ABSTRACT The favorable climate and lower construction and operating costs, compared to aerobic treatment systems, have made the upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors one of the most used sewage treatment technologies in Latin America and Caribbean, especially in Brazil. The latter is characterized by holding the largest park of anaerobic reactors in the world. The consolidation of UASB reactors in Brazil was mainly due to the pioneering spirit of the state of Paraná in the development of research and the adoption of this technology as a tool capable of boosting the rates of sewage treatment collection in the early 1980s. Present in more than 230 sewage treatment plants throughout Paraná, the UASB reactors, also known in the state as anaerobic fluidized bed reactors, have undergone a series of adaptations over the last 40 years in order to improve the systems for removing sludge, scum, and biogas. Thus, this review article aimed to contextualize the history and importance of UASB reactors in the state of Paraná for the Brazilian sanitation sector, bringing the main aspects that occurred in the last four decades of use of this technology.

RESUMO O clima favorável e os menores custos de construção e operação, se comparados com sistemas aeróbios de tratamento, fizeram dos reatores anaeróbios de fluxo ascendente de manto de lodo (UASB) uma das tecnologias de tratamento de esgoto sanitário mais empregadas nos países da América Latina e Caribe, sobretudo no Brasil. Este último é caracterizado por deter o maior parque de reatores anaeróbios do mundo. A consolidação dos reatores UASB no país se deu principalmente pelo pioneirismo do estado do Paraná no desenvolvimento de pesquisas e na adoção dessa tecnologia como ferramenta capaz de impulsionar os índices de coleta de tratamento de esgotos sanitários ainda no início da década de 1980. Presente em mais de 230 estações de tratamento de esgoto espalhadas pelo Paraná, os reatores UASB, também conhecidos no estado por reatores anaeróbios de leito fluidizado, sofreram ao longo dos últimos 40 anos uma série de adaptações de modo a propiciar a melhora dos sistemas de retirada de lodo, escuma e biogás. Desse modo, o presente artigo de revisão teve como objetivo contextualizar o histórico e a importância dos reatores UASB no estado do Paraná para o setor de saneamento brasileiro, trazendo os principais aspectos ocorridos nas últimas quatro décadas de emprego dessa tecnologia.

RESUMO O gerenciamento do lodo de esgoto é um dos principais responsáveis pelos elevados custos de operação de estações de tratamento de esgoto no Brasil. Isso se deve, principalmente, pela necessidade de etapas de desaguamento e higienização desse material, sendo essa última realizada quando o uso agrícola do lodo é escolhido como forma de destinação. Para tentar reduzir os custos e melhorar o gerenciamento do lodo em uma estação de tratamento de esgoto, uma opção que vem sendo amplamente discutida é o aproveitamento do biogás, produzido em reatores anaeróbios de fluxo ascendente de manta de lodo, para a secagem térmica do lodo. Nesse contexto, o presente trabalho vem relatar um estudo sobre a secagem térmica, de diferentes tipos de lodos, em um sistema piloto envolvendo o aproveitamento energético do biogás produzido em reatores anaeróbios de fluxo ascendente de manta de lodo, de uma estação de tratamento de esgoto de médio porte. O secador reduziu em aproximadamente 80% a massa dos diferentes tipos de lodos submetidos ao processo de secagem térmica, aumentando a concentração de sólidos totais nesses materiais de 20 para 80%. Os valores da demanda energética do secador para remoção de 1 kg de água presente nos diferentes tipos de lodos variaram de 1.195 a 1.323 kcal. Adicionalmente, as características microbiológicas dos diferentes tipos de lodos, após o processo de secagem, evidenciaram a possibilidade da utilização agrícola desses materiais. Esses resultados apontam a secagem térmica do lodo, utilizando biogás produzido em sistemas anaeróbios de tratamento, como uma promissora ferramenta para a sustentabilidade no setor de esgotamento sanitário brasileiro.

ABSTRACT The management of sewage sludge is one of the main responsible for the high operating costs of sewage treatment plants in Brazil. This is mainly due to the need for dewatering and sanitizing steps for this material, being the last one carried out when the agricultural use of the sludge is chosen as a form of destination. To try to reduce costs and improve sludge management at a sewage treatment plant, an option that has been widely discussed is the use of biogas, produced in upflow anaerobic sludge blanket reactors, for the thermal drying of sludge. In this context, the present work reports a study on the thermal drying of different types of sludge, in a pilot system, involving the energy utilization of biogas produced in upflow anaerobic sludge blanket reactors, of a medium-sized sewage treatment plant. The dryer reduced the mass of the different types of sludge subjected to the thermal drying process by approximately 80%, increasing the concentration of total solids in these materials from 20 to 80%. The energy demand values of the dryer to remove 1 kg of water present in the different types of sludge ranged from 1,195 to 1,323 kcal. Additionally, the microbiological characteristics of the different types of sludge, after the drying process, showed the possibility of agricultural use of these materials. These results point to the thermal drying of sludge, using biogas produced in anaerobic treatment systems, as a promising tool for sustainability in the Brazilian sewage sector.

RESUMO Este artigo propõe um sistema térmico de higienização e secagem de lodo de esgoto em escala plena, alimentado por biogás e energia solar, para uma estação de tratamento de esgoto de pequeno porte. Para tal, realizou-se caracterização da estação de tratamento de esgoto investigada, determinando-se volumes mensais médios de lodo, biogás e metano disponíveis. Na sequência, a partir de experimentos em escala reduzida, avaliou-se o desempenho de duas diferentes configurações do referido sistema, com piso radiante metálico e em concreto. Três campanhas experimentais com diferentes cargas de lodo foram realizadas, variando-se teor de sólidos totais iniciais do lodo (5 e 40%) e espessura do material depositado sobre os pisos radiantes (10 e 20 cm). Os resultados obtidos subsidiaram a escolha da configuração e da carga de lodo mais favoráveis para a proposição em questão, possibilitando pré-dimensionamento do sistema para o tratamento de cerca de 211 m³ mês-1 de lodo, com 5% de sólidos totais. Assim, devem ser adaptados dois pisos metálicos radiantes com 50 m2, os quais devem ser carregados com lodo em camada de 10 cm, após o seu desaguamento prévio em leitos de secagem (40% sólidos totais). As temperaturas atingidas possibilitaram higienização do material, bem como elevação do teor de sólidos totais até 75%. Como a energia solar é utilizada, o consumo médio estimado de metano é de 11.363,19 Nm³ mês-1, volume disponível na estação de tratamento de esgoto e suficiente para o processamento de todo o lodo nela gerado ao longo de três ciclos mensais com nove dias de duração.

ABSTRACT This paper proposed a full-scale thermal sanitation and drying system for sewage sludge, powered by biogas and solar energy, from a small anaerobic sewage treatment plant. For that, the characterization of the investigated sewage treatment plant was carried out, determining the average monthly volumes of sludge, biogas, and methane available. Then, from small-scale experiments, the performance of two different configurations of the referred system was evaluated, with metallic and concrete underfloor heating. Three experimental campaigns with different sludge loads were carried out, varying the initial total solids content of the sludge (5 and 40%) and the thickness of the material deposited on the radiant floors (10 and 20 cm). The results obtained subsidized the choice of the configuration and the sludge load considered most favorable for the proposition in question, allowing the pre-dimensioning of the system for the treatment of about 211 m³ month-1 of sludge, with 5% total solids. Thus, two radiant metal floors with 50 m2 must be adapted, which must be loaded with sludge in a 10 cm layer, after their previous dewatering in drying beds (40% total solids). The temperatures reached made it possible to sanitize the material, as well as to increase the total solids content up to 75%. As solar energy is used, the estimated average consumption of methane is 11.363,19 Nm³ month-1, a volume available at the sewage treatment plant and sufficient to process all the sludge generated there over 3 monthly cycles lasting 9 days.

Resumo Os reatores anaeróbios de fluxo ascendente e manta de lodo (UASB) são amplamente utilizados para tratamento de esgoto doméstico no Brasil e geram como subprodutos lodo e biogás. Normalmente o lodo é enviado para aterros sanitários e o biogás é queimado em flare. O objetivo desse estudo foi avaliar o potencial energético desses subprodutos em estações de tratamento de esgoto (ETEs) localizadas no estado do Paraná, Brasil. Inicialmente foi elaborada uma visão geral do potencial de recuperação de energia do biogás em ETEs, em escala plena, que utilizam reatores UASB. Posteriormente, 239 ETEs no estado do Paraná foram avaliadas, sendo o potencial energético dos subprodutos estimado por um modelo matemático. Os dados foram espacialmente classificados utilizando o ArcGIS®, levando-se em consideração as diferentes características do efluente (pior cenário, cenário típico e melhor cenário), sistemas de desidratação do lodo (leito de secagem e centrífuga) e tamanhos (pequeno, médio e grande). Entre os estados do Brasil, o Paraná apresentou o maior potencial energético de biogás, embora explore apenas 0,4% de sua capacidade. O biogás é o principal subproduto gerado pelos reatores UASB no Paraná de modo que, caso utilizado em todo o estado, poderia suprir a demanda de energia de uma cidade com 111.000 habitantes. O biogás correspondeu a 65, 64 e 74% do potencial energético total (lodo e biogás) para as pequenas, médias e grandes ETEs, respectivamente. O estudo do potencial energético dos subprodutos avaliados associado à utilização de ferramentas de SIG contribui positivamente para o processo de tomada de decisão na gestão de saneamento e para melhorar a sustentabilidade energética.

Abstract Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactors are widely used for domestic sewage treatment in Brazil, and generate sludge and biogas as by-products. Typically, the sludge is sent to sanitary landfills, and the biogas is burned in flares. This study assessed the energy potential of these by-products in sewage treatment plants (STPs) located in the state of Paraná, Brazil. First, an overview of biogas energy recovery potential in a full-scale STP based on UASB reactors was carried out. Afterwards, a total of 239 STPs in the state of Paraná were assessed, and the energy potential of the by-products was estimated by a mathematical model. Data were spatially classified using ArcGIS®, taking into account the different effluent characteristics (worst, typical and best scenario), sludge dehydration systems (drying bed and centrifuge) and sizes (small, medium and large). Among the states in Brazil, Paraná presented the highest biogas potential, although nowadays it exploits only 0.4% of its capacity. Biogas was the main by-product generated by UASB reactors in Paraná, and if used in the entire state, it could supply the energy demands of a city with 111,000 inhabitants. Biogas corresponded to 65, 64 and 74% of the total potential (sludge and biogas) for small, medium and large STPs, respectively. The study of the energy potential of the by-products associated with GIS tools positively contributes to the decision-making process in sanitation management and to improve energy sustainability.

Resumo Reatores de manta de lodo anaeróbio de fluxo ascendente (UASB), usados no tratamento de esgoto, geram dois subprodutos que podem ser utilizados: lodo e biogás. O objetivo do presente estudo foi realizar a avaliação da sustentabilidade de quatro diferentes cenários de tratamento e destinação final do lodo biológico e biogás, numa Estação de Tratamento de Esgoto (ETE), de porte médio, localizada no Sul do Brasil. Nesta Estação o lodo é higienizado, pela Estabilização Alcalina Prolongada, e disposto na agricultura (cenário base). O cenário 1 corresponde a utilização do biogás para a secagem do lodo e este destinado na agricultura. Nos cenários 2 e 3, o calor da combustão do lodo é utilizado para a secagem e higienização, sendo no cenário 3, as cinzas destinadas para aterro. A avaliação dos impactos ambientais foi realizada através da avaliação do ciclo de vida, utilizando-se como método de avaliação o ReCiPe 2016. Para a avaliação social foram utilizados os indicadores da avaliação de ciclo de vida social, adaptados e desenvolvidos para ETEs, a avaliação econômica foi realizada através da análise dos custos do ciclo de vida. Para a avaliação global da sustentabilidade, foi utilizado o método Dashboard of sustainability. Com relação à avaliação global da sustentabilidade, o cenário 1 obteve a maior pontuação (678 pontos) (melhor cenário) no DoS. A dimensão que favoreceu esse cenário foi a ambiental, onde os indicadores de acidificação terrestre e formação de ozônio, ecossistema terrestre foram os indicadores que apresentaram uma pontuação mais elevada, em comparação com os demais cenários. O cenário base apresentou a menor pontuação (pior cenário) (375 pontos).

Abstract Upflow anaerobic sludge blanket reactors (UASBs) used in sewage treatment generate two useful byproducts: sludge and biogas. This study evaluated the sustainability of four different scenarios for the treatment and final destination of biological sludge and biogas in a medium-sized wastewater treatment plant (WWTP) in South Brazil. At this plant, the sludge is sanitized by Prolonged Alkaline Stabilization and applied to agriculture (base scenario). Scenario 1 is about biogas use to dry sludge, which is taken to be used in agriculture. In Scenarios 2 and 3 the heat of the sludge burning is used for drying and sanitation. Finally, in Scenario 3 the ashes are destined to landfills. An environmental impact assessment was performed through life-cycle assessment using the ReCiPe 2016 evaluation method. Social life-cycle assessment indicators, adapted and developed for WWTPs, were used for social assessment. Economic assessment was performed through the analysis of life-cycle costs. The dashboard of sustainability (DoS) method was used for global assessment of sustainability. For overall sustainability assessment, Scenario 1 had the highest score (678 points) (best scenario) in the DoS. The environmental dimension was what facilitated this scenario. For this dimension, the following indicators presented the highest points when compared to the other scenarios: soil acidification, ozone formation, terrestrial ecosystem. The base scenario had the lowest score (worst case scenario) (375 points).

ABSTRACT Sewage sludge is a solid waste composed of water, rich in organic matter and nutrients, but concentrator of pathogenic microorganisms. Its use as agricultural fertilizer in the state of Paraná, Brazil is common. However, it is necessary to eliminate or significantly reduce microorganisms by means of a hygiene process. This can be obtained thermally, requiring a source of energy for heat generation. In this sense, a pilot system was constructed consisting of a stainless steel radiant floor, capable of transferring heat to the sewage sludge from coils coupled in base, through which the heated water circulates. The energy comes from solar radiation and is complemented by biogas from the anaerobic sewage treatment. Aiming to investigate the system's ability to transfer heat and, consequently, to sanitize and dry the sludge, a layer of 0.10 m was deposited on the radiant floor, the temperature being monitored at two different heights, obtaining averages of 328.95 K (55.8 ° C) and 336.95 K (63.8 ° C), respectively. The sludge was still submitted to a drying process, where a 68.68% increase in the total solids content was verified. Finally, the energy consumption was measured where a demand of 29.22 Nm³ of methane per m³ of treated sludge had been estimated.