o tratamento e a utilização eficaz do lodo no...
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O tratamento e a utilização eficaz do lodo no Japão
24/janeiro/2014Japan Sewage Works Association
Associação das Empresas de Tratamento de Esgoto do Japão
Hideo YAMAMOTO1
Conteúdo
1 Apresentação do Japão
2 O tratamento do lodo no Japão
3 Utilização eficaz do lodo no Japão
3.1 Resumo da utilização eficaz do lodo de
esgoto
3.2 Utilização energética do lodo de esgoto
3.3 Utilização agrícola do lodo de esgoto
4 Resumo
2
Resumo do Japão1.Área Aprox. 380.000 km2
2.População Aprox. 130 milhões(março/2013)
3.Capital Tóquio(Cidade da Olimpíada e Paraolimpíada de 2020)
4.Índice de cobertura de esgoto: aprox. 76% (março/2013)
5.Índice de tratamento de esgoto: aprox. 88% (março/2013)
6.ETEs : 2.145 (março/2011)
7.Extensão da rede coletora: aprox. 443.000km(março/2011)
4
55% 56% 58% 60% 62% 64% 65% 67% 68% 69% 71% 72% 73% 74% 75%1,8241,8631,8641,877
1,9772,047
2,1052,1382,1742,2272,2352,2512,2082,177
2,268
1,1701,2411,2931,2611,3011,3021,317
1,3741,4071,3831,4291,3931,4441,427 1,471
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
発生
汚泥
量(千
DS-t)
処理
水量
(千
万m
3)
下水
道普
及率
(%
)
年度
下水道普及率
発生汚泥量
処理水量
Com o aumento do índice de cobertura de esgoto, o volume gerado de lodo apresenta tendência de aumento.
Evolução do índice de cobertura de esgoto, do volume gerado de lodo e do volume de esgoto tratado
(volume de lodo: com base em sólidos secos na geração do lodo; com base na medição do volume do esgoto tratado: primário, secundário e tratamento avançado)
Volume gerado de lodo de esgoto
5出典:下水道統計
Volume de esgoto gerado
Volume tratadoÍndice de cobertura
do esgoto
Ano Fonte: Estatística de esgoto
7
Forma final do lodo de esgoto
2,3 milhões toneladas de lodo de
esgoto (Sólido seco)
Lodo seco 4%
Lodo desaguado 8%
Composto 11%
Escória de fusão 10%
Cinza de incineração67%
Material de construçãoAterramento
Adubo
Material de construção
○ A maioria da forma final do lodo de esgoto tem sido a incineração.
Adoção do forno de incineração (1)
・ O lodo é gerado inevitavelmente pelo tratamento de esgoto.・ Com o aumento do índice de cobertura de esgoto e do tratamento avançado, torna-se necessário efetuar o tratamento e a disposição de forma estável frente ao aumento do lodo.・ Com a introdução do forno de incineração, o volume do lodo fica reduzido para 1/8 a 1/10, sendo grande o seu efeito redutor.・ Principalmente nas grandes metrópoles, onde é difícil assegurar o local de disposição final do lodo, tem aumentado a construção de fornos de incineração aproximadamente a partir de 1970.
8
Adoção do forno de incineração (2)
9
・ No início, a maioria dos fornos de incineração era de múltiplos estágios, sendo que era possível a incineração estável de lodo de relativamente baixo poder calorífico como o lodo desaguado com floculante inorgânico. ・ Depois, no sentido de conter o volume de lodo no processo de desaguamento, o floculante foi alterado de inorgânico para polímero (alta caloria), de modo que o forno de leito fluidizado tornou-se o tipo principal pois era mais adequado àincineração estável do lodo desaguado de alta caloria.・ Com a legislação de esgoto, existe a obrigatoriedade de esforço no sentido de redução do volume de lodo por parte dos administradores de tratamento de esgoto.(1996)
Quantidade de tipos de fornos de incineração de lodo (ano 2010)
11
Tipo de forno de incineração
No. total
Capacidade de incineração(lodo desaguado ton/dia)
‹ 50 50~100 100~300 ≥ 300
Forno de leito fluidizado
236 53 89 83 11
Forno de múltiplos estágios
10 2 4 4 0
Outros 32 20 4 8 0
Total 278 75 97 95 11
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焼却炉方式の比較
項 目 流動床焼却炉 多段焼却炉
外形図
処理フロー(例)
流動焼却炉 流動熱交換器 白煙防止熱交換器 排煙処理塔
冷却塔 バグフィルタ
煙突
多段焼却炉湿式 EP 加熱炉 反応塔 熱交
煙突冷却塔
吸収塔
①焼却炉本体②補助燃焼装置
(バーナ)
①焼却炉本体
②センターシャフト
③補助燃焼装置
④駆動装置
Comparativo de fornos de incineração(1)
Comparativo de tipos de fornos de incineração
Item Forno de incineração de leito fluidizado Forno de incineração de múltiplos estágios
Figura do formato externo
Fluxo do tratamento(exemplo)
① Corpo principal do forno
② Dispositivo auxiliar
de queima (queimador)
① Corpo principal do forno
② Eixo central
③ Dispositivo auxiliar
de queima
④ Dispositivotracionador
Forno de incineração
de leito fluidizado
Trocador de calor
fluidizado
Trocador de calor com prevenção
contra fumaça branca
Torre deresfriamento
Filtro tipo bag Torre de
tratamentode fumaça
Forno demúltiplos estágios
Torre deresfriamentoe absorção
Precipitadorelétrico do tipo úmido
Forno deaquecimento
Torre dereação
Troca de calor Chaminé
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焼却炉方式の比較
項 目 流動床焼却炉 多段焼却炉
原 理
概 要
設計諸元
主要機器
①焼却炉本体(シェル、耐火材、断熱材)②補助燃焼装置(バーナ、ガン)
③空気分散管
①焼却炉本体(シェル)②センターシャフト(炉床、ラブルアーム、ティース)
③補助燃焼装置(バーナ)
④駆動装置
炉内は流動層(硅砂)およびフリーボードにより構成される。
燃焼用空気は流動層下部の分散管より炉内へ送られ、この空気により硅砂は流動化する。ケーキは流動層上へ供給され、短時
間のうちに乾燥・燃焼する。焼却灰は全て微粒子となり排ガス
とともに炉外へ排出される。補助燃料は、オイルガンまたはガ
スガンにより流動層内に直接吹き込まれる。
炉は数段の耐火性の炉床、ラブルアーム、及びティースを取り
付けたセンターシャフト、それをとり囲む鋼製の円筒形外殻(シェル)とから成っている。ケーキは炉頂より投入され、図
では外周から中央へ、中央から外周へとラブルティースの回転
により移動しながら乾燥し、燃焼段で燃焼する。燃焼空気は炉
底より供給され、灰または汚泥の落下穴(ドロップホール)か
ら上昇して燃焼段に供給される。燃焼ガスはケーキを乾燥させ
た後排ガス出口より排出される。
空気過剰率 m=1.3 ~ 1.5
燃焼温度 800 ~ 850℃
炉内圧力 -0.2 ~ -0.3kPa
空気過剰率 m=1.3 ~ 2.0
燃焼温度 800 ~ 850℃
炉内圧力 -0.03 ~ -0.05kPa
Comparativo dos fornos de incineração(2)
Comparativo de métodos de incineração
Item Forno de incineração de leito fluidizado Forno de incineração de múltiplos estágios
Resumo doprincípio defunciona-
mento
Parâmetrosde projeto
Principaisequipamen-
tos
Taxa de ar em excesso: m= 1,3 ~ 1,5Temperatura de incineração: 800 ~ 850 ⁰CPressão interna do forno: -0,2 ~ -0,3 kPa
Taxa de ar em excesso: m= 1,3 ~ 2,0Temperatura de incineração: 800 ~ 850 ⁰CPressão interna do forno: -0,03 ~ -0,05 kPa
① Corpo principal do forno (shell, refratário,isolante térmico)
② Dispositivo auxiliar de queima (queimador,pistola)
③ Tubo para espalhamento de ar
① Corpo principal do forno (shell) ② Eixo central (leito do forno, braço raspador
de lodo e dentes de raspagem) ③ Dispositivo auxiliar de queima(queimador) ④ Dispositivo tracionador
A parte interna do forno é constituída de camada fluida e placa livre. O ar destinado à queima é enviado da parte inferior da camada fluida para a tubulação de distribui-ção. A areia de silica é fluidizada através desse ar. A torta é enviada para a parte superior da camada fluida e é desidratada e queimada em curto espaço de tempo. A cinza toda da incineração se torna partícula minúscula e é expelida para fora do forno juntamente com a fumaça. O combustível auxiliar é injetado diretamente no interiorda camada fluida através da pistola de óleo ou de gás.
O forno é composto pelos leitos refratários de várias estágios, eixo central com braço raspador de lodo (rabble arm) e dentes (teeth) e parede externa cilíndrica envol-vente de aço (shell). A torta é inserida pelo topo do forno. Na figura, através da rotação dos dentes de raspagem (rabble teeth), o lodo vai se movimentando da parte externa para o centro e do centro para a parte externa e com isso vai se desidratando e é incinerado no estágio da combustão. O ar para a combustão é fornecido do fundo do forno. A partir do furo para a queda das cinzas e do lodo (drophole) sobe para o estágio da combustão. O gás da combustão faz a secagem do lodo e é expelido pela saída correspondente.
Comparativo de fornos de incineração(3)
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焼却炉方式の比較
項 目 流動床焼却炉 多段焼却炉
運転操作
ケーキの適用性
補修・点検
灰性状
し渣との混焼
環境対策
臭気
騒音・振動
・高温状態の熱媒体(硅砂 600~900μm)の撹拌作用と伝熱特性により、脱水汚泥の乾燥、熱分解(ガス化)、燃焼の過程を短時間に進行する。・高効率に燃焼しやすく、運転操作も容易。・間欠運転が可能である。流動砂があるため、炉の熱容量が大きく短時間の負荷変動を吸収できる。運転停止後の温度降下が少なく、日中の運転のみの場合でも夜間の保温運転が不要である。
・多段の乾燥、燃焼ゾーンで燃焼が行われ、燃焼が緩慢であるため、温度制御等、運転操作が複雑・炉床レンガの保護のため24時間連続運転が原則である。日中実負荷運転で夜間保温運転を行った場合、多量の燃料が必要である。
・砂の流動等により粉砕され完全燃焼する為、微粉状になる。・未燃分はほとんど残らない。
・静かな焼却工程であるため粉塊状の微粒子化し易い灰になる。・未燃分は少ない。(5%未満)
・炉内熱容量が大きいため負荷変動・性状変動に強く、し渣の混焼に適する。(分散パイプ型)
・高カロリーのし渣の混焼は、燃焼温度が高くなりすぎクリンカ発生等が起こる場合があり、混焼には適さない。
・広い範囲のケーキ性状に適用できる。 ・比較的広い範囲のケーキ性状に適用できる。
・高分子ケーキの場合、燃焼温度が高くなりすぎる為、燃焼段から高温の燃焼ガスを一部引抜く抽熱等の対策が必要である。
・焼却炉内部に機械的な稼動部分が無いため、交換部品等は少ない。・炉内の耐火物の補修頻度は多段焼却炉と比べ少ない。(5~10年に1回程度)・概ね12ヶ月ごとに定期点検を行う。・熱媒体が摩耗等により細くなると、炉外に飛び出すため、必要に応じ熱媒体の補充を行う。
・3~5年に1回アームおよびティースの交換が必要である。・3~5年ごとに炉床レンガ(燃焼段2段分)の張り替えが場合により必要である。・概ね12ヶ月ごとに定期点検を行う。
炉内で悪臭成分は熱分解されるため、ほとんど悪臭は発生しな
い。
炉上からの排ガスは乾燥工程からのもので臭気濃度が高く、脱
臭設備が必要になる。
焼却炉自体に騒音源は無い。また、振動の問題もない。 同左
Comparativo de tipos de fornos de incineração
Item Forno de leito fluidizado Forno de múltiplos estágios
Operação
Aplicação àstortas
Reparo / Inspeção
Tipo de cinza
Incineração conjunta
com detritos
Ação ambiental,odor
Ruído / vibração
• Efetua a secagem do lodo desidratado, a decomposição por calor (gaseificação) e a sua queima em curto espaço de tempo através do efeito da mistura da mídia de calor em alta temperatura (areia de silica 600 ~ 900 μm) e da sua característica de condutividade de calor.• A incineração é fácil e de alta eficiência, sendo de fácil operação.• É possível a operação intermitente. Pelo fato de ter areia fluida, a capacidade calorífica do forno é alta e é capaz de absorver oscilações de carga em curto tempo. Após a parada da operação, a queda da temperatura élenta e mesmo apenas com a operação diurna, não há necessidade de operação noturna para a manutenção da temperatura.
•A incineração é feita em vários estágios de secagem e de queima. Pelo fato da queima ser lenta, o controle da temperatura e de outros fatores torna a sua operação complexa.• No sentido de proteger os tijolos do fundo do forno, a regra básica é a operação contínua durante as 24 horas. No caso de efetuar a operação noturna para manutenção da temperatura com base em operação diurna com carga real, uma grande quantidade de combustível será necessária.
• Pode ser aplicada a uma ampla faixa de característica de tortas.
• Pode ser aplicada para uma faixa relativamente ampla de características de tortas.
• No caso de tortas com polímeros, pelo fato da tempera-tura de incineração ficar muito alta, torna-se necessário
tomar providências como a retirada parcial do gás daincineração para a redução do calor.
• Pelo fato de não haver peças mecânicas no interior do forno, são poucas as peças que precisam de substituição.
• A frequência de reparo de refratários do interior do forno ébaixa comparado com o forno de múltiplos estágios (da ordem de uma vez a cada 5 ~ 10 anos).
• A inspeção periódica deve ser feita aprox. 1 vez a cada ano.• Quando a mídia de calor se torna fina devido ao atrito, este
pode saltar para fora do forno e por isso torna-se necessário repor a mídia de acordo com a necessidade.
• Há necessidade de trocar os braços raspadores e os dentes 1 vez a cada 3 ~ 5 anos.
• Dependendo, há necessidade de substituição dos tijolosdo fundo do forno (do segundo estágio de incineração) acada 3 ~ 5 anos.
• Efetuar a inspeção periódica aprox. 1 vez a cada ano.
• Como é triturado devido à fluidez da areia, é incineradototalmente virando um pó fino.
• Quase não deixa resto sem incineração.
• Pelo fato de ser um processo silencioso de incineração, torna-se um aglomerado de pó facilmente transformado em cinza microscópica.• A parte não incinerada é pequena (menos de 5%).
• Como a capacidade calorífica interna do forno é grande, é resistente às variações de carga e de características do lodo, sendo adequado àincineração juntamente com resíduos ou detritos (tipo tubulação distribuída).
• A incineração conjunta do lodo com os detritos ou resíduos de alta caloria, pode ocasionar a ocorrência de escória de carvão (clinkers), não sendo adequado para a incineração conjunta.
Praticamente não há ocorrência de mau cheiro devido àdecomposição dos componentes do odor dentro do forno.
O gás eliminado da parte superior do forno é proveniente do processo de secagem, apresentando alta densidade de odor, sendo necessário o equipamento desodorizador.
No forno em si não há fonte de ruído nem vibração. Idem à esquerda.
Forno de carbonização(1)
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・A carbonização é uma técnica de decomposição por calor e éutilizada desde os anos a.C. para produzir carvão vegetal e outros.
・Aquecendo-se o lodo em situação de pouco oxigênio, começa a decomposição por calor e após liberar o gás de decomposição dos componentes não-carbônicos, forma-se a substância carbonizada que possui o carbono como principal componente.
・A carbonização apresenta a possibilidade de novas formas de utilização eficaz da substância carbonizada, podendo ser utilizada como combustível alternativo ao carvão mineral em usinas termelétricas.
Forno de Carbonização (2)
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・A substância carbonizada é uma biomassa e o dióxido de carbono que surge da combustão em termelétricas, por exemplo, possui a característica neutra de não ser contabilizado como gás de efeito estufa.
・No Japão, ainda são poucos os exemplos de utilização de forno de carbonização, ficando restrito apenas a 4 ETEs que têm como objetivo a sua utilização como alternativa ao carvão mineral.
・Por outro lado, há ETEs que estão sendo planejadas ou em construção principalmente em grandes metrópoles, havendo perspectiva de aumento de exemplos de sua adoção.
・O ponto importante para a sua adoção consiste em assegurar um local de destinação estável para a substância carbonizada.
Fornecimento para a demanda residencial
発電
Centro de Tratamento de Água da Região Leste de Kinuura Usina Termelétrica de Hekinan
Transformação do lodo de esgoto em combustível sólido
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○ Numa operação conjunta com a empresa de energia elétrica, foi efetuada a utilizaçãodo lodo carbonizado como combustível alternativo ao carvão em usinas termelétricas.
○ Neste exemplo foi aproveitado o fato da ETE ser vizinha à usina termelétrica.
Combustível sólido(2.700 t/ano)
Instalação para transformação em combustível(capacidade de tratamento: 100t/dia)
Eletricidade(4,6 milhões kWh/ano)※
※Quantidade presumida de energia elétrica gerada através do combustível sólido de lodo de esgoto. Equivalente ao consumo de 1.270 residências comuns.
出典:愛知県ホームページ等より
A operação e manutenção da instalação, bem como a compra e venda do combustível sólido éfeita pela "Aichi Kinuura Bio S.A."
Redução da quantidade em cerca de 4.000 t na instalação de transformação em combustível
Redução da quantidade emcerca de 4.000 t na usinatermelétrica
Redução da quanti-dade total em cercade 8.000 t
Instalação de incineração
Volume expelido aprox. 12.000 t
Instalação de transformação em combustível
Volume expelido aprox. 4.000 t Fonte: Website da Província de Aichi
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Situação atual do descarte do lodo de esgoto e a sua utilização eficaz
⃝Aumento da utilização eficaz do lodo de esgoto, redução do descarte em aterro sanitário⃝Aumento da utilização em material de construção, principalmente cimento.⃝Volume de utilização agrícola está estável, nova utilização como combustível.
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Utilização do lodo de esgoto como matéria prima para cimento
Principais componentes do cimentoFe2O3 Escória do alto-forno
Cinza deCinza deincineraincineraççãoão
SiOSiO22CaOCaOAlAl22OO33
SílicaCalcárioArgila
Recursosnaturais
(alternativa aos recursos naturais)
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Diferença entre a região de Kansai e Kanto
Fábricas de cimento
Na região de Kansai há aterros sanitários que podem ser utilizados até o ano 2027.
Na região de Kanto não há aterros sanitários suficientes, mas hámuitas fábricas de
cimento.
Situação da utilização energética do lodo de esgoto
Metas e resultados do Terceiro Plano de Prioridade ao Investimento Social (decisão ministerial de agosto de 2012)
Ano 2010 → Ano 2016
aprox.13% → aprox. 29%
Utilização energética do lodo de esgoto
O índice de transformação do lodo em energia foi estabelecido como indicador.
※O índice de transf. em energia é a parcela energética devido aos compostos orgânicos do lodo que pode ser utilizada para geração elétrica, por exemplo.
○ Pelo fato de cerca de 80% do lodo de esgoto ser constituído por biomassa, promove-se a sua utilização energética aproveitando a sua característica como biomassa.
○ Por outro lado, a situação atual é de aproveita-mento de cerca de 13%, necessitando de uma promoção ainda maior.
Índice de transformação do lodo de esgoto em energia: cerca de 13%(2010)
<Índice de transformação do lodo de esgoto em energia>
24
消化ガス
12.0%
汚泥燃料
1.1%
緑農地利用
10.6%
バイオマスと
して未利用76.4%
(Volume total de biomassa do lodo de esgoto: 1,81 milhões de toneladas)
(ano 2010)
Utiliz. energéticaCombustível
de lodo
Ainda não utilizado como biomassa
Gás dedigestão
Uso agrícola
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Tecnologia de recuperação de energia a partirdo lodo de esgoto
Digestor anaeróbio Motor a gás Turbina a gás
Célula combustívelLodo carbonizado
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○ No município de Saga, cerca de 20% do gás de digestão é utilizado como combustível para elevar a temperatura do digestor e os 80% restantes são queimados.
○ Foi introduzido um sistema de co-geração com a utilização do motor a gás de pequeno porte capaz de suprir cerca de metade da necessidade de energia elétrica da ETE.
○ Controlando-se o número de motores de acordo com o volume de gás, consegue-se efetuar uma operação otimizada (25 kW x 16 unidades).
Introdução de geração elétrica de pequeno porte a gás de digestão
ETE
消化槽
Tanque digestor
Metano60%
Fornecimento de gás de rua (cidade de Kanazawa, cidade de Nagaoka)
Biogás RefinadoBiogás
ResidênciaInjeção direta na tubulação do gás de rua
<12/Out/2010>Utilidades Públicas do Gás
Compra de biogás altamente refinado
Fornecimento comogás de rua
Refino ainda maior do “biogás refinado”
Tubulação de gás
Fornecimento de gás de rua
Criação de uma sociedade de baixo carbono e baseada na reciclagem
Remoção dos traços constituintes
Ajuste dovalor
calorífico
Acréscimode odor
Combustível para veículos
Combustível para veículos a gás natural (cidade de
Kobe )
Refinaria de Biogás
Planta de gás de rua
Combustível suplementar para aquecimento e geração elétrica
Utilização eficaz do biogás pela cidade de Kobe
Lodo
Metano 97%
Posto de biogás
Biogás Refinado
27
30
Valores permitidos de metais pesados em adubos provenientes do lodo de esgoto
○ A legislação estabelece os valores permitidos para 6 tipos de metais pesados em adubos provenientes de lodo de esgoto.
Valores permitidos (mg/kg)
Arsênico 50
Cádmio 5
Mercúrio 2
Níquel 300
Cromo 500
Chumbo 100
Metal pesado
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
H10 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 H19 H20 H21 H22
セメ
ント
化量
(千DS-t/
年)
年度
焼却灰
その他
Situação da utilização do lodo de esgoto como material de construção ou uso agrícola
Volume do lodo de esgoto transformado em adubo Volume do lodo transformado em cimento
・ O volume do lodo é o de sólidos secos na geração・ O estado do lodo é o seu estado final.
・汚泥量は発生時DS・汚泥形態は 終形態時
Lodo desaguado
Composto
Lodo seco
Outros
31
○ Está havendo aumento gradual no uso agrícola, principalmente como composto. Está assegurado o seu uso estável.
○ Na transformação em cimento, houve um rápido aumento do seu uso, aproveitando-se a característica da indústria cimenteira de conseguir processar de forma estável grandes quantidades de material de descarte. Entretanto, nos últimos anos o seu volume tem se mantido estável.
○ Na utilização como material de construção exceto o cimento, tem sido reutilizado como material proveniente de aterro ou como material estrutural leve.
・ O volume do lodo é o de sólidos secos na geração.・ O estado do lodo é o seu estado final. Outros
Cinza deincineração
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Ano
32
Situação da utilização agrícola do lodo de esgoto
○ O lodo de esgoto possui substâncias que são componentes de adubos como o nitrogênio e fósforo, além de outras substâncias inorgânicas úteis.
○ No uso agrícola, o principal é o adubo composto.
○ Características do composto.
・ Extermínio ou desativação de bactérias patogênicas, ovos de parasitas ou sementes de ervas daninhas através do calor da fermentação.
・ Melhoria do manejo através da redução do teor de água.
・ Prevenção de dificuldades ao crescimento imediatamente posterior à sua aplicação através da decomposição dos componentes orgânicos de fácil decomposição.
Exemplos de adubos feitos com lodo de esgoto
Tamegoro da cidade de Suzu
Composto Yamagata da cidade de Yamagata
4.Resumo
34
○ O volume do lodo de esgoto aumenta com a expansão da cobertura de esgoto, mas torna-se necessário efetuar o seu correto tratamento e disposição.
→ Do ponto de vista de assegurar o local para a destinação final do lodo, é grande o efeito redutor de volume do lodo exercido pelo forno de incineração. No Japão, a sua utilização tem avançado e as cinzas resultantes da incineração tem sido utilizado de forma efetiva principalmente comomatéria prima para o cimento.
○ Futuramente será requerida a introdução de tratamento do lodo que aproveite as características da sua biomassa, considerando-se ascaracterísticas regionais e a última palavra em tecnologia de tratamento.
→ Está havendo a expansão da introdução de fornos de carbonização que permitam a utilização do produto gerado (carbonizado) como combustível alternativo ao carvão mineral.