma alternativa, pois promove a valorização deste resíduo via transformação em biocarvão. O biocarvão é um material multifuncional que pode ser utilizado como adsorvente para diversos adsorvatos, inclusive aqueles do lixiviado de aterro sanitário. O lixiviado é uma matriz complexa, altamente poluente, com menor biodegradabilidade à medida que o aterro envelhece, o que torna necessária a aplicação de uma etapa de tratamento físico-químico, como a adsorção. Esta tese teve como objetivo principal avaliar o uso de biocarvão produzido a partir da pirólise do lodo de esgoto na adsorção da matéria orgânica recalcitrante de lixiviado de aterro sanitário. A análise das características físico-químicas e espectroscópicas, por UV-Vis e fluorescência, indicaram que o lixiviado em estudo era velho, com baixa biodegradabilidade e com a presença de matéria orgânica recalcitrante e húmica. Com o auxílio de planejamento experimental, foram produzidos dez tipos de biocarvão, a partir de lodos de esgoto aeróbio e anaeróbio, pirolisados nas temperaturas de 450, 650 e 850 ºC, com tempos de residência de 60, 90 e 120 minutos. A pirólise a 850 ºC resultou nos maiores efeitos sobre o rendimento, área de superfície específica (ASE), volume e tamanho de poros dos biocarvões. O pH, por outro lado, foi mais afetado pelo tipo de lodo utilizado. Os biocarvões 4 e 8, produzidos de lodo aeróbio e anaeróbio, respectivamente, pirolisados a 850 ºC, por 120 e 60 minutos, respectivamente, destacaram-se pela elevada ASE (114,4 m2 g-1 e 104,2 m2 g-1) e melhor desempenho na remoção da matéria orgânica recalcitrante do lixiviado. Assim, estes biocarvões foram submetidos a tratamentos químicos, e a melhor condição foi observada para a lavagem ácida seguida de tratamento com HCl. Nestas condições, para o tratamento do lixiviado, o biocarvão 4 (Bio4T) alcançou remoções de 57 % para a DQO, 82 % para a cor e 76 % para a absorbância em 254 nm. O Bio4T apresentou ASE de 252,3 m2 g-1 e poros visíveis por microscopia eletrônica de varredura. Ensaios de adsorção do Bio4T com solução padrão de ácido húmico e lixiviado determinaram que o tempo para a cinética da adsorção foi de 48 horas e os dados foram mais bem ajustados aos modelos de n-ordem e de Vermeulen. Avaliando as isotermas de adsorção, para o ácido húmico, a capacidade de adsorção (qe) da DQO a 25 ºC, foi de 21,1 mg g-1, enquanto para o lixiviado, o valor de qe alcançou 38,4 mg g-1. O modelo de Freundlich apresentou o melhor ajuste para todas as isotermas testadas. Da determinação das características termodinâmicas é possível afirmar que existe afinidade entre o ácido húmico e o biocarvão, e que o processo de adsorção é espontâneo, favorável e endotérmico. Os principais mecanismos propostos para a adsorção são o preenchimento de poros, as interações hidrofóbicas, as ligações por pontes de hidrogênio e as interações pi.

Abstract: The amount of sludge produced in sewage treatment plants is related to the extension of the sewerage network and the efficiency of the treatment system. Thermal treatment has long been considered one of the options to add value to sewage sludge, and pyrolysis has been used over the last decade to transform sewage sludge into biochar. Biochar is a multifunctional product used as an absorbent for a wide range of pollutants, including those found in landfill leachate. This wastewater is a complex matrix, which presents low biodegradability, and is directly related to the age of landfills. Thus, to comply with environmental specifications, a step of physicochemical treatment appears to be adequate and necessary. The main goal of this thesis was to produce and evaluate the use of biochars from sewage sludge thermally treated by pyrolysis as adsorbents of recalcitrant organic matter from landfill leachate. Physicochemical and spectroscopic (UV-Vis and fluorescence) analyses revealed that the leachate was non-biodegradable and contained recalcitrant organic matter and humic compounds, indicating that it was old. An experimental design was devised to optimize the pyrolysis conditions to be evaluated. This design was used as a decision support tool whose results allowed the production of 10 types of biochar from aerobic and anaerobic sludges, which were pyrolyzed at 450, 650, and 850 ºC for 60, 90, and 120 minutes. Results allow to stress that the treatment at 850 ºC exerted stronger effects on yield, specific surface area (SSA), volume, and pore size of biochars. Whereas physical characteristics were influenced by the temperature of pyrolysis, the pH was strongly affected by the type of sludge. Biochars 4 and 8, produced from aerobic and anaerobic sludge, respectively, pyrolyzed at 850 ºC for 120 and 60 minutes, respectively, stood out by their high SSA (114.4 m2 g-1 e 104.2 m2 g-1) and better performance in the removal of recalcitrant organic matter present in the leachate. These biochars underwent chemical treatment, and the best condition was observed for the acidic wash, followed by a treatment with HCl. Under these conditions, the leachate treatment using biochar 4 (Bio4T) as an adsorbent resulted in a 57 % removal of COD, 82 % of color, and 76 % of the absorbance at 254 nm. The SSA obtained for this biochar was 252.3 m2 g-1, with visible pores revealed by scanning electron microscopy. Kinetic results showed that the adsorption time was 48 hours for both the standard solution of humic acid and landfill leachate, and the data best fitted the nth-order and the Vermeulen models. The adsorption isotherms showed that at 25 ºC the adsorption capacity of COD from humic acid was 21.1 mg g-1, whereas from the leachate was 38.4 mg g-1. All adsorption isotherms tested best fitted the Freundlich model. The results of thermodynamic characteristics led to the conclusion that the adsorption of humic acid onto biochar from sewage sludge is spontaneous, favorable, and endothermic. The main mechanisms of this adsorption process are pore filling, hydrophobic interactions, hydrogen bonds, and pi interactions.