Objetivos específicos

 Realizar caracterização físico-química do lodo da ETA;

 Estudar a possibilidade de incorporação do lodo de ETA na indústria cerâmica, tomando como base as normas brasileiras sobre os padrões de qualidade dos produtos cerâmicos;

 Avaliar a adoção do procedimento de recuperação de coagulante por via ácida a partir do lodo de ETA do Município de Três Rios e avaliar o produto final obtido;

 Analisar a viabilidade técnica, econômica e socioambiental da utilização dos procedimentos combinados.

2.

MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Tendo em vista avaliar a viabilidade do processo, foi realizado um levantamento bibliográfico através de bases de dados como o Portal de Periódicos CAPES, Web of Science, SciELO e Elsevier.

2.2 ÁREA DE ESTUDO

Três Rios é um município com cerca de 81.804 habitantes (IBGE 2019) situado na região Centro-Sul Fluminense do Estado do Rio de Janeiro (Figura 1), sendo pertencente à área do Vale do Paraíba.

De acordo com Oliveira e Milward-de-Azevedo (2015), o município possui essa denominação devido ao encontro de três rios que acontece dentro de seu território, sendo eles o rio Piabanha, rio Paraibuna e rio Paraíba do Sul.

Figura 1: Localização do município de Três Rios no Estado do Rio de Janeiro

2.3 CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUIMICA DO LODO DE ETA

O lodo utilizado para realização do presente trabalho foi coletado na Estação de Tratamento de água Cantagalo, pertencente ao Serviço Autônomo de Água e Esgoto de Três Rios (SAAETRI) em conjunto com a prefeitura de Três Rios·.

As amostras foram coletadas através de um latão de plástico de 30 L (Figura 2), no dia 20/12/2018, com auxílio de um operador da ETA presente no momento da coleta.

Figura 1: Aparência do lodo bruto da ETA Cantagalo do município de Três Rios/RJ.

A caracterização físico-química do lodo de ETA compreendeu a análise de pH, determinação de teor de umidade, teor de matéria orgânica e uma estimativa da concentração de alumínio, conforme pode ser visto na figura abaixo (Figura 3).

Figura 2: Esquema referente à caracterização físico-química do lodo de decantador da ETA Cantagalo.

2.3.1 PH

Para o teste de pH, realizou-se a calibragem do pHmetro mPA 210P da Tecnopon com as soluções tampão de pH 7 e 4. Em seguida foram realizadas as medições com as amostras segundo Freddo (2014), na qual se adiciona 25 mL de água destilada a cada 10 g de amostra a serem submetidos à homogeneização para posterior leitura do pH.

2.3.2 Teor de umidade e matéria orgânica

Para determinação do teor de umidade e matéria orgânica (equação 1 e 2) utilizou-se o método gravimétrico recomendado pela ABNT/NBR 10664 (1989) em conjunto com o método utilizado por e Freitas et al. (2005) que consiste na diferença entre a massa da amostra de lodo bruto e a massa obtida da amostra após a secagem em estufa a 24 horas (110 ± 5 º C), entendida como massa de lodo desidratado, e entre a massa da amostra de lodo bruto e a massa obtida da amostra após queima em forno mufla a 750 º C por 1 hora, definida como massa de lodo seco inorgânico, como pode ser visualizado na Figura 4 .

Figura 3: Aparência do lodo após período em estufa versus aparência do lodo após calcinação em forno mufla.

% 𝑇𝑒𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑈𝑚𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = (^{𝑃1−𝑃3}

𝑃1 ) × 100 (1)

Em que:

P1= Massa de lodo bruto P3 = Massa de lodo desidratado

% 𝑇𝑒𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑀𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑂𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑎 = (^{𝑃1−𝑃3}

𝑃1 ) × 100 (2)

Em que:

P1= Massa de lodo desidratado P3 = Massa de lodo seco inorgânico

2.3.3 Concentração de alumínio

A determinação da quantidade de alumínio contida no lodo foi realizada pelo método gravimétrico através da diferença entre a massa da amostra de lodo seco inorgânico e a massa obtida da amostra após a recuperação de sulfato de alumínio por via ácida conforme explicitado no tópico abaixo (2.4) considerando toda massa extraída durante o procedimento como alumínio solubilizado, uma vez que os hidróxidos metálicos contidos no lodo possuem boa solubilidade em meios ácidos (Guimarães 2005, Júlio et al. 2009).

De acordo com o levantado por Pereira (2011), o alumínio é significantemente mais solúvel em pH neutro e ácido do que o ferro, levando em consideração a quantidade de metais

solubilizados conforme o pH. Em pH 4,0 há cerca de 270mg.L^-1 de alumínio solúvel no meio, enquanto há somente 44,8 µg.L^-1 de ferro.

Contudo, é de suma importância ressaltar que o valor obtido se trata de uma estimativa considerando uma solubilização de 95% do alumínio, devido ao fato da presente metodologia não permitir uma solubilização seletiva do Al, solubilizando junto a este, outros compostos químicos (Guimarães 2005).

2.4 RECUPERAÇÃO DE SULFATO DE ALUMÍNIO CONTIDO NO LODO DE ETA POR VIA ÁCIDA.

Para redução da concentração de alumínio nas amostras de lodo, as mesmas foram submetidas ao processo de regeneração de coagulante conforme as metodologias de Fulton (1974) adaptadas por Freitas et al. (2005) e Keeley et al. (2014).

Após a etapa de preparação do lodo, que consiste em homogeneizar, secar e peneirar, dez bécheres foram preenchidos com 3 g de Lodo de ETA e 18 mL de ácido sulfúrico a 10%, sendo posteriormente submetidos a agitação por agitador vórtex por 2 minutos, seguido de um repouso de 10 minutos. O sulfato de alumínio produzido foi armazenado, e o lodo residual lavado com água destilada até que o pH se igualasse ao da água, garantindo a maior eliminação dos hidróxidos de alumínio formados.

Para estimar o percentual e a quantidade recuperada pelo processo, o lodo resultante é pesado a fim de calcular por balanço de massa o alumínio retirado pelo processo de recuperação de coagulante, aqui entendido por massa de lodo tratado, sendo o valor obtido subtraído do valor da massa de lodo anterior ao tratamento, e dividido pelo valor da massa inicial, conforme a equação (3)

realizado utilizando coagulante comercial a fim de comparar o visualmente o comportamento do coagulante regenerado.

2.5 VIABILIDADE ECONÔMICA

A análise de viabilidade econômica do procedimento foi obtida através da comparação entre os custos obtidos com a recuperação de coagulante por via ácida pela SAAETRI e os custos com o uso de coagulante comercial atualmente pela empresa, e também entre a despesa com a incorporação de lodo em cerâmica vermelha e os custos de disposição na Central de Tratamento e Disposição Final de Resíduos Sólidos de Três Rios (CTDRS-TR).

Além disso, também foi levantada a capacidade do processo de reduzir os custos das olarias com matéria prima, uma vez que o resíduo em questão pode vir a substituir, ainda que em pequenas quantidades, a argila utilizada para fabricação de produtos cerâmicos.

Para quantificação dos custos com o processo de regeneração por via ácida, foi levado em consideração a implantação de um sistema de regeneração composto por um reator simples para acidificação do lodo em uma ETA já existente, conforme a metodologia adotada por Freitas, Filho e Pivelli (2005) que elaboraram para tal a seguinte equação (4):

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 =^{𝑄𝑎 𝑥 𝐴}

𝑄𝑐 𝑥 𝐶 (4) Em que:

Custo: custo de produção do coagulante regenerado (R$ / kg); Qa: quantidade de ácido utilizado na regeneração (kg/mês); A: custo do ácido (R$ / kg);

QC: vazão de coagulante regenerado produzida (m3 / mês);

C: concentração de alumínio no coagulante regenerado (kg / m3);

Em relação aos os custos com transporte para a disposição do lodo restante como matéria prima na produção de cerâmica, foi utilizada a metodologia de Smirdele (2016), que elaborou para tal a seguinte equação (5):

Em que:

Dt= Despesa com transporte P= Produção de lodo (kg/mês) Me = Massa específica do lodo (kg/m³)

Vc= Volume da caçamba onde será transportado o lodo (m³) L= Distância entre a ETA e o destino final (km)

Ctu = Custo unitário de transporte do lodo (R$/km)

Quanto à análise da capacidade de redução dos custos da olaria com matéria prima, foi utilizada a metodologia adotada por Costa (2015), que consiste na diferença entre o custo de produção de material cerâmico padrão, e o custo de produção de material cerâmico contendo lodo de ETA, sendo necessário para tal, o percentual de lodo e argila utilizados no processo, volume de argila economizado pela empresa ao incorporar o resíduo, e valor referente à argila economizada.

Já o custo com a disposição do resíduo em aterro sanitário foi calculado a partir da soma entre a despesa com transporte até o local, obtida através da equação acima (5) e a despesa com a CTRS do município, obtida através da equação abaixo (6):

Da = P × Cau (6)

Em que:

Da= Despesa com Aterro Sanitário P= produção de lodo mensal (t/mês) Cau= custo unitário de disposição em aterro sanitário (R$ t/mês)

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 CARACTERIZAÇÃO FISICO-QUIMICA DO LODO DE ETA

Variando a metodologia utilizada no tratamento e as características da água bruta, os resíduos de ETA podem assumir características diferentes, o que faz com que cada um desses resíduos deva ser tratado e destinado de modos diferentes. Sendo assim, para a escolha do melhor método de tratamento e destinação de cada um dos resíduos devem ser levados em conta os fatores que caracterizam o lodo de ETA, analisando-se os diversos parâmetros físicos, químicos e/ou biológicos desses resíduos (Assis 2014).

De acordo com Camargo (2014), os principais parâmetros físico-químicos utilizados na caracterização desses resíduos são pH, teor de matéria orgânica, teor de umidade, e concentração de compostos químicos presentes no lodo, como SiO2, Al2O3, e Fe2O3, uma vez que são esses os principais constituintes do lodo de ETA.

Abaixo pode ser visualizada uma tabela (tabela 1) contendo as características encontradas no lodo de decantador da Estação de Tratamento de Água Cantagalo.

Tabela 1: Caracterização físico-química do lodo da ETA Cantagalo do município de Três

*Valores em relação à massa de lodo desidratada.

O lodo gerado na ETA Cantagalo apresenta pH em conformidade com o descrito por Olivera, Machado e Holanda (2004) e Portella et al. (2003) em seus estudos, uma vez que possui um caráter levemente ácido, variando de 6 a 6,98, conforme pode ser visualizado na tabela 2.

Além disso, esses valores estão dentro dos limites permitido pela Resolução n.º do CONAMA 430/2011 para o lançamento de efluentes poluidores diretamente no corpo de água natural, cujos valores de pH devem se situar entre 5 e 9.

Quanto ao teor de matéria orgânica no resíduo da ETA Cantagalo, foi possível estimar uma média de 24,4 % em relação à massa do lodo desidratado. Em relação ao encontrado por Botero (2008), que indica esse valor correspondente, sendo resultado do tratamento de água bruta com altos teores de matéria orgânica.

Os valores estimados de alumínio para o lodo da estação de tratamento de água de Três Rios variaram de 11,65 % a 39,59 %, em conformidade com o levantado em literatura conforme pode ser observado pela tabela abaixo (tabela 2).

O teor de umidade do lodo de decantador da ETA Cantagalo também se manteve em conformidade com os valores encontrados em literatura, tendo uma média de 80% de umidade em relação ao resíduo bruto, assim como levantado por Hoppen et. al. (2005) e Portella et. al.

(2003).

Tabela 1: Relação entre as Características físico-químicas encontradas em literatura.

*Valores em relação à massa de lodo desidratada

Tendo em vista os aspectos levantados percebeu-se que o lodo estudado possui valores próximos àqueles encontrados em literatura. Apesar disso, o alto valor de carga orgânica torna preocupante a disposição do resíduo in natura, uma vez que esta pode vir a alterar as características químicas e biológicas do curso hídrico de destino, fazendo-se necessário uma disposição alternativa do mesmo, como por exemplo, a destinação do lodo de ETA para incorporação em indústria cerâmica.

3.2 INCORPORAÇÃO DE LODO DE ETA EM CERÂMICA VERMELHA

Cerâmica vermelha é um segmento cerâmico, que compreende os produtos que apresentam após a queima coloração avermelhada, como tijolos maciços, blocos cerâmicos de vedação e estruturais, telhas, manilhas, tavelas e lajotas para piso, sendo a argila, a única matéria prima utilizada durante o processo produtivo (Ferrari 2007).

De acordo com Camargo (2014), essa indústria está entre as que mais reciclam resíduos industriais e urbanos devido a sua produção em larga escala e às propriedades físicas e mecânicas da matéria prima utilizada, que facilitam a incorporação desses em sua massa.

A incorporação de lodo de ETA em cerâmica tem sido bastante investigada no meio científico, devido às potencialidades quanto a sua incorporação dada pela similaridade das características do lodo com a da argila utilizada, conforme Tsutiya e Hirata (2001) e Smirdele (2016), que discutem sobre a probabilidade de sucesso na produção de materiais cerâmicos contendo lodo de ETA.

De acordo com Tartari (2008), Oliveira et al. (2004), Ferranti & Gehling (2005), Andreoli et al. (2003), Wolff et al. (2007), Hoppen et al (2005), Monteiro et al. (2007) e Paixão (2005), a maioria dos resíduos de ETA apresentam em cerca de 80% da sua composição SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, predominância mineralógica de caulinita, quartzo, mica, hematita e gibsita, goethita, moscovita e rutílio, características que se assemelham às argilas utilizadas na fabricação de cerâmicas vermelhas.

Apesar disso, os produtos de cerâmica vermelha possuem parâmetros de qualidade a serem alcançados para que possam ser comercializados, como aqueles exigidos pela ABNT, que avaliam as propriedades físicas e mecânicas da massa cerâmica, como retração linear, absorção de água e resistência mecânica à compressão (Castão et al. 2017).

Teixeira et al. (2002) e Silva et al (2009), afirmam que, em geral, os lodos sempre pioram as propriedades da massa cerâmica, sobretudo naqueles em que a ETA utiliza sulfato alumínio como coagulante, o que faz com que esses devam ser adicionados em quantidades específicas, entorno de 8% a 12,5%, conforme levantado por Castão et al. (2017), Paixão (2005), Pozzobon et al. (2010), Teixeira (2006), e Tartari (2008), para que o impacto da adição desse resíduo seja mínimo na qualidade do produto.

Sabbag & Morita (2003) realizaram estudos sobre a utilização de lodo da ETA em misturas de argilas para produção de blocos cerâmicos e obteve bons resultados com incorporações de lodo em até 12,5% à massa de argila, em que parâmetros de qualidade como retração e resistência a compressão, ficaram dentro dos limites estabelecidos pela NBR 7171/92.

Do mesmo modo Oliveira & Holanda (2008) obtiveram sucesso ao incorporar quantidades de até 15% em peso de lodo de ETA a uma massa argilosa industrial para fabricação de cerâmica vermelha, uma vez que estes não apresentaram efeitos significativos sobre a microestrutura e as propriedades físico-mecânicas avaliadas.

Nesse sentido, já existem locais que utilizam o lodo de Estação de Tratamento de água no processo produtivo de materiais cerâmicos, como, por exemplo, a cidade de Durham, Inglaterra, em que cerca de 15% do lodo gerado em ETA são reciclados na fabricação de tijolos, sem haver perda da qualidade estrutural do produto, e no Estado do Rio de Janeiro, com o lodo gerado na ETA Porto das Caixas, em Itaboraí, encaminhado para uma indústria cerâmica em Tanguá, tendo em vista que auxilia no atendimento às exigências ambientais, contribui para a diminuição da extração de materiais neste setor industrial, e também se torna uma alternativa mais adequada de destinação do lodo (Smirdele 2016).

Em contrapartida, Margem (2008) obteve em amostras com até 10% em peso de resíduo um aumento significante da absorção de água e redução da resistência mecânica devido à elevada perda de massa do resíduo durante a etapa de queima. De acordo com Paixão et al.

(2008), esses efeitos podem ser causados, dentre outros, pela forma angular das partículas do lodo bruto que geram microtrincas ao redor das partículas, impactando na união entre o lodo e a argila utilizada no processo.

Dessa forma, é imprescindível que o lodo seja submetido a um tratamento prévio ao utilizá-lo como matéria prima na confecção de materiais cerâmicos, a fim de reduzir a ocorrência de defeitos nas peças sinterizadas (Paixão et al. 2008, Pozzobon et al. 2010).

3.3 RECUPERAÇÃO DE COAGULANTES DE LODO DE ETA POR VIA ÁCIDA

A recuperação de coagulantes presentes no lodo de ETA consiste na remoção dos hidróxidos metálicos presentes no lodo de ETA formados pela reação entre a água bruta e o agente coagulante utilizado durante o tratamento de água, transformando-os em coagulantes novamente para reuso em tratamento de água ou esgotos (Guimarães 2005, Dandolini 2014, Demattos et al. 2001).

De acordo com Julio et al. (2009), existem quatro vias tecnológicas para recuperação do coagulante do lodo:

 Via básica, que consiste na solubilização dos hidróxidos com a adição de reagentes alcalinos, como hidróxido de sódio;

 Via extração por solvente, que extrai seletivamente o coagulante previamente solubilizado;

 Via quelação, por membranas orgânicas compostas de esferas de polímeros quelantes, e;

 Via ácida, que transforma os hidróxidos presentes em espécies químicas solúveis através da adição de ácido.

Contudo, tendo em vista a sua eficiência e baixo custo, a alternativa de regeneração que alcançou o maior desenvolvimento industrial ao redor do mundo foi a de recuperação por via ácida (Xu et al. 2009).

A recuperação de coagulante de lodo de ETA por via ácida consiste basicamente na adição de ácido ao lodo mantendo um pH baixo (entorno de 2), de maneira a transformar os hidróxidos presentes no lodo em espécies químicas solúveis, conforme apresenta a tabela abaixo (tabela 3) (Cornwell 1987, Guimarães 2005):

Tabela 2: Reações químicas de solubilização dos hidróxidos presentes no lodo de ETA.

Tendo em vista lodos originados de ETA que utilizam sulfato de alumínio como agente coagulante, a American Water Works Association – AWWA (1991) aponta como as duas principais fontes de alumínio presente nesse resíduo o coagulante adicionado, através da criação de hidróxidos de alumínio no meio, e a argila presente na água bruta, na forma de óxidos, como Al2O3, que por ser mais resistente à hidrólise pela acidificação que o hidróxido, exige para sua extração elevadas temperaturas, altas dosagens de ácidos e tempo de contato superior para a dissolução. Como o processo de recuperação do coagulante acontece à temperatura ambiente e próxima das adições estequiométricas de ácido, a maioria dos óxidos de alumínio associados aos sólidos presentes na água bruta não será totalmente dissolvida, portanto não se deve esperar uma extração de 100 % da concentração total de alumínio presente no lodo, o que não indica um desempenho precário (Pereira 2011).

Utilizando a densidade do sulfato de alumínio hidratado como 1,350 g/ml, conforme a FISPQ elaborada pela empresa Tassimin Química Comercial Ltda (2006), em conjunto com a massa de lodo extraído durante o processo de regeneração de sulfato de alumínio do lodo da ETA Cantagalo e o volume da solução final expressos na tabela a seguir (tabela 4), faz-se possível estimar a concentração de alumínio em solução. De acordo com a chefe do setor de controle de qualidade de água da SAAETRI, Angélica Lima atualmente é utilizado na ETA Cantagalo sulfato de alumínio em uma concentração de 4 %, o que aponta para uma possível utilização do recuperado como agente coagulante na estação, uma vez que a concentração deste se mantém em uma média de 7,48 %.

Tabela 3: Percentual de redução do volume do lodo da ETA da SAAETRI do município de

*Valores em relação à massa de lodo seco inorgânico

**Massa de lodo extraído durante o processo de regeneração por via ácida.

A fim de comparar o coagulante recuperado com o coagulante comercial para analisar a viabilidade do processo, Guimarães (2005) realizou uma caracterização do coagulante regenerado em relação aos parâmetros exigidos para o coagulante comercial, que apontaram semelhanças entre os mesmos, com exceção da concentração de Al no sulfato de alumínio, que se manteve em 1,1% no recuperado e no comercial de 7,5%, o que implica na a necessidade de volumes mais elevados de coagulante recuperado para obter a mesma eficiência para remoção de cor e turbidez no processo de tratamento de água ou efluentes que o coagulante comercial.

Westerhoff & Daily (1974) e Bishop et al. (1987) conseguiram através da aplicação da metodologia em estação piloto uma recuperação de aproximadamente 75% do alumínio inserido na água bruta.

Julio et al. (2010), também obtiveram resultados positivos com essa metodologia, alcançando uma concentração de Al no coagulante regenerado superior àquela presente no coagulante comercial utilizada pela ETA Pintagui, sendo 130 mg/L de alumínio contidos no coagulante recuperado comparado a 103,62 mg/L presentes no comercial, que apresentaram ainda, eficiência de tratamento semelhante ao comercial.

Além disso, a metodologia permitiu uma média de redução de massa do resíduo da Estação de Tratamento de Água Cantagalo do município de Três Rios em 35,31 %, conforme pode ser visualizado na tabela acima (tabela 4). Apesar disso, Keeley et al. (2014), levanta que é possível reduzir o volume do lodo em até 60%, o que torna a recuperação uma significativa melhora na sustentabilidade.

De acordo com a Saunders e Roeder (1991), esse fenômeno é possível devido à dissolução do alumínio sob condições ácidas, que acaba por diminuir a quantidade de

De acordo com a Saunders e Roeder (1991), esse fenômeno é possível devido à dissolução do alumínio sob condições ácidas, que acaba por diminuir a quantidade de