22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

II-144 - ESTUDO DA DISTRIBUIÇÃO DA ÁGUA LIVRE EM LODO DE ESGOTO SUBMETIDO À DRENAGEM PRÉVIA

Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo - Aluna de Mestrado do Programa de Pós Graduação em Engenharia Ambiental da UFES - Bolsista CNPq

Renate Wanke

Engenheira Civil formada pela Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP). Especialista em Engenharia do Meio Ambiente pela Universidade Federal do Espírito Santo em 2002. Aluna de Mestrado do Programa de Pós Graduação em Engenharia Ambiental da UFES

Karla Ponzo Vaccari

Graduanda do 10º período de Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo. Aluna de Iniciação Científica. Bolsita FACITEC.

Helder Martins

Graduando do 10º período de Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo. Aluno voluntário.

Sérvio Túlio Alves Cassini

Biólogo pela Universidade Federal de Minas Gerais (1975). PhD Microbiologia pela Universidade Estadual da Carolina do Norte (NCSU) – EUA – 1988. Pós-Doutorado em Microbiologia Ambiental na Universidade do Tennessee – EUA – 1997. Prof. Adjunto do DHS e do PMEA - UFES.

Ricardo Franci Gonçalves(1)

Engenheiro Civil e Sanitarista – UERJ (1984), Pós-graduado em Eng. de Saúde Pública -ENSP/RJ (1985), DEA - Ciências do Meio Ambiente - Univ. Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Água – INSA de Toulouse, França (1993), Prof. Adjunto do DHS e do PMEA - UFES.

Endereço (1): Departamento de Hidráulica e Saneamento – Universidade Federal do Espírito Santo – Agência FCAA – Vitória – ES – CEP.: 29060-970 – Brasil – Tel.: +55-(027)

3335-2857 - Fax: +55- (027) 3335-2165 - e-mail:

franci@npd.ufes.br

RESUMO

A desidratação em lodos de esgoto é uma etapa importante no gerenciamento de uma ETE, pois reduz drasticamente os volumes a serem manipulados. Uma etapa anterior e extremamente necessária ao processo de desidratação é o estudo da distribuição dos diferentes tipos de água presentes no lodo de esgoto. A realização desse estudo garante um

melhor entendimento do processo de desaguamento a ser realizado, podendo dessa forma maximizar o seu desempenho. A determinação da quantidade de água livre drenável, ou seja a água facilmente retirada do lodo é importante para a aplicação em processos de desaguamento de baixo custo e com boa eficiência. Apesar da importância da realização do estudo da distribuição da água presente em lodos de esgoto, dados sobre este assunto no mundo são escassos e dados específicos no Brasil são praticamente inexistentes. Este trabalho tem então o objetivo de caracterizar e quantificar os diferentes tipos de água presentes em lodos de esgoto do tipo UASB + BF após drenagem prévia. Para a realização do estudo foram utilizadas duas técnicas: a termogravimétrica e a dilatométrica. A avaliação foi realizada em escala de laboratório com lodo bruto e com lodo condicionado com diferentes doses de polímero catiônico. Os resultados demonstraram que os métodos termogravimétrico e dilatométrico utilizados se mostraram eficientes na determinação dos tipos de água presentes no lodo de esgoto, por apresentarem resultados satisfatórios em um tempo relativamente pequeno. Constatou-se que o condicionamento com polímero melhora a drenabilidade do lodo, que resulta na remoção relativa de grande quantidade de água livre na etapa de drenagem prévia do lodo. De uma forma geral a ação do polímero maximizou a água livre drenável e paralelamente minimizou a água livre não drenável. A água intersticial e de união se mantiveram praticamente constantes ao longo do processo. A comparação de valores de água de união com outros autores demonstrou que o lodo UASB + BF possui uma maior aptidão ao desaguamento que os lodos digeridos anaerobicamente e lodos ativados.

PALAVRAS-CHAVE: Lodo de esgoto, água livre, desaguamento, termogravimetria, dilatometria.

INTRODUÇÃO

A desidratação em lodos de esgoto é uma etapa importante no gerenciamento de uma ETE, pois reduz drasticamente os volumes a serem manipulados. Uma etapa anterior e extremamente necessária ao processo de desidratação é o estudo da distribuição dos diferentes tipos de água presentes no lodo de esgoto. A realização desse estudo garante um melhor entendimento do processo de desaguamento a ser realizado, podendo dessa forma maximizar o seu desempenho. Com base no perfil de umidade de um determinado tipo de lodo pode-se identificar o melhor processo de desidratação a ser utilizado, ou seja de acordo com o tipo de água predominante pode-se escolher o processo de desidratação que terá a melhor eficiência (Gazbar, 1993). É possível através deste estudo escolher entre processos de desidratação naturais como leitos de secagem, ou mecânicos como por exemplo centrifugação.

Em lodos de esgoto quatro diferentes tipos de água podem ser distinguidos de acordo com a forma de união com a partícula sólida (Kopp e Dichtl, 2000):

Água livre: Não está unida à partícula sólida e representa a maior quantidade em lodos de esgoto. Pode ser removida por simples ação gravitacional. Água intersticial: Está unida fisicamente por forças capilares.

Água superficial: Está adsorvida na superfície das partículas sólidas. Pode ser removida por força mecânica ou pelo uso de floculante.

As águas intersticial e superficial exigem forças consideravelmente maiores para serem separadas dos sólidos presentes no lodo. Estas forças podem ser de origem química, quando do uso de floculantes, ou mecânicas mediante a utilização de processos de desaguamento mecanizados, tais como filtros prensas ou centrífugas. A remoção das águas livre, intersticial e superficial do lodo pode resultar em uma redução do volume original de 90% a 95% (Andreoli et al, 2001).

Água intracelular: É a água de constituição da partícula. É parte da fase sólida e só pode ser removida através de forças térmicas que provoquem uma mudança no estado

de agregação da água, isto é, através do congelamento ou evaporação.

Existem vários métodos para quantificar os tipos de água presentes no lodo de esgoto como o Termogravimétrico (Smollen, 1988), Dilatométrico (Heukelekian e Weisberg, 1956), Análise Térmica Diferencial (Bushuk e Mehrotra, 1977), etc. Os métodos termogravimétrico e dilatométrico destacam-se dos demais por apresentarem medidas simples, em um tempo relativamente pequeno com precisão adequada.

Método termogravimétrico - Smollen (1990) propôs um procedimento experimental onde diferentes tipos de água contidos no lodo podem ser quantificados. Após a desidratação

mecânica, a torta de lodo é seca a uma temperatura relativamente baixa (35 ºC) e a umidade controlada até que não exista mais perda de massa. Colin e Gazbar (1995) afirmam que trabalhar com temperaturas mais elevadas pode facilmente modificar de forma irreversível a estrutura física do lodo. Robinson e Knocke (1992) afirmam que este método é dependente do tempo de secagem e da freqüência das medidas e que o erro pode variar de 16 a 20% dependendo dos parâmetros utilizados.

Um resultado característico de um teste dessa natureza é dado pela curva termogravimétrica da figura 1, onde pode-se distinguir três tipos de água (Tsang e Vesilind, 1990). A água intersticial é determinada subtraindo da quantidade de água total, determinada pela concentração de ST, os outros dois tipos de água.

Figura 01 – Distribuição da água em lodos de esgoto

Esta curva é dividida em três fases distintas (Colin e Gazbar, 1995):

Zona de taxa de secagem constante: Durante esta fase, limitada pelo teor de água inicial e pelo primeiro ponto crítico (C1), a secagem ocorre na superfície do sólido e a

velocidade depende somente das condições exteriores como temperatura e umidade. A água evaporada nesta fase é considerada água livre e é medida até o primeiro ponto crítico.

Primeira zona de taxa de secagem decrescente: Nesta zona a superfície é seca e a evaporação se produz no interior do sólido. O vapor chega a superfície por difusão

molecular através do leito. Esta fase é pouco influenciada pelas condições exteriores e representa a evaporação da água fixa nos flocos ou nas partículas do lodo, que corresponde a água intersticial. Esse tipo de água é caracterizada pelo segundo ponto crítico (C2).

Segunda zona de taxa de secagem decrescente: Distingui-se finalmente uma terceira fase que corresponde à umidade residual obtida no equilíbrio, a água quimicamente

ligada à matéria sólida (água de união).

Método dilatométrico - É baseado sobre o fato que a temperatura de congelamento da água de união é inferior àquela da água livre. A quantidade de água de união do lodo é

congelamento da água livre. A quantidade de água de união é calculada como a diferença entre a quantidade total de água e a quantidade de água livre e é dada pelas equações que seguem abaixo:

Água total (g) = W x Ms equação (1)

A temperatura ambiente, a densidade da água é aproximadamente igual a 1 e a expansão do volume de 1 ml de água, da temperatura ambiente (20 a 22ºC) para a temperatura de congelamento (-20 a -25ºC) é de 0.1 ml. Então,

Água livre (ml) = equação (2)

Água de união (g) = Água total (g) - Água livre (g) equação (3)

Sendo:

W = Água total no lodo (%) MS = Massa de lodo (g)

= Variação de nível medida no dilatômetro (ml)

B = Coeficiente de dilatação do xileno medido experimentalmente (ºC-1) T2 = Temperatura de congelamento (ºC)

T1= = Temperatura ambiente (ºC)

Vx = Volume de xileno (ml)

Smith e Vesilind (1995) demostraram que este método é dependente da temperatura de congelamento e da concentração de sólidos do lodo. Para temperaturas de congelamento abaixo de –20 ºC as medidas de água de união tornam-se constantes e para lodos com teor de sólidos abaixo de 2% o desvio padrão é elevado, o que torna as medidas de água de união imprecisas.

Robinson e Knocke (1992) estimaram o erro do método dilatométrico menor que 13%, enquanto que o erro do método termogravimétrico se situa entre 16 a 20%.

De acordo com o processo de desidratação consegue-se retirar diferentes tipos de água. A água livre é eliminada por esforços mecânicos simples, já a água intersticial por processos mecânicos mais eficientes. A água de união só é eliminada por processos térmicos, em temperaturas superiores a 105 ºC.

Apesar da importância da realização do estudo da distribuição da água presente em lodos de esgoto, dados sobre este assunto no mundo são escassos e dados específicos sobre a determinação dos tipos de água no Brasil são praticamente inexistentes. Este trabalho tem então o objetivo de caracterizar e quantificar os diferentes tipos de água presentes em lodos de esgoto de uma ETE do tipo UASB + BF após o desaguamento. Para a realização do estudo foram utilizadas duas técnicas: a termogravimétrica e a dilatométrica. A avaliação foi realizada em escala de laboratório com lodo bruto e com lodo condicionado com diferentes doses de polímero catiônico.

MATERIAL E MÉTODOS

O lodo utilizado neste estudo é proveniente de um sistema de tratamento de esgoto do tipo UASB + BF que consiste na associação de um reator anaeróbio de fluxo ascendente com biofiltros aerados submersos cujo lodo de descarte é recirculado para posterior digestão no reator UASB. A ETE trata esgoto sanitário de características médias de origem doméstica e possui uma vazão de 1,0 l/s. O lodo analisado possui um teor de ST em torno de 4,0% e SV/ST de 75%.

O lodo UASB + BF foi condicionado com polímero catiônico e as concentrações utilizadas foram zero, 2, 4, 6 e 8 Kg/ton. O condicionamento foi conduzido segundo a Water Environment Research Foundation; Guidance Manual for Polymer Selection in Wasterwater Treatment Plants (1993). O lodo após o condicionamento foi submetido a um processo de desaguamento.

As análises realizadas foram sólidos totais (ST), sólidos voláteis (SV), testes clássicos de aptidão ao desaguamento como TSC (tempo de sucção capilar) e REF (resistência específica à filtração), segundo o Standard methods for examination of water and wastewater (1995) e testes de avaliação da distribuição da água presente no lodo como termogravimeria e dilatometria.

Método termogravimétrico - Este método se baseia na secagem do lodo a uma temperatura constante para a determinação dos tipos de água (Tsang e Vesilind, 1990). Com este

propósito foi utilizada uma balança que emite radiação infra vermelha, a qual aquece a amostra e realiza medidas do peso em intervalos de tempo pré-determinados. O equipamento utilizado neste método é uma balança do modelo BG 200 (Gehaka) (figura 2). A temperatura utilizada no teste é de 40 ºC recomendada por vários autores (Smollen, M.,1990; Robinson, J. e Knocke, R., 1992). São colocadas 12,0 g de amostra homogeneizada em um prato de alumínio com área de 113,04 cm2 que recebe radiação infra-vermelha. Ajusta-se a temperatura no equipamento e introduz-se a amostra. O ensaio possui duração média de 14 horas. A balança fornece medidas do peso da amostra que são enviadas automaticamente a um microcomputador.

Figura 2 – Balança com radiação infra – vermelha utilizada no método termogravimétrico

Através da curva termogravimétrica distingui-se três fases distintas no gráfico taxa de secagem x g H20 / g de sólidos secos (Tsang e Vesilind, 1990). Estas fases delimitam os diferentes tipos de água.

Método dilatométrico - Este método é baseado na teoria que a água de união não congela a temperaturas inferiores ao ponto de congelamento da água pura (Heukelekian e

Weisberg, 1956). Para o congelamento das amostras do lodo foi utilizado um freezer com temperatura de –25 ºC. A quantidade de água de união do lodo é medida através de um dilatômetro (figura 3) e é calculada como a diferença entre a quantidade total de água e a quantidade de água livre.

Figura 3 – Dilatômetro

Procedimento da análise dilatométrica:

Determinar a porcentagem de água no lodo - W (%).

Introduzir uma quantidade conhecida de lodo (MS (g)) no dilatômetro contendo 10 ml de xileno. Preencher o dilatômetro com xileno até a metade do tubo de medida.

Anotar o volume de xileno total - Vx (ml) e a temperatura ambiente -T1.

Introduzir o dilatômetro no congelamento (-20ºC a -30ºC) por uma noite e anotar a temperatura - T2.

Medir a mudança de nível do xileno -

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A curva resposta de um teste termogravimétrico é dividida em três fases (figura 4). A curva se inicia com um período em que a taxa é constante e com valores elevados, nesta fase é eliminada a água livre. Este tipo de água é de fácil remoção e em média com 2 h, com 40 ºC consegue-se a eliminação. O segundo período é caracterizado por um decaimento brusco da taxa de secagem. Este período é caracterizado pela remoção da água intersticial que acontece com aproximadamente 4,5 h. A terceira fase é caracterizada por um outro período constante da taxa de secagem e com valores próximos a zero. Neste período o tipo de água predominante é a água de união.

Fig 04a e 04b – Curvas típicas do lodo UASB + BF desaguado e condicionado com polímero catiônico na concentração de 8 Kg / ton obtidas pelo método termogravimétrico

A figura 5 ilustra um gráfico comparativo das taxas de secagem para as várias concentrações de condicionamento do lodo com polímero catiônico. Observa-se que para o lodo bruto (sem condicionamento com polímero) os valores da taxa de secagem foram maiores do que o lodo condicionado. Para o lodo bruto valores típicos são encontrados em torno de 4,5 g/h, enquanto que para o lodo condicionado com polímero valores em torno de 2,5 a 3,5 g/h são encontrados. O tempo de decaimento da curva também se diferencia. Para o lodo bruto com 3,5 h a curva obtém o seu ponto mais baixo, enquanto que para o lodo condicionado este ponto é alcançado em torno de 6,0 h, o que mostra que o condicionamento com polímero diminui a taxa de secagem e aumenta o tempo de secagem.

Tal fato é decorrente da melhoria da drenabilidade do lodo, em função do condicionamento prévio, que resulta em remoção relativa de grande quantidade de água na etapa de drenagem prévia do lodo. Ou seja, com o condicionamento com polímeros a quantidade de água livre drenável é maximizada e retirada na etapa de drenagem prévia. Portanto as taxas são mais baixas e os tempos de secagem são maiores.

Fig 05 – Taxas de secagem (g/h) x tempo (h) para diferentes concentrações de lodo desaguado com polímero catiônico obtidos pelo método termogravimétrico

A figura 6a ilustra a concentração de ST (%) do lodo bruto e da torta de lodo em função das concentrações de polímeros aplicadas. Nota-se que houve um grande ganho de eficiência na concentração de ST da torta com o condicionamento com polímero catiônico. Sem o condicionamento valores típicos de ST da torta são encontrados em torno de 7%, enquanto que com o condicionamento valores da ordem de 14% são freqüentes. Pelo gráfico observa-se também que a concentração de polímero ótima é 4 kg/ton, a qual apresenta maior porcentagem de aumento de ST em relação ao lodo bruto, por volta de 200%.

A figura 6b ilustra valores de TSC em função da concentração de polímero. Nota-se que valores em torno de 170 s para o lodo bruto foram reduzidos para valores menores que 15 s com o condicionamento. Observa-se também que a melhor concentração de polímero aplicada é 4 kg/ton concordando com os resultados ilustrados na figura 6a. A partir dessa concentração a porcentagem de redução em relação ao lodo bruto se mantém aproximadamente constante em torno de 90%.

A figura 6c mostra valores de REF em função da concentração de polímero. Valores típicos para o lodo bruto em torno de 190 .108 m/kg são reduzidos para 20 .108 m/kg com o condicionamento. A concentração ótima de polímero é 4 kg/ton o que está de acordo com os gráficos das figuras 6a e b. Para esta concentração a porcentagem de redução em relação ao lodo bruto chegou a 80% e nota-se que a partir desse ponto o aumento da porcentagem de redução não é muito significativo com o aumento da concentração de polímero.

Figura 6a Figura 6b Legenda:

Figura 6a - ST (%) do lodo bruto e da torta desaguada em função das concentrações de polímero.

Figura 6b - TSC (tempo de sucção capilar) em função das concentrações de polímero.

Figura 6c - REF (resistência específica à filtração) em função das concentrações de polímero.

Figura 6c

A figura 7a mostra a distribuição da água presente no lodo pelo processo da dilatometria. Pode-se perceber que a água livre drenável foi maximizada para a concentração de 8 kg/ton chegando a até 75% da água total presente no lodo. Com o aumento da concentração de polímero nota-se que há uma substituição da água livre não drenável pela água livre drenável ou seja, a ação do polímero foi no sentido de maximizar a água livre drenável e conseqüentemente diminuir a água livre não drenável. Esse processo começa a ter resultados significativos a partir da concentração de 4 kg/ton onde a água livre drenável se torna maior que a água livre não drenável que atinge valores mínimos próximos a 15%. A água de união mostrou uma pequena variação em torno de 5% a 15%.

A figura 7b mostra a distribuição da água presente no lodo pelo processo da termogravimetria. Este método de quantificação apresentou resultados semelhantes ao método dilatométrico. A partir de 4 kg/ton a água livre drenável superou a água livre não drenável. Esse método consegue identificar um tipo de água a mais que o dilatométrico, a água intersticial que varia entre 6% a 10%. A água de união apresenta valores entre 0,7% a 1,5%.

Figura 7a - Distribuição da água presente no lodo via dilatometria

Figura 7b - Distribuição da água presente no lodo via termogravimetria

A tabela 1 mostra valores de água de união de vários autores comparados com resultados obtidos nesse trabalho. Percebe-se que os valores encontrados por Robinson e Knocke (1992) e Smollen (1988) para lodo digerido anaerobicamente através do método termogravimétrico são mais elevados que os encontrados neste trabalho que se encontram por volta de 0,05 a 0,19 g H20 / g DS. Para o lodo ativado com teor de ST = 8,1% estudado por Smollen (1990) os valores de água de união também são maiores que o lodo UASB + BF por

volta de 6,9%. Os resultados obtidos por Chin Chao Wu (1998), Lee (1986), Smith e Vesilind (1995) para lodo ativado e lodo digerido anaerobicamente através do método dilatométrico também são maiores que o encontrado para o lodo UASB + BF que se encontra por volta de 0,26 a 2,44 g H20 / g DS. Os resultados demonstram que o lodo UASB + BF possui menos água de união e conseqüentemente mais água livre que o lodo ativado e lodo digerido anaerobicamente, portanto o lodo UASB + BF possui uma maior aptidão ao desaguamento que estes outros tipos de lodos.

Tabela 1 – Comparação dos valores de água de união deste trabalho com outros autores

A figura 8a mostra a correlação entre água livre drenável e a concentração de polímero. Esta relação mostra uma boa aproximação linear, comprovando uma relação diretamente proporcional entre estes dois parâmetros. As figuras 8b e c mostram a correlação entre os métodos dilatométricos e termogravimétricos. Com relação a água livre (figura 8b) os métodos apresentam uma boa aproximação, mostrando uma relação linear. Com relação à água de união (figura 8c) a correlação não foi boa. Isso se deve principalmente aos erros inerentes a determinação da água de união pelo método termogravimétrico, o qual não fica bem definido na curva termogravimétrica. Com relação à precisão o método dilatométrico é mais preciso, pois pela termogravimetria a distribuição das águas é feita manualmente pela curva o que pode causar erros.

Figura 8a Figura 8b Legenda:

Figura 8a – Relação entre água livre drenável/Vo e a concentração de polímero Figura 8b - Comparação da água livre pelos métodos termogravimétrico e dilatométrico Figura 8c - Comparação da água de união pelos métodos termogravimétrico e dilatométrico Figura 8c

CONCLUSÃO

Este trabalho teve o objetivo de caracterizar e quantificar os diferentes tipos de água presentes em lodos de esgoto do tipo UASB + BF após drenagem prévia. Os resultados demonstraram que os métodos termogravimétrico e dilatométricos utilizados se mostraram eficientes na determinação dos tipos de água presentes no lodo de esgoto por apresentarem resultados satisfatórios em um tempo relativamente pequeno. Os resultados de TSC (tempo de sucção capilar) e REF (resistência específica à filtração) constataram que a dosagem ótima se encontra por volta de 4 kg/ton, que apresentou as maiores porcentagens de redução em relação ao lodo bruto. Constatou-se que o condicionamento com polímero melhora a drenabilidade do lodo, que resulta em remoção relativa de grande quantidade de água livre na etapa de drenagem prévia do lodo. De uma forma geral a ação do polímero maximizou a água livre drenável e paralelamente minimizou a água livre não drenável. A água intersticial e de união se mantiveram praticamente constantes ao longo do processo. A comparação de valores de água de união com outros autores demonstrou que o lodo UASB + BF possui uma maior aptidão ao desaguamento que os lodos digeridos anaerobicamente e lodos ativados.

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