Análise do Condicionamento Químico de Resíduos com Alto Teor de Líquido
por Ensaio de Cone: Estudo de Caso com Lodo de ETA
Analysis of Chemical Conditioning of Residues with High Liquid Content by
Cone Test: Case Study with ETA Sludge
DOI:10.34117/bjdv6n5-109
Recebimento dos originais: 17/04/2020 Aceitação para publicação: 07/05/2020
Anthony Bahia Scalioni
Graduando em Engenharia Civil pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Instituição: Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET/MG
Endereço: Avenida dos Imigrantes, 1.000 – Vargem, Varginha – MG, Brasil E-mail: scalioni.anthony@gmail.com
Denise de Carvalho Urashima
Doutora em Engenharia Aeronáutica e Mecânica pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica Instituição: Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET/MG Endereço: Departamento de Computação e Engenharia Civil, Avenida dos Imigrantes, 1.000 –
Vargem, Varginha – MG, Brasil E-mail: urashima@cefetmg.br Mag Geisielly Alves Guimarães
Doutoranda em Engenharia Civil pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais
Instituição: Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET/MG Endereço: Departamento de Computação e Engenharia Civil, Avenida dos Imigrantes, 1.000 –
Vargem, Varginha – MG, Brasil E-mail: mag@cefetmg.br RESUMO
Resíduos com alto teor de líquido em relação ao teor de sólidos em sua constituição, como lodos de Estação de Tratamento de Água (ETA), podem ser submetidos a técnicas de desaguamento visando à redução de seu volume para posterior disposição. Devido à resistência deste fluído ao processo de desaguamento, pode-se optar pelo seu condicionamento químico, que possibilita a liberação da água adsorvida. Uma maneira rápida e econômica de analisar preliminarmente o condicionante, concentração e dosagem a serem empregados seria pelo método do ensaio de cone. Neste trabalho, avaliou-se polímeros em busca do mais adequado ao desaguamento de resíduos gerados no Sistema Autônomo de Água e Esgoto (SAAE) da cidade de Elói Mendes, Minas Gerais. Determinadas as concentrações e dosagens dos condicionantes aniônicos e catiônicos a serem usados, com valores 0,1 e 0,2 % e, 10, 20 e 40 mL/L, respectivamente, procederam-se os ensaios de cone utilizando-se cone geotêxtil tecido. A análise foi feita a partir do volume filtrado e sua turbidez em cada teste. O condicionante químico aniônico, denominado A130, apresentou melhor desempenho, com concentração de 0,2 % e dosagem de 40mL/L. Entretanto visando a um melhor custo benefício em atividades de desaguamento, ao inferir-se para grandes volumes, o mais adequado para o lodo em estudo seria o uso do mesmo polímero à 0,1% e com dosagem de 20mL/L.
ABSTRACT
Wastes with high liquid content in relation to the solids content in their constitution, such as sludge from a Water Treatment Plant (WTP), can be submitted to dewatering techniques in order to reduce its volume for subsequent disposal. Due to the resistance of this fluid to the dewatering process one can opt for its chemical conditioning, which allows the release of adsorbed water. A quick and economical way of a preliminary analysis of the conditioner, concentration and dosage to be employed would be by the cone test. In this paper, polymers were assessed to find out the most suitable one for the dewatering of wastes generated by the Autonomous System of Water and Sewage (SAAE) of Elói Mendes’ city, Minas Gerais. After determining the concentrations and dosages of the anionic and cationic conditioners to be used, with values of 0,1 and 0,2 % and 10, 20 and 40 mL/L, respectively, the cone tests were performed using a geotextile woven cone. The analysis was done from filtered volume and its turbidity in each test. The chemical anionic conditioning agent, denominated A130, presented better performance, with concentration of 0,2 % and dosage of 40mL/L. However, focusing on the best cost-benefit in dewatering activities, inferred for large volumes, for the study sludge the more suitable would be the use of the same polymer at 0,1% with a dosage of 20mL/L.
Key Words: Sludge from WTP, Chemical conditioning, Cone test, Dewatering. 1 INTRODUÇÃO
Políticas de incentivo ao manejo adequado de resíduos, legislações cada vez mais restritivas e altos custos associados à disposição de lodos em aterros têm conduzido pesquisadores e técnicos na busca de soluções mais econômicas para o tratamento e disposição final dos resíduos gerados nas Estações de Tratamento de Água (ETAs), que podem corresponder até 5% do volume de água tratada no processo (Haak, 2011; Fontana & Cordeiro, 2005; Tsutiya & Hirata, 2001).
A ABNT (2004) classifica este lodo como resíduo sólido, e, de acordo com a Política Nacional de Resíduos Sólidos (Lei nº 12.305, 2010), faz-se necessária sua disposição de forma adequada em função da classe do resíduo, verificando a sua toxidade, solubilidade, cor, dureza, dentre outros parâmetros. Todavia, na maioria dos casos, são resíduos do tipo classes II A e II B.
No Brasil, ainda é comum seu lançamento no meio ambiente sem que receba tratamento adequado (Achon et al., 2013; Andreoli et al., 2001; Tsutiya & Hirata, 2001).
Segundo um levantamento feito pelo Ministério Público de Minas Gerais (2009), dentre os 175 municípios pesquisados, apenas 3% têm unidades de tratamento de resíduo e 87% das ETAs lançam seus resíduos nos corpos d’água, o que traz impactos ambientais, como a redução da qualidade dos cursos d’água devido à adição de sólidos; alteração da biota aquática; redução do volume útil do rio devido ao assoreamento e possíveis efeitos tóxicos aos seres humanos e animais (Silveira et al., 2013).
Um dos maiores desafios no correto manejo de resíduos gerados em ETAs é a diminuição dos volumes a serem dispostos (Achon et al., 2008). Devido à alta concentração de líquido em relação à concentração de sólidos e sua elevada resistência à filtração, às vezes torna-se necessário
condicioná-los, promovendo a formação de flocos e consequente liberação da água adsorvida (Guimarães et al., 2014; Reali et al., 1999).
Uma maneira rápida e econômica de analisar preliminarmente o condicionante e a dosagem a serem empregados é o emprego do método do ensaio de cone (Guimarães et al., 2014), metodologia encontrada em Lawson (2008). Sendo assim, o objetivo deste estudo é avaliar o condicionamento químico do lodo de uma ETA usando-se polímeros orgânicos, por meio do ensaio de cone.
Ressalta-se que o objeto da pesquisa ora apresentada foi etapa preliminar em pesquisa sobre durabilidade de geotêxteis usados em desaguamento de lodo de ETA (Urashima et al., 2018).
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Para melhor compreensão dos estudos, traz-se suporte da literatura a respeito de características dos lodos de ETAs, bem como da importância do seu condicionamento nas atividades de tratamento.
2.1 CARACTERÍSTICAS DOS RESÍDUOS DE ETA
Nas ETAs os resíduos são provenientes dos decantadores, da água de lavagem dos filtros, e também dos resíduos de limpeza dos tanques de produtos químicos. Os lodos produzidos nos decantadores de ETAs completas (maioria no Brasil), ou seja, que contemplam unidades de coagulação, floculação, decantação e filtração, podem ter características bem variadas a depender das partículas presentes na água bruta; da dosagem e produtos químicos utilizados nas etapas de potabilização antes da decantação, principalmente na coagulação; da eficiência da sedimentação; do manejo na limpeza dos decantadores e tempo de permanência (Achon, 2013; Andreoli et al., 2001; Tsutiya & Hirata, 2001).
Fontana (2004) ressalta que neste tipo de ETA as características da água de lavagem de filtro sofrem variação em função do coagulante usado caso a base seja de sais de ferro ou de alumínio. Variações sazonais também podem provocar alterações na água, o que modifica as quantidades de produtos químicos utilizados no tratamento bem como as características do resíduo (Guanaes, 2009; Lima, 2016; Reali et al., 1999).
Os lodos apresentam-se como um material fluido, com grande teor de líquido, geralmente maior que 95% (Reali et al., 1999). Segundo Andreoli (2001), a composição do lodo se dá basicamente por água, partículas do solo, material orgânico carreado para água bruta e subprodutos gerados da adição de produtos químicos. As partículas presentes na água bruta a ser tratada são
basicamente colóides, que possuem características que dificultam a remoção da água livre dos lodos.
Reali et al. (1999) salientam que a água da massa do lodo está presente em diferentes formas físicas. Em ordem crescente, considerando-se a influência marcante na dificuldade de separação entre as fases sólidolíquido, observa-se na Figura 1: água livre; água intersticial ou capilar; água vicinal e de hidratação; que correspondem, respectivamente, à parcela não associada às partículas sólidas e que se movem por gravidade; fração presa aos interstícios dos flocos; porção presa à superfície do floco por intermédio de pontes de hidrogênio e; parte ligada quimicamente aos sólidos.
Figura 1. Distribuição da água no floco do lodo (Adaptado de Smollen & Kafaar, 1994 apud Reali et al., 1999).
2.2 TRATAMENTO E DISPOSIÇÃO DE RESÍDUOS DE ETA
Em função das variadas características qualitativas e quantitativas dos lodos, a busca por soluções para o manejo adequado dos resíduos de ETA levou ao desenvolvimento de técnicas diversas (Fontana, 2004). O tratamento do lodo deve ser adequado ao tipo de disposição final do resíduo e seu sucesso está condicionado à análise global de todos os fatores intervenientes (Tsutiya & Hirata, 2001).
Tratando-se das ETAs convencionais, geralmente a primeira etapa consiste no espessamento do lodo e em seguida a desidratação. O espessamento consiste na separação de parte da água mais facilmente removível por adensamento, com vista à diminuição do volume a ser desidratado (Reali et al., 1999). Entretanto normalmente o teor de sólidos alcançado nesta etapa inviabiliza a disposição adequada do lodo, pois a concentração de sólidos geralmente é menor que oito porcento (Sabogal-Paz & Di Bernardo, 2005).
A etapa de desidratação tem como objetivo principal o aumento do teor de sólidos e a consequente diminuição do volume para disposição final. Tal processo pode ser realizado por variados mecanismos, tanto do tipo mecânico como natural. Os métodos mecânicos, tais como as centrífugas, filtro-prensa e filtro à vacuo, dispendem alto custo para implantação e funcionamento (Reali et al., 1999).
Historicamente, a desidratação de resíduos com baixo teor de sólidos em relação ao teor de líquidos era realizada utilizando-se os métodos mecânicos. Entretanto os custos desses sistemas favoreceram o desenvolvimento de novas tecnologias de desidratação naturais, ou seja, sem emprego de energia elétrica (Maurer et al., 2012). Um método natural muito empregado é o leito de secagem, todavia requer grandes áreas para implantação e condições climáticas favoráveis.
Segundo Guanaes (2009), a técnica de desidratação de lodo de ETA por meio de sistemas de confinamento de resíduos (SCRs) pelo emprego de geossintéticos vem sendo considerada promissora. Este método consiste no bombeamento controlado do resíduo dentro do sistema fechado que pode ser composto por geotêxtil tecido ou não tecido, bem como por geocompostos (associação de distintos geotêxteis nas faces externa e interna) com o objetivo de reter a parte sólida do resíduo e permitir a passagem da parte fluída.
2.3 CONDICIONAMENTO QUÍMICO
Devido à complexidade da estrutura do lodo, à alta concentração de líquido em relação à concentração de sólidos, resistência à sedimentação e flotação no estado natural, os resíduos de ETAs geralmente são difíceis de serem desidratados. Em detrimento da hidratação dos sólidos em suspensão, uma ou várias camadas de água ligadas à superfície das partículas formam uma película que impede a sua aglutinação (Fernandes, 2002 apud Haak 2011). Além disso, partículas do lodo são carregadas eletricamente e tendem a se repelirem ao invés de formarem flocos (Lima, 2016).
Portanto para melhorar o desempenho das operações de redução da quantidade de líquido, promover a separação sólido-líquido e facilitar o manejo adequado, faz-se muitas vezes necessário o seu condicionamento (Fowler et al., 2002; Koerner & Koerner, 2006; Lawson, 2008; Satyamurthy & Bhatia, 2009).
Os principais métodos de condicionamento são congelamento, tratamento térmico, aplicação de auxiliares físicos de filtração e aplicação de produtos químicos.
O condicionamento químico consiste na adição de produtos, tais como íons metálicos, cal ou soluções de polímeros sintéticos (polieletrólitos), que resultam na desestabilização ou neutralização das forças químicas e/ou físicas atuantes nas partículas coloidais e no material
particulado em suspensão (Haak, 2011; Reali et al., 1999). Com o condicionamento ocorre a liberação da água adsorvida, que neutraliza as partículas sólidas e permite a sua aglutinação. Assim, estas passam a ter peso específico superior ao da água (Lima, 2016). Com o aumento do tamanho das partículas tem-se também um decréscimo da área superficial específica por peso unitário do lodo, reduzindo-se a resistência à desidratação (Haak, 2011).
Os polímeros são classificados em três categorias básicas de acordo com a carga elétrica apresentada por suas moléculas em solução aquosa: catiônicos, aniônico e não iônicos (Reali et al., 1999).
Os catiônicos promovem a floculação por neutralização de cargas, enquanto os aniônicos e não iônicos formam pontes para superar a repulsão elétrica entre as partículas negativas (Maurer et al., 2012).
Lima (2016) aponta que geralmente os melhores resultados de desidratação são obtidos quando se utilizam polímeros de alto peso molecular e carga. Entretanto o peso molecular tem mais relevância, visto que as forças químicas predominam sobre as eletrostáticas (Fernandes, 2002 apud Lima, 2016).
Dentre os polieletrólitos, em geral, os aniônicos são mais eficazes na desidratação (Fernandes, 2002 apud Haak, 2011). Contudo, na atualidade, estudos apontam que o grau de desidratação está intimamente ligado ao tipo de lodo gerado e de polímero aplicado, bem como à sua dosagem, à otimização de sua concentração, ao tempo de mistura e gradiente de velocidade (Guimarães et al., 2014; Haak, 2011). Sendo assim, as propriedades ótimas do polímero devem ser determinadas por meio de testes de pequena escala (Maurer et al., 2012).
2.4 ENSAIO DE CONE
A escolha do polímero mais adequado para as características do lodo avaliado deve ser feita por meio de testes em laboratório, considerando o tipo de polímero, a concentração da solução polimérica e a sua dosagem por volume de lodo (Guanaes, 2009).
Vários estudos tiveram sucesso fazendo uso de testes de cone para uma análise prévia da necessidade de condicionamento químico do lodo. Embora seja uma metodologia empírica, apresenta uma visão geral da porcentagem final de sólidos, redução de volume e qualidade final do efluente, por meio da análise da turbidez do percolado durante o ensaio (Guimarães & Urashima, 2013).
Verifica-se que com o aumento da dosagem dos polímeros há também um aumento da eficiência da desidratação. Entretanto Haaki (2011) acrescenta que o excesso de polímero adicionado à suspensão coloidal pode levar a saturação da superfície das partículas e consequente
re-estabilização, situação contrária ao desejado. Neste contexto, ensaios laboratoriais são fundamentais para avaliação da dosagem adequada e consequente inferência aos volumes a serem tratados.
3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 MATERIAIS UTILIZADOS
Utilizou-se uma amostra única de lodo, a fim de se evitar distorções nos resultados, polímeros do tipo orgânico e geotêxtil tecido de monofilamentos. O lodo foi cedido pelo Sistema Autônomo de Água e Esgoto (SAAE) da cidade Elói Mendes, Minas Gerais, Brasil, que trabalha com ciclo completo e faz uso de sulfato de alumínio no processo de coagulação. O serviço opera diariamente durante 19 horas, com uma vazão média de aproximadamente 77 L/s. O lodo é proveniente das descargas de dois decantadores, com capacidade de 200.000 litros cada, e da lavagem dos filtros realizadas diariamente.
3.2 ENSAIO DE CONE
Seguindo a metodologia descrita por Lawson (2008), avaliou-se aditivos poliméricos granulares tipo aniônicos e catiônico (Tabela 1), nas concentrações de 0,10 e 0,20%, com dosagens iguais a 10, 20 e 40 mL/L, fazendo-se réplicas visando a representatividade do ensaio.
Tabela 1. Polímeros utilizados
Referência comercial Classificação CH-492 Catiônico CH-494 Catiônico A-100 Aniônico A-110 Aniônico A-130 Aniônico A-150 Aniônico
Para cada concentração e dosagem estabelecidas, o procedimento se deu da seguinte forma:
I. Para cada polímero, foi medida a massa de acordo com a concentração desejada (Figura 2a) e o mesmo foi homogeneizado em água destilada com auxílio de um dispersor por 10 minutos (Figura 2b);
II. Para cada dosagem predeterminada, foi realizada a homogeneização com 500 mL de lodo e posteriormente o lodo condicionado quimicamente foi vertido sobre o cone de geotêxtil (Figura 2c e 2d), preparado a partir de corpos de prova com 30 cm de diâmetro e dobrados em forma de cone;
III. Após seis minutos fez-se a leitura do volume percolado (Figura 2e). O tempo foi adaptado se
comparado à metodologia proposta na literatura, contudo, suficiente para leitura do volume passante segundo Guanaes (2009);
IV. Uma amostra do volume percolado foi coletada em cada ensaio de cone para medição de sua turbidez (Figura 2f).
Figura 2. Etapas do ensaio de cone: (a) Medida do polímero, (b) Homogeneização do polímero, (c) Lançamento do lodo condicionado no cone de geotêxtil, (d) Lodo parcialmente desidratado retido no cone, (e) Volume filtrado e (f) Determinação da turbidez.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Inicialmente testou-se o polímero C492, que apresentou baixo desempenho, impossibilitando a análise da turbidez do percolado. Deu-se continuidade ao ensaio com o polímero C494 e em seguida iniciou-se os testes com os polímeros aniônicos. O polímero A130 mostrou bom desempenho na concentração de 0,1%, fornecendo considerável volume de percolado e baixa turbidez com dosagem de 20 mL/L.
Na sequência, buscou-se desempenho superior ao alcançado com o A130, justificando a não realização da análise dos polímeros A100, A110 e A150 na concentração de 0,2%, procurando-se por uma solução que fosse viável economicamente ao se inferir para grandes volumes. Os resultados obtidos nos ensaios de cone, com os cinco condicionantes em diferentes concentrações e
dosagens, são apresentados na Tabela 2. A análise dos dados da Tabela 2 pode ser feita com auxílio do gráfico na sequência (Figura 3). Os valores de turbidez foram majorados para facilitar a comparação entre os valores.
Nota-se que o aditivo floculante que apresentou melhor desempenho, com menor turbidez e alto volume de percolado, foi o polímero A130 na concentração de 0,2% e dosagem de 40mL/L. Entretanto visto que a análise dá-se a partir do binômio polímero-dosagem, em busca de um melhor custo benefício, foi escolhido fazer uso do mesmo, porém na concentração de 0,1% e com dosagem de 20mL/L.
Tabela 2. Resultados do Ensaio de cone.
P C(%) D(mL/L) VF (mL) T (NTU) C 494 0,10 10 200,00 34,75 20 295,00 20,40 40 289,33 20,00 0,20 10 295,67 19,07 20 333,33 15,80 40 317,00 12,73 A100 0,10 10 ****** 20 309,67 17,49 40 351,50 14,07 A110 0,10 10 ****** 20 300,00 13,92 40 345,00 12,21 A130 0,10 10 276,67 29,28 20 327,67 11,70 40 355,67 9,30 0,20 10 325,67 24,00 20 341,00 8,42 40 352,00 7,11 0,10 10 Sem floculação 20 279,00 49,27 40 349,67 10,71
Onde P: Polímero, C: Concentração, D: Dosagem, VF: Volume Filtrado médio e T: Turbidez.
Figura 3. Análise gráfica dos resultados.
Ressalta-se que, no caso do lodo em estudo, o condicionamento pode ser realizado tanto com polímero aniônico quanto com catiônico (C494), todavia, melhores resultados com a menor concentração (0,1%) foram atingidos com o polímero aniônico A130.
Cogitou-se analisar os percentuais de sólidos, contudo, como foram retiradas amostras próximas à quantidade de 150g de fluído filtrado, os valores apresentaram-se extremamente baixos, menores que 0,1 g de material seco. Para maior inferência e precisão dos resultados, torna-se necessário o emprego de volumes de amostras maiores. Portanto desconsiderou-se esta etapa.
5 CONCLUSÕES
O tratamento e a disposição de resíduos de ETA tem ocupado a agenda de pesquisadores, órgãos regulamentadores e gestores de agências de saneamento devido à necessidade de adequação às normas ambientais e como oportunidade de reaproveitamento do resíduo gerado na potabilização da água.
Dados os grandes volumes destes resíduos, associadas às dificuldades de sua desidratação por meio de sistemas de confinamento de resíduos (SCRs) com geotêxteis, devido sua resistência à filtração, a eficácia do condicionamento químico por inferências preliminares é uma solução promissora.
Diversos fatores podem influenciar nas características dos resíduos provenientes de ETAs e consequentemente no condicionamento destes. Neste sentido, testes laboratoriais, como os ensaios de cone, possibilitam uma análise simples e rápida da viabilidade do condicionamento químico, tipo de polímero, concentração e dosagem, de forma a promover um diagnóstico economicamente viável para a sua adequada disposição final. Além disso, o estudo de condicionamento químico também deve ponderar as particularidades dos resíduos gerados e até mesmo o possível reaproveitamento da água percolada através dos sistemas de confinamento de geotêxteis.
AGRADECIMENTOS
Ao Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET/MG) pela oportunidade de pesquisa. À Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais (FAPEMIG) pelo apoio financeiro. À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo acesso aos Periódicos Capes. Ao Sistema Autônomo de Água e Esgoto (SAAE), Elói Mendes, pelo apoio e disponibilidade do corpo técnico. À empresa HUESKER Ltda pelo fornecimento dos geotêxteis.
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