TRATABILIDADE DE ÁGUA SUBTERRÂNEA CONTAMINADA POR
VAZAMENTOS DE GASOLINA
Fábio Francisco Mazzocca Dourado(1)
Engenheiro Químico pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela EPUSP. Doutorando em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela EPUSP. Pedro Além Sobrinho
Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, Engenheiro Sanitarista e Mestre em Saúde Pública pela Faculdade de Higiene e Saúde Pública da USP. Master of Science pela New Upon Castle Tyne (Inglaterra). Doutor e Livre-Docente em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela EPUSP. Professor Titular do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da EPUSP. Dione Mari Morita
Engenheira Civil pela Escola de Engenharia da Universidade Mackenzie. Doutora em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela EPUSP, docente do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da EPUSP. Responsável pelo Laboratório de Saneamento “Prof. Lucas Nogueira Garcez” da EPUSP.
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RESUMO
Os vazamentos que ocorrem em tanques de armazenamento de combustíveis podem causar, além da poluição ambiental, graves problemas de saúde e de segurança pública, devido ao risco de explosão em áreas urbanizadas. O presente trabalho foi desenvolvido com os seguintes objetivos: avaliar a tratabilidade de água subterrânea contaminada com alta concentração de hidrocarbonetos de petróleo (gasolina) por sistemas de lodos ativados por batelada (LAB); obter informações para o projeto e a operação deste processo de tratamento e, determinar os mecanismos de remoção de benzeno, tolueno e xileno (BTX) no sistema LAB. O sistema de tratamento mostrou-se bastante eficiente na remoção de matéria orgânica, atingindo eficiências de remoção de DBO e de DQO acima de 99 % e 95%, respectivamente. O sistema LAB foi eficiente, também, na remoção de BTX, alcançando concentrações no efluente tratado abaixo de 10 µg/L, tendo-se verificado que 93% da remoção de BTX ocorre no período de alimentação e os 7% restantes, no período de reação. A biodegradação foi o principal mecanismo de remoção de BTX, seguido pelo arraste com ar e adsorção no floco biológico.
PALAVRAS-CHAVE: Biorremediação, Gasolina, Petróleo, Biodegradabilidade, Lodos Ativados por Batelada.
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INTRODUÇÃO
Atualmente, no Brasil, tem-se verificado que em muitos postos de distribuição de combustível, ocorrem vazamentos em tanques de armazenamento, devido principalmente ao rompimento da tubulação de bombeamento e à corrosão destes tanques. Estes vazamentos podem causar, além da contaminação de aqüíferos, graves problemas de saúde e de segurança pública, visto que a maioria destes postos localiza-se em áreas urbanas e que no caso de um vazamento de combustível, este pode-se encaminhar às galerias de águas pluviais, rede de esgotos e garagens de prédios, criando riscos de explosão.
O tratamento dessas contaminações, basicamente, consiste, em uma primeira etapa, na retirada da fase livre que se forma acima do lençol freático, com alta concentração de combustível. Esta retirada é feita pelo bombeamento, em poços, da parte superior do lençol, de forma a trazer consigo a lâmina de combustível. Deste bombeamento, surge um sistema de duas fases, sendo que uma delas é composta de combustível e a outra, de água altamente contaminada com hidrocarbonetos. O combustível retirado é enviado para as estações de tratamento de efluentes das refinarias e a água contaminada deve ser tratada para remoção dos hidrocarbonetos antes de ser descartada.
Torna-se mister, portanto, o desenvolvimento de técnicas de recuperação, que embora sejam bem conhecidas nos países mais avançados tecnologicamente, ainda precisam ser estudadas e adaptadas às condições e características locais, tais como clima, qualidade da água subterrânea, tipo de solo, microrganismos nativos, condições econômicas, composição dos combustíveis, etc..
Existem basicamente duas formas de se descontaminar aqüíferos:
1. Bombear as águas subterrâneas para a superfície e aplicar algum tipo de tratamento (“ex situ”).
Os sistemas de tratamento de águas subterrâneas contaminadas mais usuais são: • Lodos ativados convencional;
• Lodos ativados, modalidade aeração prolongada; • Lodos ativados por batelada (LAB);
• Filtros aerados submersos; • Reatores de leito fluidificado.
Em sistemas de lodos ativados (convencional, aeração prolongada e LAB), a biodegradação é o mecanismo responsável por mais de 80 % da remoção de carbono orgânico volátil, sendo menos de 20% removido por volatilização (PARKER et al., 1993). 2. Aplicar um tratamento diretamente no local contaminado através de
biorremediação (“in situ”).
As principais técnicas de biorremediação “in situ” da zona saturada são: • Injeção de ar no aqüífero (“Air Sparging”);
• Injeção de oxigênio;
• Injeção de peróxido de hidrogênio;
• Injeção de aceptores alternativos de elétrons. Os mais utilizados são nitrato, dióxido de carbono, ferro e sulfatos.
No presente trabalho, o sistema de tratamento biológico estudado foi o de Lodos Ativados por Batelada (LAB), que apresenta as seguintes vantagens sobre os sistemas contínuos (EPA, 1986): • O tanque do LAB serve como tanque de equalização na fase de enchimento;
• Visto que o descarte de efluente é periódico, é possível, dentro de certos limites, armazená-lo até que atinja as características desejadas;
• O lodo não é arrastado para fora do reator por oscilações hidráulicas; • Não há bomba de retorno de lodo e nem clarificador;
• A sedimentação dos sólidos ocorre em condições próximas às ideais, minimizando os curtos-circuitos;
• O crescimento de microrganismos filamentosos pode ser facilmente controlado.
Este tipo de tratamento é o mais adequado para zonas urbanas com limitação de área (instalações pequenas), o que normalmente ocorre em postos de serviços. O LAB possui versatilidade de operação, permitindo variações nas taxas de aplicação de carga orgânica e taxas de aeração, pela simples mudança na duração dos períodos do ciclo sem necessidade de instalação de mais equipamentos ou de execução de obras civis.
O presente estudo foi desenvolvido tendo por objetivos: avaliar a tratabilidade de água contaminada com alta concentração de hidrocarbonetos de petróleo (gasolina) por sistemas de lodos ativados por batelada; obter informações para o projeto e a operação deste sistema de tratamento e determinar os mecanismos de remoção de benzeno, tolueno e xileno (BTX) no sistema LAB.
MATERIAIS E MÉTODOS
Operação e descrição da unidade piloto
Uma representação esquemática da instalação piloto de tratamento utilizada é apresentada na Figura 1. T a n q u e d e D e sp e jo p a ra A lim e n ta çã o B o m b a d e A lim e n tç ão R e ato r B io ló g ic o C o m p re ss o r O rifíc io p a ra m e d içã o d e v a z ão d e a r (r em o v ív e l) T u b o e m U p a ra m e d iç ã o d e P re s sã o S a id a d o s G a se s
Figura. Representação esquemática da Instalação Piloto de Tratamento de Água Contaminada com Gasolina.
As principais características operacionais e dimensionais das unidades componentes da instalação piloto são descritas a seguir:
• Tanque de alimentação: para a preparação da água contaminada com gasolina, foi utilizado um recipiente de polietileno com capacidade para 50 litros. Nesta unidade, eram adicionados, diariamente:
◊ 23 litros de água de torneira;
◊ 20 mL na 1ª e 3ª fases e 10 mL na 2ª fase de operação, de uma solução contendo 22,5 g/L de fosfato de potássio e 56,25 g/L de uréia, preparada para manter uma relação DBO:N:P de 100:5:1 e
◊ 40 mL de gasolina na 1ª e 3ª fases de operação e 20 mL na 2ª fase.
A seguir, o recipiente era agitado vigorosamente e deixado em repouso por uma hora para separação da gasolina em excesso.
• Bomba para alimentação: A água contaminada com gasolina era bombeada para o reator biológico através de uma bomba peristáltica calibrada para fornecer uma vazão de 55 mL/min.
• Reator Biológico: Como reator biológico, foi utilizada uma caixa d’água de fibrocimento com capacidade nominal de 50 litros, cujas dimensões eram: comprimento de 48,2 cm, largura de 29,5 cm e altura total de 33,0 cm.
Esta caixa era hermeticamente fechada com uma tampa de aço inoxidável, com vedação em borracha. Na tampa, instalou-se um tubo de PVC com 20 mm de diâmetro para a saída e coleta de amostras de gases.
O ar era fornecido por um compressor e introduzido no reator através de difusores porosos. Para o controle da vazão do ar, foi instalado no tubo de PVC, um tubo em U, transparente, com água em seu interior e aberto para a atmosfera, para a medição da pressão interna e um orifício na saída do mesmo. A vazão de ar foi mantida em cerca de 7 L/min, em todas as fases de operação, e foi escolhida por ser a mínima vazão necessária para manter uma boa mistura no reator.
O controle de volume de água contaminada com gasolina alimentada no reator era feito pela medição diária da altura de líquido no final (± 25,5 cm ou 36 litros) do período de reação, e o descarte era feito até se atingir uma altura de líquido de 11cm ( ± 16 litros). Para a sedimentação do lodo era adicionado 10 mL de solução a 0,1% de polieletrólito catiônico (Optimer 7128 da Nalco Produtos Químicos Ltda.), resultando numa dosagem de aproximadamente 0,3 mg/L.
Partida do sistema
Para a partida do sistema foi utilizado lodo proveniente da estação de tratamento de águas residuárias de uma indústria petroquímica, localizada na cidade de Mauá - SP, que já era adaptado para a remoção de hidrocarbonetos de petróleo.
Fases de operação do sistema
Nas Figuras 2, 3 e 4 são apresentados diagramas de barras descrevendo as 3 fases de operação a que foi submetida a instalação piloto.
• 1ª fase: concentração de DQO média de 900 mg O2/L, com alimentação por um
período de 6 horas, aeração por 16 horas, decantação de 1 hora e descarte/preparação de 1 hora.
Figura. Ciclo de Operação da 1ª fase.
Tempo de duração (horas) Operação 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Alimentação Reação Decantação Descarte/preparação
• 2ª fase: concentração de DQO média de 450 mg O2/L, com alimentação por um
período de 6 horas, aeração por 16 horas, decantação de 1 hora e descarte/preparação de 1 hora.
Figura 3. Ciclo de Operação da 2ª fase.
Tempo de duração (horas) Operação 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Alimentação Reação Decantação Descarte/preparação
• 3ª fase: concentração de DQO média de 750 mg O2/L, com dois períodos de
alimentação e aeração de 3 e 8 horas, respectivamente; decantação de 1 hora e descarte/preparação de 1 hora. Em cada período de alimentação e aeração, era introduzido no reator, metade do volume do tanque de alimentação.
•
Figura 4. Ciclo de Operação da 3ª fase.
Tempo de duração (horas) Operação 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Alimentação Reação Decantação Descarte/preparação Monitoramento do sistema
A fim de se avaliar o desempenho da instalação piloto, foram realizadas medições e análises para a determinação dos parâmetros apresentados na Tabela 1. A coleta e a preservação das amostras, bem como as análises foram realizadas segundo o APHA; AWWA; WEF (1995).
Tabela - Parâmetros e freqüência de análises monitoradas durante o período de estudos.
Parâmetros Freqüência Amostra
PH Diária RB
Temperatura Diária RB
Sólidos em suspensão totais 2 vezes/semana RB,EF Sólidos em suspensão voláteis. 2 vezes/semana RB,EF
DQO 2 vezes/ semana TA,EF
DBO 1 vez/semana TA,EF
BTX 1 vez/ mês TA,RB, L, CA
Legenda TA= Tanque de Alimentação ( água contaminada com gasolina) L - lodo RB= Reator Biológico EF= Efluente Final (tratado) CA= Carvão Ativado APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Resumo dos Principais Resultados e Parâmetros Operacionais
Os principais resultados obtidos na operação da instalação piloto são apresentados na Tabela 2.
Tabela - Valores médios obtidos na operação da instalação piloto de tratamento de água contaminada com gasolina.
Fase de Operação
Parâmetro Unidade
1ª 2ª 3ª
DQO da alimentação mg O2/L 899 ± 204 467 ± 68 771 ± 150
DQO (filtrada) do Efluente Tratado mg O2/L 29 ± 14 20 ± 20 18 ± 13
Eficiência de Remoção de DQO % 96,8 95,5 97,6
DBO da alimentação mg O2/L - 261 ± 12 389 ± 40
DBO (filtrada) do Efluente Tratado mg O2/L - 2 ±2 1 ± 1
Eficiência de Remoção de DBO % - 99,23 99,74
BTX da alimentação µg/L - 9.350 16.400 BTX do Efluente Tratado µg/L - < 10 < 10 Eficiência de Remoção de BTX % - > 99,9 > 99,9 Em suspensão totais mg/L 1.840 ± 106 1.933 ± 311 2.776 ± 369 Sólidos do Reator Em suspensão voláteis mg/L 1.681 ± 79 1.780 ± 276 2.567 ± 348 Em suspensão totais mg/L 71 ± 75 11 ± 9 14 ± 3 Sólidos do Efluente
Tratado Em suspensão voláteis mg/L 59 ± 62 11 ± 8 12,5 ± 2 Nas três fases de operação, o sistema piloto mostrou-se bastante eficiente na remoção de matéria orgânica, atingindo uma eficiência média de remoção de DBO acima de 99% (DBO da alimentação de 389 mg O2/L e DBO filtrada do efluente tratado de 1 mg O2/L na
terceira fase), e de remoção de DQO acima de 95 % (DQO da alimentação de 758 mgO2/L
e DQO filtrada do efluente tratado de 18 mg O2/L, na terceira fase de operação).
Comportamento do Benzeno, Tolueno e Xileno (BTX) no sistema LAB Remoção de BTX na instalação piloto
Para a determinação da eficiência de remoção de BTX na instalação piloto, foram realizadas coletas e análises da alimentação e do efluente tratado na 2ª e 3ª fases de operação. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 3.
Tabela 3 - Valores das concentrações e eficiência de remoção de BTX obtidos na operação da instalação piloto.
Fase de operação
Parâmetro Unidade
2ª 3ª
Concentração no Efluente Bruto µg/L 9.350 16.345
Concentração no Efluente Final (tratado) µg/L < 10 < 10
Eficiência de remoção % > 99,9 > 96,9
O sistema LAB mostrou-se eficiente na remoção de BTX. Verificou-se que partindo de uma concentração inicial de BTX na 2ª fase de operação de 9.350 µg/L e na 3ª fase, de 16.345 µg/L (Tabela 3), conseguiu-se alcançar concentrações menores que 10 µg/L no efluente tratado.
Determinação dos Mecanismos de Remoção de BTX no sistema LAB
Para a determinação das frações de BTX biodegradadas, arrastadas pelo ar e adsorvidas no lodo, foram realizadas análises desses parâmetros, cujos resultados são apresentados na Tabela 4. As amostras da fase volatilizada e do efluente tratado foram coletadas durante as três horas do primeiro período de alimentação do reator, na 3ª fase de operação. Na Figura 5 é apresentada a evolução das concentrações de BTX na fase gasosa coletada em períodos de uma hora, e do efluente tratado, amostrado de uma em uma hora.
Tabela 4 - Resultados das análises de BTX para o período de alimentação.
Parâmetro medido Unidade Resultado
Volume de água contaminada alimentado no período de coleta L 9,95
Volume de ar no período de coleta L 1.260
Volume de líquido no Reator Biológico no final da coleta L 25,59
Concentração de BTX na alimentação µg/L 16.219
Concentração de BTX na fase gasosa µg/L 28
Concentração de BTX total no reator µg/L 452
Concentração de BTX dissolvida no reator µg/L 228
Fazendo-se um balanço de massa de BTX, durante as três horas do período de alimentação do reator, obteve-se:
•
Fração de BTX biodegradada: 71 %•
Fração de BTX arrastada pelo ar: 22 %•
Fração de BTX sorvida no lodo: 3,5 %•
Fração de BTX dissolvida no líquido do reator: 3,5 %0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 1 2 3 Hora de cole ta Conc. de BTX no efluente ( g/l) 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 Concentração de BTX no Ar ( g/l ) AR S/filtrar filtrada
Embora neste trabalho só tenha sido realizada uma amostragem capaz de definir o quanto de BTX alimentado é biodegradado e o quanto é arrastado pelo ar, os resultados obtidos foram consistentes com os valores obtidos na literatura (TABAK et al., 1981; KINCANNON et al., 1983; STOVER; KINCANNON, 1983; PARKER et al., 1993).
CONCLUSÕES
Nas três fases de operação, o sistema de lodos ativados por batelada mostrou-se bastante eficiente na remoção de matéria orgânica, atingindo uma eficiência média de remoção de DBO acima de 99 % (DBO da alimentação de 389 mgO2/L e DBO filtrada do efluente tratado de 1 mgO2/L, na
terceira fase), e acima de 95% em termos de remoção de DQO (DQO da alimentação de 758 mgO2/L e DQO filtrada do efluente tratado de 18 mgO2/L na terceira fase de operação).
O sistema LAB mostrou-se eficiente na remoção de benzeno, tolueno e xileno, alcançando concentrações menores que 10µg/L no efluente tratado. Pôde-se, também, verificar que a biodegradação foi o principal mecanismo de remoção de BTX (71% no período de alimentação com aeração), mostrando que estes compostos foram rapidamente biodegradados ou convertidos em subprodutos pelas reações enzimáticas.
Observou-se que 93 % da remoção de BTX da água contaminada com gasolina ocorria no período de alimentação e os 7 % restantes eram biodegradados ou arrastados pelo ar no período de reação.
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