UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
ESPESSAMENTO DO LODO DE ESTAÇÃO DE
TRATAMENTO DE ÁGUA: AVALIAÇÃO DA
SEDIMENTAÇÃO E FLOTAÇÃO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Manoel Maraschin
Santa Maria, RS, Brasil
2016
ESPESSAMENTO DO LODO DE ESTAÇÃO DE
TRATAMENTO DE ÁGUA: AVALIAÇÃO DA
SEDIMENTAÇÃO E FLOTAÇÃO
por
Manoel Maraschin
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia
Civil, Área de Concentração em Recursos Hídricos, da Universidade
Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para
obtenção do grau de Engenheiro Civil
Orientador: Prof. Dr. Elvis Carissimi
Santa Maria, RS, Brasil
2016
Universidade Federal de Santa Maria
Centro de Tecnologia
Curso de Engenharia Civil
A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova o Trabalho de
Conclusão de Curso
ESPESSAMENTO DO LODO DE ESTAÇÃO DE
TRATAMENTO DE ÁGUA: AVALIAÇÃO DA
SEDIMENTAÇÃO E FLOTAÇÃO
elaborado por
Manoel Maraschin
como requisito parcial para obtenção do grau de
Engenheiro Civil
COMISSÃO EXAMINADORA:
Prof. Dr. Elvis Carissimi
(Presidente/Orientador)
Prof. Dr.ª Andressa de Oliveira Silveira (UFSM)
(Avaliadora)
Prof. Evelyn Paniz (UFSM)
(Avaliadora)
AGRADECIMENTOS
Simplesmente agradecer não é o suficiente para demonstrar o sentimento de gratidão que atribuo aos meus pais bem como minha avó e minha irmã que ao longo desta caminhada pela engenharia terem me incentivado e apoiado e principalmente estimulado a prosseguir com meus sonhos, mesmo quando das dificuldades surgiram durante essa caminhada. Por vocês terei sempre o maior respeito e amor.
Ao professor Elvis Carissimi, pela orientação, confiança, conhecimentos e experiências compartilhadas, sempre com paciência e dedicação aos diversos questionamentos que surgiram, tornando possível a conclusão deste trabalho. Sou grato pela oportunidade de aprendizado e também amadurecimento ao longo deste período de convivência.
A minha querida amiga Keila expresso gratidão em especial a sua infinita paciência nos ensinamentos práticos realizados bem como materiais disponibilizados.
Aos meus colegas de graduação, muitos se tornaram verdadeiros amigos possibilitando que esta jornada torna-se mais proveitosa, levarei vocês para toda vida.
Ao Laboratório de Engenharia e Meio Ambiente (LEMA), representado pela professora Débora, agradeço pela oportunidade de dispor do ambiente de pesquisa.
Por fim, quero agradecer a todos que foram envolvidos e de alguma forma contribuíram na condução deste trabalho.
RESUMO
Trabalho de Conclusão de Curso
Curso de Engenharia Civil
Universidade Federal de Santa Maria
ESPESSAMENTO DO LODO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE
ÁGUA: AVALIAÇÃO DA SEDIMENTAÇÃO E FLOTAÇÃO
AUTOR: MANOEL MARASCHIN
ORIENTADOR: PROF. DR. ELVIS CARISSIMI
Data e Local da Defesa: 29 de Junho de 2016, Santa Maria, RS.
A geração de lodo em estações de tratamento de água (ETAs) ocorre durante as sucessivas etapas de remoção de impurezas desenvolvidas nestas unidades para conferir potabilidade à água a ser utilizada no abastecimento. Os lodos de ETAs são resíduos que apresentam grande quantidade de água além de outros constituintes orgânicos e inorgânicos. A primeira etapa de tratamento dos lodos é o espessamento, que visa à redução do volume da água no lodo aumentando a concentração de sólidos. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar o espessamento por sedimentação e por flotação a ar dissolvido (FAD) do lodo da ETA de São Gabriel - RS. Foram utilizados três distintos polímeros em testes de jarros, a turbidez remanescente da água clarificada após os testes conduziu a utilização dos polímeros utilizados nos ensaios de espessamento. Os parâmetros envolvidos na pesquisa para avaliar os dois métodos utilizados foram a turbidez da água clarificada e a concentração de sólidos no lodo após os ensaios. Para estimativa da produção do lodo foi utilizado uma equação empírica, a produção acumulada durante doze meses de operação foi de 141,33 toneladas de lodo. Quanto aos aspectos qualitativos do lodo foi realizada a caracterização, bem como a classificação dos resíduos segundo a NBR 10.0004 de 2004, os resultados mostraram que o lodo se caracteriza como Classe II A – Não Inerte. Os estudos de espessamento resultaram em uma concentração máxima de sólidos de 7,10% para a dosagem de 1,5 mg pol/gSST do polímero catiônico no ensaio de sedimentação. Para a FAD a porcentagem máxima de sólidos totais registrada foi atingida com a dosagem de 5,0 mg pol/gSST do polímero catiônico e taxa de reciclo de 50% bem como pressão de saturação de 6 atm. Os resultados mostraram que a utilização de polímeros no tratamento dos resíduos da ETA torna-se importante, pois aumentou consideravelmente a eficiência do processo de espessamento tanto por FAD quanto pela sedimentação.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Principais tecnologias de tratamento de água para consumo. ... 14
Figura 2 : Sistema de tratamento de água de ciclo completo. ... 16
Figura 3: Distribuição das frações da água em um floco de lodo de uma ETA. ... 18
Figura 4: Ensaio de clarificação/adensamento de lodo. ... 25
Figura 5: Corte de um sistema de leito de secagem. ... 28
Figura 6: Alternativas de disposição dos resíduos de ETAs em percentual. ... 34
Figura 7: Estação de tratamento de água de São Gabriel ... 36
Figura 8: Cortina de distribuição da ETA. ... 37
Figura 9: Limpeza dos decantadores. ... 38
Figura 10: Fluxograma dos procedimentos laboratoriais desenvolvidos. ... 39
Figura 11: Fluxograma para caracterização dos resíduos sólidos. ... 41
Figura 12: Teste de jarros com 6 unidades e capacidade individual de 2 L. ... 42
Figura 13: Ensaio de sedimentação. ... 43
Figura 14: Câmara de saturação e célula de flotação. ... 45
Figura 15: Produção mensal de lodo. ... 47
Figura 16: Produção acumulada de lodo gerado na ETA de São Gabriel – RS. ... 47
Figura 17: Valores médios da turbidez da água clarificada posterior ao ensaio de espessamento. ... 52
Figura 18: Curvas de adensamento por sedimentação do lodo condicionado com polímero catiônico. ... 53
Figura 19: Curvas de adensamento por sedimentação do lodo condicionado com polímero aniônico. ... 54
Figura 20: Valores médios da turbidez da água clarificada após ensaio de espessamento por FAD. ... 55
Figura 21: Curvas de espessamento por FAD, com taxa de recirculação de 40 e 50%, do lodo condicionado com polímero catiônico. ... 56
Figura 22: Teor de sólidos no lodo após ensaios de espessamento por FAD e sedimentação. ... 57
Figura 23: Turbidez remanescente na água clarificada após ensaios de espessamento por FAD e sedimentação com uso de polímeros. ... 58
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Variáveis físico-químicas para o lodo das ETAs de São Carlos, Araraquara
e Rio Claro. ... 17
Tabela 2: Estimativa da produção de sólidos em razão do tipo de manancial. ... 19
Tabela 3: Faixas usuais dos parâmetros de projeto de adensadores por gravidade. 24 Tabela 4: Parâmetros usuais para projetos de adensadores por flotação. ... 26
Tabela 5: Resultados físico-químicos dos ensaios de espessamento por flotação e por gravidade ... 27
Tabela 6: Produção de lodo na ETA de São Gabriel, quantificação segundo a equação empírica da AWWA. ... 46
Tabela 7: Caracterização do lodo do decantador. ... 48
Tabela 8: Resultados das análises químicas do ensaio de Lixiviação. ... 49
Tabela 9: Resultados das análises químicas do ensaio de Solubilização. ... 49
Tabela 10: Turbidez da água clarificada após ensaios em Teste de Jarros para diferentes polímeros. ... 50
Tabela 11: Teor de sólidos no lodo adensado por sedimentação. ... 52
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ASCE − American Society of Civil Engineers AWWA − American Water Work Association C – Compressão
DBO − Demanda bioquímica de oxigênio DQO − Demanda química de oxigênio ETA – Estação de tratamento de água ETE – Estação de tratamento de esgoto FAD – Flotação por ar dissolvido
− Parâmetro de espessamento
IBGE − Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística PAC − Cloreto de polialumínio
pH–Potencial Hidrogeniônico
PNSB − Pesquisa Nacional de Saneamento Básico SGS – São Gabriel Saneamento
SI − Sedimentação impedida SS − Sólidos em suspensão ST − Sólidos totais
SV − Sólidos voláteis T – Transição
TAS − Taxa hidráulica de aplicação superficial TCS − Taxa de aplicação (ou de carga) de sólidos UFSM– Universidade Federal de Santa Maria
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 10 2. OBJETIVOS ... 12 2.1 Objetivo geral ... 12 2.2 Objetivos específicos... 12 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 13 3.1 Tecnologias de Tratamento ... 13
3.1.1 Sistemas de Tratamento Convencional ou de Ciclo Completo ... 14
3.2 Características dos Resíduos Produzidos em ETAs de Ciclo Completo ... 16
3.2.1 Aspectos Qualitativos do Lodo ... 16
3.2.2 Aspectos Quantitativos do Lodo ... 18
3.3 Metodologias de Quantificação do Lodo ... 20
3.3.1 Determinação em Campo ... 20
3.3.2 Equações Empíricas ... 20
3.4 Legislação e Gestão Ambiental em uma ETA ... 21
3.5.1 Espessamento do lodo de ETA ... 23
3.5.1.2 Espessamento do lodo por flotação por ar dissolvido ... 25
3.5.2 Desidratação ou desaguamento do lodo ... 27
3.5.2.1 Sistemas naturais de desidratação ... 27
3.5.2.2 Sistemas mecânicos de desidratação ... 29
3.6 Descarte dos resíduos das estações de tratamento de água ... 30
3.6.1 Disposição em aterro... 31
3.6.2 Aplicação no solo ... 31
3.6.3 Uso na indústria cimenteira ... 32
3.6.4 Uso na fabricação de material cerâmico ... 33
3.6.5 Disposição em estação de tratamento de esgoto (ETE) ... 33
3.6.6 Situação brasileira quanto à disposição dos resíduos gerados em ETAs ... 33
4 MATERIAL E MÉTODOS ... 35
4.1 Etapa de campo ... 35
4.1.1 Coleta das amostras ... 37
4.2 Etapa laboratorial ... 38
4.2.1 Avaliação quantitativa do lodo ... 39
4.2.2 Caracterização qualitativa do lodo e classificação segundo as normas da ABNT ... 39
4.2.3 Ensaios em Teste de Jarros para escolha dos polímeros ... 41
4.2.4.1 Espessamento do lodo pela sedimentação ... 43
4.2.4.2 Espessamento do lodo por FAD ... 44
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 46
5.1 Avaliação quantitativa do lodo ... 46
5.2 Caracterização qualitativa do lodo e classificação segundo as normas da ABNT ... 48
5.3 Ensaios em Teste de jarros para escolha dos polímeros ... 50
5.4 Ensaios de espessamento do lodo ... 51
5.4.1 Espessamento do lodo pela sedimentação ... 51
5.4.2 Espessamento do lodo por FAD ... 54
5.5 Discussão e avaliação dos processos de espessamento do lodo pela FAD e sedimentação. ... 56
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 59
6.1 Conclusão ... 60
6.2 Sugestões para pesquisas futuras ... 60
REFERÊNCIAS ... 61
APÊNDICE A – TURBIDEZ DA ÁGUA CLARIFICADA EM ENSAIOS DE ADENSAMENTO POR SEDIMENTAÇÃO... 65
APÊNDICE B – ALTURA DA INTERFACE LODO/ÁGUA CLARIFICADA EM ENSAIO SEDIMENTAÇÃO COM POLIMERO CATIÕNICO. ... 66
APÊNDICE C – ALTURA DA INTERFACE LODO/ÁGUA CLARIFICADA EM ENSAIO POR SEDIMENTAÇÃO COM POLÍMERO ANIÔNICO. ... 67
APÊNDICE D – TURBIDEZ DA ÁGUA CLARIFICADA APÓS ENSAIOS DE ESPESSAMENTO. ... 68
APÊNDICE E – ALTURA DA INTERFACE LODO/ÁGUA CLARIFICADA POR FAD. ... 69
1 INTRODUÇÃO
O processamento da água bruta, realizada em estações de tratamento de água (ETAs), envolve inúmeras operações e processos para garantir que os padrões de potabilidade da Portaria nº 2.914 (Brasil, 2011) sejam atendidos. Nestas estações ocorre a remoção de organismos patogênicos e substâncias orgânicas e inorgânicas prejudiciais à saúde humana.
Nesse contexto, são empregadas em larga escala as estações de ciclo completo ou também denominadas estações convencionais, onde ocorrem às etapas de coagulação, floculação, decantação ou flotação, filtração e desinfecção/fluoretação. Estas operações têm como consequência a geração de resíduos denominados lodos, principalmente nas unidades de decantação ou flotação e durante a etapa de retro lavagem dos filtros.
Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), através da publicação da Pesquisa Nacional de Saneamento Básico (PNSB), em 2008 o número de ETAs no Brasil era de 6040 unidades, onde cerca de 57.106 m3/dia de água são tratados. Do montante de ETAs existentes, as convencionais de ciclo completo são responsáveis pelo tratamento de 39,3.106 m3/dia. Souza Filho e Di Bernardo (1999) afirmam que o volume de lodo produzido nestas estações de tratamento de água está na faixa de 1 a 5% do volume da água tratada.
No Brasil, são restritas as medidas que tratam dos lodos das ETAs, sendo que a maioria, cerca de 70% segundo a PNSB de 2008, não têm se preocupado com destinação final para os resíduos produzidos. Desta forma, rios ainda são usados como receptores do lodo das estações, conduzindo a uma situação conflitante do ponto de vista legal e ambiental.
A NBR 10.004:2004 classifica o lodo gerado no processo de tratamento de água como resíduo sólido, logo, sua disposição in natura no meio ambiente é vetada pela Lei nº 12.305 (Brasil, 2010) que define a destinação e disposição final dos resíduos sólidos.
Ainda, a Política Nacional dos Recursos Hídricos – Lei nº 9.433 (Brasil, 1997) e a lei de Crimes Ambientais – Lei nº 9.605 (Brasil, 1998), exigem dos gestores das ETAs uma forma de gerenciamento adequado quanto à destinação correta dos resíduos produzidos e o não cumprimento de tais medidas pode resultar em responsabilidades penais aos envolvidos.
Para Cordeiro (2001) um dos principais problemas enfrentados para atendimento a padrões legais quanto à disposição dos lodos de ETAs está na redução do volume do lodo produzido ou na redução dos volumes a serem dispostos. Ainda, segundo Cordeiro (1999), a umidade presente em uma amostra de lodo pode ultrapassar o valor de 95%. Logo, alternativas que buscam uma redução do volume da água resultam em melhoria no processo de disposição dos resíduos.
Neste trabalho, foi avaliada a primeira etapa envolvendo o sistema de tratamento de lodo de ETAs convencionais, conhecido por espessamento ou adensamento de lodo. Para Reali e Patrizzi (1999) nesta etapa ocorre a separação de parte da água, facilmente removível do lodo, o que possibilita uma redução volumétrica deste, objetivando também menores investimentos em etapas posteriores de desidratação e disposição.
Os testes de adensamento, bem como as demais avaliações, foram realizados com lodo da ETA de São Gabriel – RS, operada pela empresa São Gabriel Saneamento.
2. OBJETIVOS
Neste capítulo serão descritos os objetivos deste trabalho, as avaliações realizadas com o lodo da ETA de São Gabriel – RS desenvolvidas na pesquisa.
2.1 Objetivo geral
O objetivo geral deste trabalho foi avaliar o espessamento do lodo da ETA de São Gabriel – RS, utilizando a flotação a ar dissolvido (FAD) e a sedimentação, visando um comparativo entre os dois processos a partir de dados coletados por meio de ensaios de bancada.
2.2 Objetivos específicos
Caracterizar qualitativa e quantitativamente os resíduos gerados na ETA de São Gabriel;
Avaliar a eficiência de diferentes tipos de polímeros a serem empregados no espessamento do lodo;
Avaliar o espessamento do lodo por sedimentação e por FAD, em escala de bancada, nas condições operacionais de cada uma das técnicas de espessamento.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A presente revisão bibliográfica encontra-se distribuída em cinco partes: a primeira referente aos métodos empregados no tratamento de água. A segunda e terceira parte da revisão é sobre as características quantitativas e qualitativas dos resíduos produzidos em ETAs de ciclo completo. A quarta parte trata da legislação e gestão dos resíduos produzidos. Finalmente, a quinta parte da revisão é sobre os descartes dos resíduos das ETAs.
3.1 Tecnologias de Tratamento
A Lei Federal 11.445 (Brasil, 2007) estabelece diretrizes nacionais para o saneamento básico e para a Política Federal de Saneamento Básico. Esta lei define saneamento básico como o conjunto de serviços, infraestruturas e instalações operacionais de esgotamento sanitário, limpeza urbana, manejo de resíduos sólidos, drenagem e manejo das águas pluviais urbanas e abastecimento de água potável.
O sistema de abastecimento de água potável compreende a captação e adução da água bruta, o tratamento, a reservação, distribuição e as ligações prediais.
Neste contexto as estações de tratamento de água são essenciais para o controle da poluição da água captada em mananciais superficiais, já que em seu estado natural podem não atender aos requisitos de potabilidade exigíveis (RICHTER, 2001).
Diferentemente do tratamento de águas residuais, em que se utilizam principalmente ações biológicas, o tratamento da água para abastecimento humano é, em geral, um combinado de processos físico-químicos (LIBÂNIO, 2010). Segundo Di Bernardo (1995) existem dois tipos de tecnologias empregadas: as que utilizam coagulação química e outro grupo onde tal procedimento não é utilizado. Na Figura 1 encontram-se as duas tecnologias de tratamento de água citadas assim como os seus subgrupos que compõem os principais meios utilizados na potabilização da água.
A filtração lenta compõe o grupo que não utiliza coagulação química. Esta técnica é indicada para uso em pequenas comunidades por ser um processo de
purificação simples. O funcionamento é baseado na retenção de grande parte das impurezas em uma camada de areia pela qual a água se deslocará.
Nos procedimentos que utilizam a coagulação química cita-se a filtração direta, onde as unidades de decantação não são usadas e muitas vezes até os floculadores são dispensados. Os coagulantes são usados em menores concentrações, se comparado a um sistema convencional (REALI, 1999). Para Campos, Reali e Daniel (2001), é possível adotar a filtração direta, desde que acompanhado ao longo do ano a qualidade da água do manancial que se quer fazer uso. Se ao longo deste período for mantida a qualidade da água sem grandes variações é possível se utilizar desta técnica.
Figura 1: Principais tecnologias de tratamento de água para consumo.
Fonte: Di Bernardo e Dantas (2005).
3.1.1 Sistemas de Tratamento Convencional ou de Ciclo Completo
Cordeiro (1999) conclui ser o sistema de tratamento convencional o mais difundido no mundo. Nas estações de tratamento convencionais, há uma sequência clássica dos processos de coagulação, floculação, decantação ou flotação, filtração
e desinfecção. Através destas operações é possível alterar a qualidade da água, conferindo adequada condição sanitária de seu uso pela população.
Em relação aos procedimentos desenvolvidos no interior da ETA, inicia-se pela coagulação química, onde é adicionado, junto à unidade de mistura rápida, um determinado tipo de coagulante, geralmente sais de ferro ou sulfato de alumínio. Para Azevedo et al. (1987), nesta etapa ocorre a formação de coágulos devido à reação do coagulante, o que resulta em um estado de equilíbrio eletrostaticamente instável das partículas.
O próximo estágio do tratamento é o da floculação, responsável pelo agrupamento das partículas eletricamente desestabilizadas, formando uma massa com peso específico maior que o da água, também chamada de floco, sendo sua junção facilitada pela agitação do meio, criando maior contato entre as partículas.
Após a formação dos flocos é necessária sua remoção, operação esta realizada nas unidades de sedimentação ou flotação, neste momento ocorre a separação líquido-sólido. A sedimentação é um processo físico onde partículas agregadas e com densidade maior que o meio liquido tendem a desenvolver um movimento descendente atingindo o fundo do decantador, apenas pela ação da gravidade. Já as ETAs de ciclo completo em que se substituem os decantadores por unidades de flotação a ar dissolvido, os resíduos gerados desenvolvem um movimento ascensional, possibilitado pela ação do ar dissolvido injetado ao tanque de flotação.
Como nem todos os flocos sedimentam, a água decantada é enviada para as unidades de filtração, consideradas como o processo final da remoção de impurezas na ETA. Assim, uma grande parcela dos resíduos fica retida nos decantadores e outra parte nos filtros. Por fim, tem-se a desinfecção, com o objetivo de eliminar organismos patogênicos capazes de resultar em doenças aos consumidores.
A Figura 2 apresenta em leiaute um sistema de tratamento de água convencional por sedimentação.
Figura 2 : Sistema de tratamento de água de ciclo completo.
Fonte: http://www.samaemogiguacu.com.br/eta.htm
3.2 Características dos Resíduos Produzidos em ETAs de Ciclo Completo
Os resíduos oriundos de ETAs são compostos de uma fase sólida e outra líquida, tendo a água da lavagem dos filtros, o lodo dos decantadores e o rejeito de limpeza dos tanques de produtos químicos como principais fontes de sua formação (CORDEIRO, 1999). Segundo Grandin (1992), a origem destes resíduos deve-se a presença de impurezas na água bruta e dos insumos químicos adicionados na etapa de coagulação.
3.2.1 Aspectos Qualitativos do Lodo
Diversos estudos mostram dados sobre as características dos lodos gerados em ETAs, nos quais se analisa os parâmetros tradicionais de DBO (demanda bioquímica de oxigênio), DQO (demanda química de oxigênio), pH (potencial hidrogeniônico), ST (sólidos totais), SV (sólidos voláteis) e SS (sólidos em suspensão), assim como concentrações dos metais presentes nos sólidos. Todas
estas verificações resultam em grande variabilidade de dados, demonstrando a necessidade de individualizar as diversas situações para melhor caracterização dos resíduos, bem como avaliar impactos ambientais, técnicas de remoção da água e a disposição final. A Tabela 1 apresenta valores característicos do lodo de decantadores de três ETAs analisadas por CORDEIRO (2001).
Tabela 1: Variáveis físico-químicas para o lodo das ETAs de São Carlos, Araraquara e Rio Claro.
Parâmetros Araraquara Rio Claro São Carlos
Concentração de sólido em % 0,14 5,49 4,68 Ph 8,83 7,35 7,2 Cor (uC) 10605 − − Turbidez (uT) 924 − − DQO (mg/l 140 5450 4800 Sólidostotais (mg/l) 1620 57400 58630 Sólidos em suspensos (mg/l) 775 15330 26520 Sólidosdissolvidos (mg/l) 845 42070 32110 Alúminio (mg/l) 2,16 30 11100 Zinco (mg/l) 0,1 48,53 4,25 Chumbo (mg/l) 0 1,06 1,6 Cádmio (mg/l) 0 0,27 0,02 Níquel (mg/l) 0 1,16 1,8 Ferro (mg/l) 214 4200 5000 Manganês (mg/l) 3,33 30 60 Cobre (mg/l) 1,7 0,91 2,06 Cromo (mg/l) 0,19 0,86 1,58
Observação: Os valores de turbidez e de cor para lodos mais concentrados não têm sentido de avaliação.
Fonte: Cordeiro (2001)
Outro aspecto importante refere-se ao tamanho das partículas, sendo classificado como parâmetro não tradicional, mas necessário para caracterização dos lodos, pois influencia significativamente na redução do volume da água. Se
houver predomínio de partículas com dimensões reduzidas, haverá dificuldade de remoção da água livre, implicando em aumento da resistência específica, que é o parâmetro usado para avaliar a passagem do líquido através de uma massa sólida.
Uma maior resistência especifica resulta em menor capacidade de filtração da água (CORDEIRO, 1999). Reali (1999) apresenta valores de resistência especifica a filtração entre 5.10¹² e 79.10¹² m/kg para lodos de decantadores, enquanto que os lodos da lavagem dos filtros resultam na faixa de 0,1 a 15.10¹² m/kg.
Smollen e Kafaar (1994) apud Reali (1999) alertam para as diferentes formas físicas da água no lodo, implicando maior ou menor dificuldade da separação da fase liquida da sólida.
A Figura 3 apresenta um modelo fracionário de distribuição da água em um floco de lodo. Deve-se salientar que dentre estas frações apenas a água livre é facilmente removida do lodo (DI BERNARDO, DANTAS e VOLTAN, 2012).
Figura 3: Distribuição das frações da água em um floco de lodo de uma ETA.
Fonte: Smollen e Kafaar, (1994).
A quantidade e as características dos lodos gerados em ETAs variam de acordo com a concentração de impurezas presentes na água a ser tratada, bem como o tipo e a dosagem dos produtos químicos que se fará uso. Do mesmo modo, o lodo obtido do decantador apresentará dados distintos se comparado ao material obtido nos filtros. Estas diferenciações ocorrem tanto no volume dos resíduos produzidos quanto nas concentrações de sólidos. Dessa forma, Ferreira Filho e Sobrinho (1998), informam a necessidade de particularizar a produção das unidades geradoras em um processo de análise.
Para o conhecimento real da produção de lodo resultante do tratamento da água bruta é essencial saber a massa de sólidos secos presente no lodo e o volume de água descartada no processo juntamente com os sólidos, também designado por teor de sólidos.
O teor de sólidos presentes no lodo do decantador apresenta valores na faixa de 0,1% a 2%. Segundo Reali (1999), a maioria das descargas resulta em valores abaixo de 1%. Já para a água de lavagem dos filtros Richter (2001) avalia valores entre 0, 004% a 0,1%. Doe (1990) relacionou a produção de sólidos secos ao tipo de água que será tratada, conforme apresentado na Tabela 2.
Tabela 2: Estimativa da produção de sólidos em razão do tipo de manancial.
Tipo de Manancial Faixa de Resíduos (g de Sólidos por
m³ de Água Tratada) Água de reservatório com boa
qualidade
12 – 18
Água de reservatório com média qualidade
18 – 30
Água de rios com qualidade média 24 – 36
Água de reservatório com qualidade ruim
30 – 42
Água de rios com qualidade ruim 42 – 54
.
3.3 Metodologias de Quantificação do Lodo
Quantificar o lodo é fundamental para o planejamento e funcionamento das unidades geradoras, e definição das operações de tratamento e disposição adequada dos resíduos.
Com o intuito de fornecer dados mais precisos, Di Bernardo e Dantas (2005) afirmam ser desejável, para estações em fase de projeto, realizar ensaios de teste de jarros ou ensaios em estações piloto por período mínimo de um ano, onde serão avaliadas as características da água bruta através da produção dos resíduos. Outra alternativa na fase de projeto para determinação da produção de lodo refere-se à utilização de equações empíricas. Para estações de tratamento existentes pode-se estimar a produção do lodo havendo conhecimento da vazão das mesmas e dos sólidos presentes na água captada ou da turbidez da água.
Segundo Cornwell (1987), os resultados para obter-se a produção global de resíduos sólidos em uma ETA poderão ser com o uso de equações empíricas, método de análise de balanço de massa ou pela determinação em campo.
3.3.1 Determinação em Campo
Neste estudo, os decantadores são divididos em seções longitudinais e avalia-se a quantidade de lodo com equipamento específico. O maior número de verificações deve ocorrer no primeiro terço do decantador, pois se considera que neste local haverá uma maior quantidade de lodo depositado. Deverá ser adotado, no primeiro terço, verificações de metro a metro, no segundo de 3 em 3 metros e para o terço final de 5 em 5 metros. A análise consiste em relacionar o nível da água no decantador com a espessura do lodo neste ponto. O próximo procedimento é coletar uma amostra de lodo no local e encontrar a porcentagem de sólidos secos nas diversas seções de estudo (FONTANA, 2004).
3.3.2 Equações Empíricas
Existem diversas equações empíricas para estimativa da produção global de resíduos sólidos gerados em ETAs. No Quadro 1 estão relacionadas algumas destas equações.
Quadro 1: Equações para quantificação da produção de resíduos sólidos em ETAs
Equação Detalhamento
:Water Research Center - WCR (1979)
P – produção de sólidos (kg de matéria seca/m3
de água bruta tratada)
SS – sólidos em suspensão na água bruta (mg/L)
C – cor na água bruta (ºH) H – hidróxido coagulante (mg/L)
A – outros aditivos, tal como o polímero (mg/L) W – quantidade de sólidos secos (kg/dia) Q – vazão de água bruta tratada (m3
/s) .
American Water Work Association - AWWA (1978)
P – produção de sólidos (kg de matéria seca/m3
de água bruta tratada) T – turbidez da água bruta
W – quantidade de sólidos secos (kg/dia) Q – vazão de água bruta tratada (m3
/s)
Equação de CORNWELL (1987) adaptada por CORDEIRO
(1993)
P – produção de sólidos (kg de matéria seca / m³ de água bruta tratada)
AS – dosagem de sulfato de alumínio (mg/L) T – turbidez da água bruta
W – quantidade de sólidos secos (kg/dia) Q – vazão de água bruta tratada (m³ / s) A – outros aditivos, tal como o polímero (mg/L)
3.4 Legislação e Gestão Ambiental em uma ETA
A gestão de um sistema de tratamento de água deve englobar todas as especificidades do processo, desde a captação da água, o tipo de produtos químicos empregados no tratamento, a geração de resíduos, sua disposição final e consequentes ações de proteção ao manancial. Ao negligenciar alguma destas especificidades acaba-se influenciando todo o processo.
Parsekian (1998), afirma que a visão gerencial dentro da ETA é incipiente. A administração procura conduzir as operações e processos de tratamento de forma a produzir água que atenda aos requisitos de qualidade requeridos pela legislação, o que é importante, porém, a visão dos gestores precisa ser abrangente, contemplando os demais pontos da legislação pertinentes ao assunto. No Quadro 2 são apresentados alguns itens da legislação que devem envolver o gerenciamento das ETAs.
O descarte dos resíduos sem tratamento prévio pode ser visto como uma falha na gestão que envolve o sistema de tratamento. Além de a empresa desrespeitar a legislação ambiental tem-se uma sucessão de problemas, pois os rios como principais fornecedores de água para as estações também realizam o papel, muitas vezes, de receptores dos resíduos gerados. Desta forma aumenta-se a poluição e cada vez mais demandará custos para potabilização da água resultando em maior geração de resíduos.
Quadro 2: Aspectos legais de gestão em um sistema de tratamento de água
Legislação Descrição
Lei nº 6938, de 1981 Dispõe Sobre a Política Nacional de Meio Ambiente .
Resolução do Conama nº 357, de 2005
Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu
enquadramento, bem como estabelece as
condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências.
Resolução do Conama nº 237, de 1997
Dispõe sobre a revisão e complementação dos procedimentos e critérios utilizados para o licenciamento ambiental, necessário para
implantação dos sistemas de tratamento de água.
Leinº 9433, de 1997
Institui a Política Nacional de Recursos Hídricos, cria o Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos. “... outorga pelo poder público do direito de uso dos recursos hídricos, para fins de consumo final, insumo de processo produtivo ou lançamento de resíduos, entre outros usos”. Lei nº 9605, de 1998 Lei dos Crimes Ambientais.
ABNT NBR 10004:2004
Dispõe sobre a definição e classificação de
resíduos sólidos “..ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água .. ”
Lei nº 12305, de 2010 Define resíduos sólidos, e nesta definição se enquadram os resíduos gerados em ETAs.
3.5 Tecnologias de tratamento dos resíduos das ETAs
A preocupação com o tratamento e lançamento de resíduos de ETAs ocorreu inicialmente nos Estados Unidos em 1930, onde uma promulgação da Water Quality
Act (WQA) advertia para o descarte zero. Entretanto não se dispunha de técnicas e procedimentos, requerendo estudos para formação da consciência sobre o problema (CORDEIRO, 1993).
Assim, se passou a avaliar técnicas que objetivam reduzir a concentração da água nos lodos de forma a viabilizar a disposição correta dos resíduos das ETAs, levando a criação de diversas tecnologias. A escolha do método que será utilizado deve levar em conta as características do lodo, as condições climáticas, além de fatores propostos por Reali (1999), como o custo da área para implantação do projeto, distâncias de transporte até o destino final, custo de equipamentos e capacitação dos profissionais.
3.5.1 Espessamento do lodo de ETA
O espessamento do lodo é a primeira etapa de remoção da água dos resíduos das ETAs, sendo um processo preparatório para posterior condicionamento e desidratação. Reali (1999) comenta que nesta etapa ocorre remoção de parte da água do lodo facilitada pelo uso de polímeros, possibilitando uma redução do volume e, consequentemente, otimização dos processos subsequente de desidratação. Outro aspecto importante do espessamento, proposto por Ferreira Filho (1997), trata da recomendação dos fabricantes de equipamentos mecânicos de desidratação para que o lodo entre nestes equipamentos com uma concentração de ST na ordem de 2%.
Para esta primeira etapa de tratamento do lodo poderá ser empregado espessador por gravidade (sedimentação) ou por flotação. A escolha da unidade deve pautar-se em avaliações laboratoriais ou em escala-piloto, de forma a amostrar o lodo a ser espessado, tendo em vista a grande variabilidade das características dos resíduos.
3.5.1.1 Espessamento do lodo por gravidade (Sedimentadores)
As unidades de espessamento de lodos por gravidade são as mais usadas atualmente. O projeto pode ter por base a experiência de outras unidades, desde
que em situações semelhantes, ou através dos resultados de ensaios em laboratório ou escala-piloto. Os principais parâmetros envolvidos no projeto de unidades de espessamento por gravidade com escoamento contínuo descritos por Reali e Patrizzi (1999) são:
− Taxa hidráulica de aplicação superficial (TAS): valor máximo de vazão de lodo aplicada por unidade de área útil (em planta) do adensador (m³ de lodo/m² de área. d);
− Taxa de aplicação (ou de carga) de sólidos (TCS): define o fluxo de sólidos aplicados por unidade de área útil (em planta) do adensador. Expressa o resultado em termos de massa seca (kg) de sólidos suspensos totais aplicados por unidade de tempo (dia), por unidade de área (m²) de adensador (kg de SST/m². d).
Tanto a TAS quanto a TCS variam de acordo com as características do lodo produzido. Na Tabela 3 estão relacionados valores característicos de parâmetros de projeto verificados em espessadores por gravidade e reunidos por Reali e Patrizzi (1999).
Tabela 3: Faixas usuais dos parâmetros de projeto de adensadores por gravidade.
Tipo de Lodo TAS
(m³/m².d) TCS (kg SST/m².d) Teor de sólidos no lodo espessado (% em massa)
Lodos gerados em estações
de Abrandamento - 146 a 292 15 a 35
Lodos que utilizam sulfato de alumínio, condicionado com cal
4,1 a 8,2 25 a 50 6 a 9 Lodos que utilizam sais de
alumínio ou ferro, condicionado com polímero
7,0 a 8,8 50 2 a 5
Fonte: REALI e PATRIZZI (1999)
Outro aspecto importante para o dimensionamento do tanque de adensamento é a realização de ensaios de clarificação/adensamento em uma coluna ou proveta graduada, para determinação da concentração de sólidos. Dessa forma simula-se a unidade de espessamento de lodo por gravidade, onde ocorrem dois tipos de sedimentação de partículas, a sedimentação impedida ou por zona
(SI), e a compressão (C) que ocorre no fundo das unidades (REALI e PATRIZZI 1999).
A SI ocorre quando as partículas encontram-se muito próximas, sedimentando como uma massa única de partículas, ocorrendo dessa forma uma interface bastante clara entre a massa de partículas e o liquido clarificado. Abaixo da região de sedimentação a concentração de partículas torna-se elevada configurando uma região de transição (T) e abaixo desta tem-se a zona de C. A figura 4 mostra as situações encontradas em um ensaio de clarificação/adensamento de resíduos de ETAs conjuntamente com uma curva de sedimentação da variação da interface observada.
Figura 4: Ensaio de clarificação/adensamento de lodo.
Fonte: Adaptado de DI BERNARDO, DANTAS E VOLTAN, (2012).
3.5.1.2 Espessamento do lodo por flotação por ar dissolvido
A metodologia de concepção dos projetos de espessadores por flotação, da mesma forma que para os espessadores por gravidade, deve ter como base a
experiência de unidades existentes e com características semelhantes, assim como ensaios com instalações-piloto ou levantamentos em laboratório.
Os parâmetros envolvidos no projeto dos espessadores por FAD são: − A TAS e a TCS, ambas definidas no item 3.5.1.1;
− Relação entre o fluxo mássico de ar dissolvido fornecido para a flotação e o fluxo mássico de sólidos suspensos totais (SST) afluentes ao flotador (A/S). Essa relação é importante na avaliação da flotação do lodo, pois relaciona a quantia de microbolhas de ar por unidade de massa de SST (REALI e PATRIZZI 1999).
Para Reali (1999), uma das vantagens do espessamento do lodo utilizar flotação em relação à gravidade está na maior TCS, como apresentado na tabela 4, traduzindo em unidades mais compactas.
Tabela 4: Parâmetros usuais para projetos de adensadores por flotação.
Resíduo/Coagulante empregado TCS (kg SST/m².d) Teor de SST (%)
ETAs que usam sulfato de alumínio
ou cloreto de polialumíno (PAC) 30 a 180 3 a 6
ETAs que usam sulfato férrico ou
cloreto férrico 80 a 150 2 a 4
Fonte: Adaptado de AWAA e ASCE, (1996).
Objetivando uma melhor relação entre o emprego de espessadores por gravidade ou flotação Reali e Patrizzi (1999) avaliaram os resultados obtidos para estes métodos dispondo de um mesmo tipo de lodo com mesmo polímero, utilizado na melhor dosagem a depender da operação, os dados reunidos estão dispostos na tabela 5.
Tabela 5: Resultados físico-químicos dos ensaios de espessamento por flotação e por gravidade
Determinações Gravidade 10 , 26 g Espessamento por de N-2/kg de SST
Espessamento por Flotação 4 , 50 g de N-2/kg de SST
Turbidez (uT) 1,5 1,0
Teor de Sólidos no lodo (%) 4,6 7,1
Valor de A/S − 0,024 Parâmetro de espessamento (cm/min) 8,5 60,6 Parâmetro de clarificação (cm/min) 8,2 18,8
Fonte: REALI e PATRIZZI (1999)
Com base nos resultados pode-se verificar que a operação com uso da flotação apresentou eficiência superior ao espessamento por gravidade, com sete vezes ao obtido no sedimentador, além de melhores condições para clarificação da amostra e dosagem significativamente menor do polímero.
3.5.2 Desidratação ou desaguamento do lodo
ASCE e AWWA (1996) apud Sabogal e Di Bernardo (2005) informam da inviabilidade de disposição do lodo em aterro se o único tratamento realizado for o espessamento, já que a concentração de sólidos é, em geral, ≤ 8%. Além disso, essa quantidade de água limita sua utilização na construção civil ou demais formas de beneficiamento desejado.
Objetivando maior remoção da água no lodo utiliza-se a desidratação, podendo ser efetuada por meio de sistemas naturais ou mecânicos, a depender das características que potencializam o uso de um sistema em relação ao outro. O objetivo é resultar em um material com no mínimo 20% de sólidos para viabilizar um meio de disposição, seja em aterros ou formas de reaproveitamento.
3.5.2.1 Sistemas naturais de desidratação
Algumas das particularidades dos sistemas naturais para desidratação dos lodos estão em admitir menores investimentos para implantação, operação e
manutenção, necessidade de grandes áreas e uso, apenas, dos componentes naturais da evaporação e gravidade. Estas características potencializam a adoção dos sistemas naturais para desaguamento do lodo nas estações brasileiras, devido à disponibilidade de área e condições climáticas favoráveis em boa parte do território nacional. Entre os sistemas naturais de remoção da água livre dos lodos das ETAs estão os leitos de secagem e de drenagem e as lagoas de lodos.
Os leitos de secagem são estruturados em três camadas: camada de suporte; meio filtrante e sistema drenante. A camada de suporte, composta por areia, tem a finalidade de manter a espessura do lodo uniforme e facilitar a remoção manual do lodo. O meio filtrante é composto por brita e a camada drenante integra os tubos perfurados (CORDEIRO, 1999). Na figura 5 é apresentado um esquema do leito de secagem com as respectivas espessuras sugeridas para as diferentes camadas. Figura 5: Corte de um sistema de leito de secagem.
Fonte: CORDEIRO (1999).
Estudos realizados por Cordeiro (2001) levaram ao desenvolvimento de uma adaptação aos leitos de secagem, onde é subtraída a camada de suporte e introduzido sobre o meio filtrante uma manta geotêxtil, levando a uma redução no tempo de drenagem da água livre. A este novo arranjo foi denominado leito de drenagem.
Achon et al. (2008) usando o protótipo de leito de drenagem desenvolvido por Cordeiro (2001) obtiveram reduções da ordem de 87% e 83% do volume dos lodos que utilizavam respectivamente como coagulante cloreto de polialumínio e sulfato de alumínio aos sete dias de operação. Em relação à porcentagem de ST os resultados
aos sete dias foram de aproximadamente 28% para o lodo de PAC e de 31% para o sulfato de alumínio evidenciando o potencial para aplicação dos leitos de drenagem como sistemas naturais de desidratação dos lodos das ETAs.
As lagoas de lodo podem ser viáveis, particularmente em regiões onde a taxa de evaporação é superior à de precipitação. A remoção de água em lagoas de lodo pode ocorrer em três fases: evaporação, retirada da água sobrenadante e transpiração.
O projeto de uma lagoa de lodo deve incluir revestimento do fundo e taludes, objetivando redução de riscos com erosão e, também, a infiltração dos resíduos no subsolo, sistema de tubulação para acesso de lodo e saída do decantado e preferencialmente equipamento que realizem a remoção mecânica dos resíduos desidratados (DI BERNARDO, DANTAS E VOLTAN, 2012).
Outro fator importante no projeto e operação de um sistema de desidratação de lodo com lagoa é a profundidade. Para Richter (2009) o ideal é a adoção de um valor entre 1,20 a 1,80m, pois dependendo da profundidade a evaporação pode prolongar-se por longos períodos, tendo em vista a possibilidade de formação de uma crosta na superfície da lagoa, dificultando a desidratação das camadas inferiores.
3.5.2.2 Sistemas mecânicos de desidratação
Compõem um grupo de alternativas atraentes a serem adotadas, quando da indisponibilidade de grandes áreas que os sistemas naturais requerem, além de condições climáticas não favoráveis a evaporação da água, outra vantagem é a maior rapidez no processo.
Pesquisas realizadas por Sobogal e Di Bernardo (2005) alertam que a escolha da técnica de desaguamento mecânico deve considerar o grau de desaguamento requerido ao lodo, que está diretamente associado ao método de aproveitamento ou disposição do resíduo ao qual se pretende aplicar.
No Quadro 3 estão reunidos alguns sistemas de desaguamento mecânico propostos pela literatura.
Quadro 3 – Sistemas de desaguamento mecânico para lodos de ETAs.
Sistema Descrição Fonte
Centrifugação
O processo de separação das fases surge quando o cilindro, submetido a altas rotações possibilita as partículas mais densas serem impulsionadas na parede interna do tambor, ocorrendo à separação solido-liquido. Estudos demonstram que a eficiência da centrifugação pode resultar em uma torta com concentração de sólidos de 16% a 35%.
REALI; PATRIZZI e CORDEIRO (1999). Filtro Prensa de Placas
Consiste em aplicar uma pressão na massa de lodo produzindo a filtração. Pode produzir uma torta com concentração de sólidos na faixa de 30 a 40%, sua utilização é indicada para processos onde o transporte e
disposição exige alta concentração de sólidos. ASCE, (1996), apud MENDES, (2001). Prensa Desaguadora
É classificada como uma tecnologia de baixo custo. Geralmente a concentração de sólidos permanece em 15 a 20% para lodos de sulfato. Sua eficiência é bastante sensível as características da suspensão.
RICHTER (2012).
Filtro Rotativo a Vácuo
Não funciona bem com lodo leve, mais indicado para desidratar sedimentos finos, é o método menos eficaz de filtração e resulta em um custo alto na operação.
RICHTER (2001).
3.6 Descarte dos resíduos das estações de tratamento de água
A disposição dos resíduos das ETAs é uma das tarefas mais complicadas a ser desempenhada pelos gestores do serviço de água, por conta dos altos custos e das restrições legais. Desta forma, são indispensáveis estudos que direcionam a uma solução que atenda ambos os requisitos, ou seja, ser economicamente viável e ambientalmente correto.
Entre as alternativas de disposição final dos resíduos destaca-se: aterro sanitário; fabricação de tijolos; fabricação de cimento e artefatos de cimento; aplicação no solo; incorporação em solos para pavimentação de estradas; descarga na rede de esgoto entre outros (DI BERNARDO, DANTAS E VOLTAN, 2012).
3.6.1 Disposição em aterro
É indispensável à classificação dos resíduos das ETAs quando esta alternativa for utilizada, tendo em vista se este resíduo é perigoso (classe I) ou não perigoso (classe II). Conforme definição pela NBR 10.004: 2004 é usual para os resíduos de ETAs serem classificados, após análises, na classe II A ou II B (Di Bernardo, Dantas e Voltan, 2012). Desta forma os resíduos podem seguir em Aterros Classe II A ou Aterro Classe II B:
Aterro classe II A: destinado a resíduos não inertes, necessitam de impermeabilização com argila e uso de geomembrana, é indispensável à existência de sistema de drenagem e tratamento dos efluentes líquidos e gasosos, além de monitoramento ambiental.
Aterro classe II B: dispensa a impermeabilização do solo, por conta dos resíduos serem inertes, entretanto, requer sistema de drenagem de águas pluviais e monitoramento.
Segundo Richter (2001) a escolha de aterros para descarte dos resíduos é a última das alternativas a ser considerada, devido aos altos custos resultantes do processo, seja por conta da desidratação para atingir a concentração de sólidos requeridos, que neste caso deve estar entre 20 a 25%, ou pelos custos com o transporte do material até o aterro.
3.6.2 Aplicação no solo
A aplicação do lodo em solo natural ou agricultável tem sido o segundo destino mais empregado pelas estações de tratamento de água brasileiras, alcançado apenas pelo lançamento direto nos rios (IBGE, 2008).
A aplicação do lodo diretamente no solo pode resultar em uma alternativa econômica quanto à problemática dos resíduos, já que essa aplicação pode ser dada com os lodos em sua forma líquida, semissólida ou sólida, a depender do tipo de transporte que se pretende adotar.
A grande restrição a que esta alternativa impõe é quanto à toxidade dos resíduos. O sulfato de alumínio é largamente utilizado no tratamento da água, e aos efeitos tóxicos deste componente é atribuída à falta de produtividade de algumas culturas (BONATO, 2000).
Richter (2009) sugere uma aplicação anual correspondente a cerca de 2 a 4 cm do lodo diretamente no solo, entretanto, são indispensáveis pesquisas no local que resultem no conhecimento da taxa de aplicação que pode ser assimilada por este solo, bem como as características do lodo para que não ocorra prejuízo para o solo utilizado como destino dos resíduos da ETA.
3.6.3 Uso na indústria cimenteira
Grande parte dos estudos utiliza os resíduos das ETAs na fabricação de tijolos e demais produtos oriundos da argila. Já a incorporação na produção de concretos é mais restrita, tendo em vista algumas características que inviabilizam seu uso e a falta de pesquisas que retratam as diversas simulações dos diferentes tipos de cimentos existentes para atingir a melhor dosagem.
Hoppen et al. (2003) avaliaram a introdução do lodo centrifugado na produção de concreto com 3% de lodo de sulfato de alumínio em massa e compararam com uma amostra sem adição do resíduo. Os resultados foram satisfatórios para redução de 2% no consumo de cimento, baixa influência em aumento de fissuração no concreto, tensão de ruptura das amostras atingindo valores próximos de 26 MPa tanto aos 7 quanto aos 28 dias, no entanto a amostra com lodo resultou em aumento no teor de absorção de água no concreto afetando sua durabilidade em ambientes agressivos
O alto grau de absorção de água no concreto dosado por Hoppen et al. (2003) impossibilita seu uso em estruturas de concreto onde é exigível maior grau de durabilidade, mas admite a fabricação de artefatos, estruturas pré moldadas e construção de pavimentos em concreto, desde que verificados por ensaios específicos. Outro caminho, apontado por Sales e Cordeiro (2001), trata da mistura dos resíduos das ETAs com os resíduos da construção civil resultando em argamassas e blocos de concretos não estruturais.
Atualmente também vem sendo empregado à mistura dos resíduos desidratados das ETAs na produção de solo cimento, para tanto, deve ser avaliado um número suficiente de misturas dos componentes que resultem em um produto economicamente viável, já que as propriedades dos resíduos gerados nas ETAs podem interferir em maior emprego de cimento tornando muitas vezes o processo inviável.
3.6.4 Uso na fabricação de material cerâmico
Quando os resíduos apresentarem principalmente argila, silte, areia e coagulante poderão ser empregados na fabricação de tijolos, blocos cerâmicos, telhas entre outros produtos na proporção, geralmente, de 10% de lodo desaguado com argila. Alguns fatores como teor de umidade máximo de 20%, baixa presença de material orgânico e cal asseguram maior eficiência no produto final (DI BERNARDO, DANTAS E VOLTAN, (2012).
3.6.5 Disposição em estação de tratamento de esgoto (ETE)
Vista como uma alternativa atraente, pois elimina a implantação de um sistema de tratamento do lodo na ETA, direcionando o gerenciamento dos resíduos para a administração da ETE. O lançamento do lodo pode ser realizado através de caminhões ou diretamente pela rede coletora de esgotos. Se este for o caminho seguido deverá haver um estudo da possibilidade dos resíduos das ETAs serem lançados sem controle na vazão de descarga, caso contrário poderá demandar um reservatório de regularização na ETA que realizará a descarga do lodo com uma vazão de assimilação compatível pela ETE.
3.6.6 Situação brasileira quanto à disposição dos resíduos gerados em ETAs
Mesmo havendo uma legislação que exija que os resíduos das ETAs não sejam depositados in natura nos cursos da água, a grande maioria das estações brasileiras descumpre tais regulamentações, levando direta ou indiretamente a alterações no quadro natural, como aumento nas concentrações de metais tóxicos e SST (Sólidos Suspensos Totais). Estas alterações na qualidade da água são transmitidas a jusante do lançamento dos resíduos, limitando seu uso ou impondo maior dificuldade em tratamentos subsequentes.
Segundo a PNSB do IBGE (2008), mais de 1400 dos 2098 municípios brasileiros com estações que produzem lodo oriundo de ETA, lançam seus resíduos em rios, geralmente, sem qualquer tratamento. A situação ainda encontra-se desfavorável se analisadas as unidades municipais que admitem algum tipo de reaproveitamento dos resíduos, onde o valor atingido contempla apenas 50
municípios. Na figura 6 são apresentados os resultados relativos aos municípios brasileiros e a forma de disposição adotada. Deve ser levado em conta que um mesmo município pode dar mais de uma forma de disposição aos resíduos.
Figura 6: Alternativas de disposição dos resíduos de ETAs em percentual.
4 MATERIAL E MÉTODOS
A pesquisa desenvolvida, assim como os procedimentos metodológicos adotados, teve sua base na identificação do tema e do problema. Neste caso relacionado à primeira etapa de redução do volume de água no lodo produzido em uma ETA, denominada de espessamento do lodo, comparando as técnicas de sedimentação e flotação a fim de produzir dados para avaliar as potencialidades dos dois procedimentos no estudo do lodo em questão. Os dados descritos na pesquisa também serviram de subsídio para a dissertação de Hedlund (2016).
A metodologia empregada na pesquisa divide-se em duas partes: a primeira parte denominada Etapa de Campo e a segunda parte descrita pela Etapa Laboratorial.
4.1 Etapa de campo
Após a pesquisa bibliográfica, foi realizada a coleta do lodo junto à estação de tratamento de água. A coleta ocorreu no município de São Gabriel/RS, localizado nas Bacias Hidrográficas do Rio Vacacaí/Vacacaí - Mirim e do Rio Santa Maria.
O processo de captação e tratamento da água bruta é realizado pela empresa São Gabriel Saneamento (SGS), que assumiu a gestão dos serviços de abastecimento de água e esgotamento sanitário na cidade em 2012, sob regime de concessão, resultado de um processo de licitação pública.
A ETA de São Gabriel (Figura 7) atende, atualmente, cerca de 97% da população da cidade, o que corresponde a pouco mais de 54.000 habitantes. A estação é abastecida por um manancial superficial, o Rio Vacacaí, um dos formadores do Rio Jacuí. No ponto de tomada foi construída uma barragem para elevação de nível da água, sendo a condução até a ETA realizada por canalizações, o processo de tratamento ocorre de forma convencional (estação de ciclo completo).
Figura 7: Estação de tratamento de água de São Gabriel
Fonte: São Gabriel Saneamento
A estação possui capacidade para tratar uma vazão de aproximadamente 220 L/s, mantendo a água dentro dos padrões de potabilidade, mas usualmente opera com vazão média de 137 L/s.
O acesso da água bruta a ETA se da, inicialmente, por uma calha tipo Parshall, onde ocorre a medição da vazão e a mistura dos produtos químicos. Os produtos químicos aplicados são o cloro e o PAC, no início e final da calha Parshall respectivamente, e o processo ocorre de forma automatizada. A calha tem a largura da garganta de 30,5 cm, com capacidade para atender as vazões máximas afluentes.
A estrutura da estação é composta por seis floculadores mecânicos, cada um com área correspondente a 14,52 m² e volume de 36,3 m³. A distribuição da água floculada aos dois decantadores do tipo convencional de fluxo horizontal da ETA, que totalizam uma área superficial de 700 m² e um volume de 1.855 m³, é feita por meio de uma cortina de distribuição, conforme demonstrado na figura 8. A água decantada é recolhida por calhas coletoras e encaminhada ao sistema de filtração composto por seis filtros de fluxo descendente, com leito simples de areia. Cada sistema de filtração possui área de 16,65 m².
Figura 8: Cortina de distribuição da ETA.
Fonte: São Gabriel Saneamento.
4.1.1 Coleta das amostras
A ETA de São Gabriel não conta com processos de tratamento do lodo, descarregando a totalidade do material diretamente no Rio Vacacaí, em uma região a jusante do ponto de captação.
Para o estudo foram coletadas amostras de lodo de um dos decantadores, os quais não apresentam sistema automatizado para remoção do material sedimentado no fundo do decantador. A coleta ocorreu em duas datas, a primeira em 6 de agosto de 2015 e a segunda em 18 de novembro de 2015.
A primeira coleta deu-se na região após a cortina de distribuição, já para a segunda, as amostras foram obtidas após o esvaziamento dos decantadores, durante o processo de higienização, permanecendo uma concentração maior de sólidos no fundo do tanque (figura 9) a fim de obter maior confiabilidade da concentração de sólidos no lodo. Os procedimentos adotados durante a coleta seguiram recomendações da NBR 10.007:2004 (Amostragem de resíduos sólidos) que trata desde a forma de amostrador utilizado assim como da preservação e armazenagem de amostras.
Figura 9: Limpeza dos decantadores.
Fonte: São Gabriel Saneamento.
4.2 Etapa laboratorial
O lodo coletado foi encaminhado a UFSM e armazenado no Laboratório de Mecânica dos Fluídos e Hidráulica. Para o lodo da segunda campanha foi feita a diluição da torta de lodo com um volume de água correspondente ao utilizado para limpeza do decantador, sendo este volume proporcional ao volume de lodo acumulado no fundo do tanque. A estimativa para se chegar ao volume de água empregado na diluição pôde ser efetuada em virtude dos dados estimados para o volume do lodo e a quantidade de água empregada na limpeza dos decantadores, fornecidos pela SGS.
Efetivada a homogeneização dos resíduos com a água, seguiu-se o armazenamento do material ainda nas dependências do Laboratório de Mecânica dos Fluídos e Hidráulica da UFSM, ficando o lodo em um galão de polietileno com capacidade para 200 litros a temperatura ambiente.
Inicialmente, foi feita a caracterização do lodo, avaliando-se características quantitativas e qualitativas do material em estudo. Após, foram realizados os ensaios de teste de jarros para em seguida iniciar os ensaios de espessamento do lodo empregando a sedimentação e a flotação por ar dissolvido. Todos os procedimentos laboratoriais foram realizados no Laboratório de Engenharia e Meio Ambientes
(LEMA) da UFSM, exceto os ensaios de lixiviação e solubilização. Os procedimentos laboratoriais, bem como as etapas seguidas podem ser vistos na Figura 10.
Figura 10: Fluxograma dos procedimentos laboratoriais desenvolvidos.
4.2.1 Avaliação quantitativa do lodo
A análise da produção de lodo em uma ETA é essencial para avaliações dos processos de tratamento do material. Desta forma, através de uma série de dados obtidos pela SGS referentes à turbidez da água bruta assim como os volumes aduzidos pela estação foi estimada a produção de lodo. O período de verificações disponibilizadas pela empresa compreende julho de 2014 a junho de 2015.
Com os dados médios da turbidez empregou-se para a quantificação da massa de lodo a equação da American Water Work Association AWWA (1978), apresentada no subitem 3.3.2.
4.2.2 Caracterização qualitativa do lodo e classificação segundo as normas da ABNT
A caracterização qualitativa do lodo gerado na ETA foi feita através de amostras do material. Foram efetuadas análises físico-químicas dos principais parâmetros: pH; ST; sólidos totais fixos (STF); sólidos totais voláteis (STV); sólidos suspensos totais (SST); sólidos em suspensão fixos (SSF); sólidos em suspensão voláteis (SSV).
Os métodos empregados para caracterização qualitativa do lodo do decantador seguiram os procedimentos descritos pela APHA/AWWA/WEF (2012). O
Quadro 4 apresenta para cada parâmetro sua correspondente metodologia de análise.
Parâmetro Metodologia
ST Amostra é seca a uma temperatura de 103 ºC - 105ºC, até peso constante.
STF Calcinação da amostra durante 1hora a 550ºC. STV Diferença entre ST e STF
SST Filtração em membrana, secagem em estufa a 103ºC por 1 hora SSF Calcinação da amostra durante 1h a 550ºC
SSV Diferença entre SST e SSF pH Método eletrométrico
A classificação dos resíduos do decantador envolve a identificação de seus constituintes e a partir desta identificação é feita uma comparação destes constituintes com concentrações permitidas e normatizadas.
Os procedimentos desta etapa seguiram diretrizes da norma técnica ABNT NBR 10004 de 2004, vinculada às normas ABNT NBR 10005 de 2004, que trata dos procedimentos para obtenção de extrato lixiviado de resíduos sólidos, e da ABNT NBR 10006 de 2004, referente à obtenção do extrato solubilizado de resíduos sólidos. Deste modo, os resíduos sólidos podem ser classificados e enquadrados nas seguintes categorias: Classe I – Resíduo perigoso e Classe II – Resíduo não perigoso, que e subdividida em Classe IIA – Não inertes e Classe IIB – Inertes.
Alguns parâmetros de caracterização passam por uma avaliação visual. Já para as características que não podem ser prontamente avaliadas passa-se ao emprego na NBR 10004. Para a pesquisa em questão, os dados para classificação dos resíduos foram analisados por laboratório devidamente credenciado. O fluxograma (Figura 11) sintetiza a metodologia para avaliação da classe de risco dos resíduos sólidos.
Figura 11: Fluxograma para caracterização dos resíduos sólidos.
Fonte: Adaptado da norma ABNT NBR 10004.
4.2.3 Ensaios em Teste de Jarros para escolha dos polímeros
O critério para seleção do melhor polímero e respectiva dosagem ótima foi realizado a partir de ensaios de teste de jarros. Neste momento avaliou-se três diferentes polímeros doados pela empresa Novatek: Polímero Aniônico com média densidade de carga; Polímero Não Iônico com muita alta densidade de carga; e Polímero Catiônico com muita baixa densidade de carga.
Os ensaios realizados nesta etapa propiciam verificar a eficiência dos diversos polímeros citados a partir da separação da fase liquida da fase sólida, evidenciada pela formação de flocos.
O teste de jarros utilizado na pesquisa (Figura 12), da marca PoliControl, possui capacidade para agitação de seis amostras simultaneamente. Os jarros de acrílico utilizados, com capacidade individual de dois litros, apresentam base quadrada com 15,5 cm de lado sendo graduados na mesma medida. Quanto à forma de dosagem dos polímeros, o equipamento conta com a possibilidade de duas cubetas de vidro para cada jarro.
Os ensaios de coagulação e floculação realizados em laboratório contaram com dosagens dos diferentes polímeros variando de 0 a 5,0 mg pol/gSST, os procedimentos adotados tiveram a seguinte ordem:
Passo 1: Dosagem da quantidade de polímero requerida com consequente disposição às cubetas;
Passo 2: Enchimento dos jarros com lodo;
Passo 3: Com o equipamento programado seguiu-se a agitação rápida das amostras durante 10 segundos a 436 rpm (rotações por minuto);
Passo 4: Passados os 10 segundos da mistura rápida, foi introduzido a quantidade de polímero presente nas cubetas para as amostras de lodo, mantendo a mesma velocidade de agitação das amostras durante mais 10 segundos;
Passo 5: Estando o equipamento programado, ao final dos 20 segundos da mistura rápida, iniciou-se a mistura lenta, estendendo-se durante 1 minuto a velocidade de 51 rpm;
Passo 6: Aparelho é desligado automaticamente, marcando o fim da floculação.
4.2.4 Ensaios de espessamento do lodo
Com os resultados dos ensaios de teste de jarros, foram selecionados para realizar a floculação do lodo os polímeros: aniônico com média densidade de carga e catiônico com muita baixa densidade de carga.
Independente se as amostras seguiriam para as colunas de sedimentação ou para a célula de flotação, ocorreu inicialmente a agitação do lodo realizada no teste de jarros durante 10 segundos a 436 rpm. Decorrido este período foi adicionado a dosagem de polímero requerida. A partir deste momento procedeu-se a agitação lenta por 1 minuto a 51 rpm.
Para possibilitar uma melhor avaliação entre as duas técnicas de espessamento de lodo, ou seja, a flotação e a sedimentação foram plotados gráficos dos principais parâmetros avaliados.
4.2.4.1 Espessamento do lodo pela sedimentação
O método laboratorial usado para avaliação do espessamento do lodo através da sedimentação foi realizado com leituras, em intervalos definidos, da interface lodo/água clarificada no decorrer dos 360 minutos que o ensaio foi realizado, estando à mistura de lodo e polímero em uma proveta graduada com volume de 1,0 L. Na Figura 13 é possível visualizar o procedimento descrito, estando caracterizado na imagem um dos ensaios realizados com o polímero catiônico.
Figura 13: Ensaio de sedimentação.
Finalizada as leituras foram coletadas amostras do lodo e da água clarificada e assim procedeu-se com os ensaios de caracterização.
