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Título: Carbonização hidrotérmica para valorização do lodo de esgoto: avaliação do processo e do potencial energético
Título(s) alternativo(s): Hydrothermal carbonization for sewage sludge valorization: evaluation of the process and energy potential
Autor(es): Keiler, Barbara Marques
Orientador(es): Scheufele, Fabiano Bisinella
Palavras-chave: Carbonização
Águas residuais - Estações de eliminação
Reaproveitamento (Sobras, refugos, etc.)
Carbonization
Sewage disposal plants
Recycling (Waste, etc.)
Data do documento: 12-Dez-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Toledo
Citação: KEILER, Barbara Marques. Carbonização hidrotérmica para valorização do lodo de esgoto: avaliação do processo e do potencial energético. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Toledo, 2025.
Resumo: O tratamento do lodo de esgoto (LE) é uma demanda global, exigindo métodos adequados que assegurem a proteção ambiental e a saúde pública. O LE é uma biomassa úmida gerada nas estações de tratamento de esgoto (ETE) em processos aeróbios, anaeróbios ou etapas primárias, dependendo da configuração da unidade. Para sua disposição final, geralmente são necessários processos de desaguamento, como centrifugação e secagem, antes do envio a aterros sanitários — uma etapa que eleva custos e demanda tempo. Nesse contexto, a carbonização hidrotérmica (CHT) surge como uma alternativa promissora, pois viabiliza a conversão termoquímica de biomassas úmidas por utilizar a própria umidade do resíduo como meio reacional e catalisador, resultando em um material carbonáceo sólido denominado hidrochar (HC) e uma fase líquida denominada água de processo (AP). Esses produtos apresentam potencial para aplicações energéticas, melhoria de solo, fertilização e outras finalidades ambientais. Neste cenário, este estudo teve como objetivo avaliar a influência da temperatura, da adição de ácido e da carga de sólidos sobre os parâmetros resposta do processo (pressão, pH final, distribuição de fases) e sobre as propriedades energéticas dos hidrochars obtidos. O lodo foi coletado em uma ETE localizada em Toledo–PR e utilizado como matéria-prima para a CHT. Os experimentos foram conduzidos em reator de alta pressão (0,5 L), variando-se a temperatura (160–240 °C), a adição de 1% de H2SO4 e a carga de sólidos (5–15%). Posteriormente, o lodo e os hidrochars foram caracterizados quanto às suas propriedades físico-químicas e energéticas. Os resultados mostraram que o aumento da temperatura intensificou reações de desidratação e descarboxilação, reduzindo o rendimento mássico em hidrochar (79,8% para 56,2%), o teor de voláteis e as razões H/C e O/C, além de aumentar a aromaticidade e o teor de cinzas. Além disso, temperaturas mais elevadas também diminuíram o poder calorífico (17,31 para 11,77 MJ·kg⁻¹), em virtude especialmente do maior teor de cinzas. A presença de H2SO4 potencializou as conversões químicas, promovendo maior desidratação e descarboxilação, elevando a retenção de carbono e aumentando o poder calorífico (16,53 para 17,27 MJ·kg⁻¹), além de aumentar a pressão final (de abertura) e a formação de gases, indicando um maior avanço reacional. Quanto à carga de sólidos de entrada, observou-se que valores mais altos favoreceram maiores rendimentos em hidrochar, como de 69,8% para 12,5% de carga de sólidos, aumentaram a concentração de cinzas e resultaram em hidrochars mais carbonizados, conforme indicado pelo deslocamento no diagrama de Van Krevelen, sendo recomendável cargas de sólidos superiores à 10% para garantir as propriedades desejáveis ao HC, para uso como combustível sólido, além da maior eficiência energética de processo. De modo geral, temperatura, meio ácido e carga de sólidos se mostraram parâmetros determinantes para modular as propriedades físico-químicas e energéticas do hidrochar, permitindo adequá-lo à diferentes aplicações e cenários.
Abstract: The treatment of sewage sludge (SS) is a global demand, requiring adequate methods that ensure environmental protection and public health. SS is a wet biomass generated in wastewater treatment plants (WWTPs) through aerobic, anaerobic, or primary treatment processes, depending on the configuration of the facility. For final disposal, dewatering methods such as centrifugation and drying are typically required before landfilling, which increases operational costs and processing time. In this context, hydrothermal carbonization (HTC) emerges as a promising alternative, since it enables the thermochemical conversion of wet biomasses as it uses the intrinsic moisture of the feedstock as reaction media and catalyst to produce a carbonaceous solid material known as hydrochar (HC) and a liquid phase named process water (PW). These products have potential applications in energy generation, soil conditioning, agricultural fertilization, and other environmental uses. In this scenario, this study aimed to evaluate the influence of temperature, acid addition, and solids content on the response process parameters (pressure, final pH and phase distribution) and on the energetic properties of the resulting hydrochars. Sewage sludge was collected from a WWTP located in Toledo, Paraná (Brazil), and used as feedstock for HTC. Experiments were conducted in a 0.5 L high-pressure reactor under different operational conditions, varying temperature (160–240 °C), addition of 1% H2SO4, and solids content (5–15%). The sludge and hydrochars were subsequently characterized to determine their physicochemical and energetic properties. The results showed that increasing temperature intensified dehydration and decarboxylation reactions, reducing the hydrochar mass yield (from 79.8% to 56.2%), volatile content, and the H/C and O/C ratios, while increasing aromaticity and ash content. However, higher temperatures also decreased the heating value (from 17.31 to 11.77 MJ·kg-1 ). Acid addition enhanced these conversion pathways, promoting further dehydration and decarboxylation, increasing carbon retention, raising the heating value (from 16.53 to 17.27 MJ·kg-1), and increasing both final pressure (at opening) and gas formation, indicating a higher reaction advance. Regarding solids content at the HC, higher values led to greater hydrochar yields, for example a 69.8% at 12.5% of solids load, increased ash concentration, and produced more carbonized hydrochars, as indicated by shifts observed in the Van Krevelen diagram. Hence, solids load higher than 10% are recommended to achieve desirable energetic properties to the HC for solid fuel use, besides the enhanced process energy efficiency. Overall, temperature, acidic medium, and solids content proved to be key parameters for tailoring the physicochemical and energetic properties of hydrochar, enabling its optimization according to the desired application and scenarios.
Descrição: A pesquisa recebeu apoio financeiro da HICAN Ecotech Ltda através do Acordo de Cooperação Técnica Nº 007/2024 - HICAN-UTFPR.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/41354
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