UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
RODRIGO CUSTODIO URBAN
METODOLOGIAS PARA GERENCIAMENTO DE
LODO DE ETA E ETE
CAMPINAS 2016
METODOLOGIAS PARA GERENCIAMENTO DE LODO DE
ETA E ETE
Rodrigo Custodio Urban
Tese de Doutorado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por: Prof. Dr. Ricardo de Lima Isaac
Presidente e Orientador/UNICAMP
Prof. Dr. Edevar Luvizotto Júnior UNICAMP
Profa. Dra. Emilia Wanda Rutkowski UNICAMP
Profa. Dra. Dione Mari Morita USP
Prof. Dr. Ronaldo Stefanutti UFC
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
por auxiliar na conclusão da Tese após diversos imprevistos e desafios;
Ao Prof Dr. Paulo Barbosa e ao Prof. Dr. Edevar Luvizzoto Júnior, pelas considerações pertinentes no exame de qualificação e por instigar a busca por modelos estocásticos, de simulação e de otimização, para representar o problema da Tese;
Ao Prof. Dr. Edevar Luvizzoto Júnior, Profa. Dra Emilia Wanda Rutkowski, Profa. Dra. Dione Mari Morita e Prof. Dr. Ronaldo Stefanutti por aceitarem o convite e fazerem parte da comissão julgadora da defesa da Tese. Além disso, por elucidarem diversas questões que ainda estavam em aberto na pesquisa, contribuírem de maneira significativa para o enriquecimento da Tese, conforme suas áreas de atuação e instigarem uma discussão mais profunda sobre os assuntos abordados;
À CAPES pela concessão da bolsa de estudo durante o meu primeiro ano do Doutorado; À Secretaria da Pós-Graduação, pelo atendimento sempre solícito e rápido.
À minha mãe Margarida Maria Custodio Urban e minha irmã Beatriz Custodio Urban pelo incondicional apoio e por entenderem meus períodos de ausência em todos os anos de graduação, mestrado e doutorado. Ao meu pai Valdemir Urban pelo suporte em minha trajetória acadêmica.
À Liane Yuri Kondo Nakada pela companhia inspiradora, pelo apoio nos momentos mais difíceis e por me auxiliar em diversas questões técnicas, científicas e de escrita.
A todos meus amigos e familiares, que de alguma forma me apoiaram e ajudaram a vencer esta etapa da vida acadêmica.
objetivo desta Tese é propor metodologias baseadas em sistemas de informação geográfica (SIG), otimização linear e simulação pela abordagem da dinâmica de sistemas (DS), para auxiliar o gerenciamento de lodo de ETA e ETE. Por meio de dados tabulares e vetoriais de diversas fontes, programas computacionais de SIG, de simulação e planilhas de cálculos, quatro metodologias foram propostas. A primeira metodologia consiste em um cruzamento preliminar das potenciais áreas de recepção de lodo com agrupamentos de estações (clusters). Como etapa auxiliar foi adaptada uma metodologia de identificação de aptidão do solo à recepção de lodo de esgoto. A segunda metodologia utiliza SIG para determinação das distâncias rodoviárias entre as estações e os potenciais receptores. Por meio da resolução de um problema de otimização linear é definido o local de destinação e quantidade de lodo a ser enviada em cada caso. A terceira metodologia consiste de um modelo DS elaborado para auxiliar o gerenciamento de lodo de uma ETA, a partir de simulação de custos dos sistemas de saneamento em função do tempo. A quarta metodologia integra as três anteriores para determinar a viabilidade da implantação de unidades de gerenciamento de lodo. À exceção da primeira, todas as metodologias se mostraram robustas o suficiente para subsidiar a tomada de decisão de gestores de empresas de saneamento e podem ser usadas para o gerenciamento individual ou conjunto de resíduos de saneamento. Pode-se afirmar que as ferramentas utilizadas individualmente tem menor potencial do que quando utilizadas em conjunto. Por isso, para tomada de decisão melhor subsidiada sobre o gerenciamento de lodo de ETA e ETE, a utilização conjunta de diferentes ferramentas tecnológicas é essencial. Para avaliação das metodologias foram utilizadas como estudo de caso as bacias dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí, isso permitiu identificar que o maior problema para adoção dos métodos é a disponibilidade qualitativa e quantitativa dos dados das empresas de saneamento. É essencial que haja um plano de coleta e organização de dados de: custos operacionais do tratamento de água e esgoto; quantificação e caracterização dos resíduos e insumos usados nas estações de tratamento. A combinação das metodologias apresentadas nesta Tese permite a execução da análise detalhada da solução ótima de envio de lodo dentro de uma unidade territorial, assim como de simulação de custos de sistemas complexos de gerenciamento de lodo, subsidiando de maneira robusta a tomada de decisão de gestores de empresas de saneamento. As técnicas utilizadas são replicáveis, podendo ser utilizadas em diferentes unidades territoriais que necessitem de um plano de gerenciamento de resíduos.
Palavras-chave: Sistemas de Informação Geográfica, Otimização Linear, Dinâmica de Sistemas, Modelos de Simulação, Gerenciamento de Resíduos
friendly final destination. The aim of the present thesis is to propose methodologies based on Geographic Information Systems (GIS), linear optimization and simulation by the System Dynamics approach (SD), as means to assist both the WTP and the WWTP sludge management. Four methodologies were proposed based on tabulate and vector data from several sources, softwares of GIS and simulation, and calculus spread sheet. The first methodology consists of overlaying potential areas for the application of sludge with WTP and WWTP clusters. A subsidiary methodology for identification of land feasibility to receiving WWTP sludge was developed. The second methodology uses GIS for determining the distances among several treatment plants and the potential sites for sludge application. The amount of sludge for each reception site was defined by solving a linear optimization problem. The third methodology consisted of elaborating a SD model to assist the sludge management in a WTP, by simulating the costs of sanitation systems as a function of time. The fourth methodology integrated the three previous methods to determining the feasibility of sludge management units (SMU) implementation. Exception for the first method, all methodologies showed to be robust enough to support the decision makers from sanitation companies and can be applied for individual as well as pool management of sanitation residues. It can be stated that the tools used individually have lower potential than when used together. Therefore for better decision making subsidized on sludge management WTP and WWTP, the joint use of different technological tools is essential. In order to evaluate the methodologies the basins of the rivers Piracicaba, Capivari and Jundiaí, were used as a case study. It was verified that a lack of qualitative and quantitative data availability was the biggest problem for the adoption of the methods by sanitation companies. It is essential to have a survey plan and organization of data: operating costs of water and wastewater treatment; quantification and characterization of materials and wastes in treatment plants. The combination of methodologies presented in this work allows the execution of the detailed analysis of the optimal solution of sludge disposal within a territorial unit, as well as simulation of complex sludge management systems costs, subsidizing robustly the managers decision making of sanitation companies. The techniques used are replicable and can be applied to different territorial units that need an integrated waste management plan.
Key-words: Geographic Information System, Linear Optimization, System Dynamics, Simulation Models, Waste Management
alternativas de tratamento, aproveitamento e disposição. ... 24
Figura 3-2. Formas de redução do volume de lodo de ETA. ... 26
Figura 3-3. Fluxograma de uma estação de esgotos utilizando o método de lodos ativados. .. 27
Figura 3-4. Fluxograma de um sistema composto por reator UASB seguido por lodos ativados... 28
Figura 3-5. Seis cenários de tratamento de lodo estudados por Miyanoshita et al. (2009) ... 44
Figura 3-6. Relação entre os elementos geométricos e tabulares em SIG. ... 47
Figura 3-7. Exemplo de a) diagrama de ciclo causal e b) diagrama de estoque e fluxo, partes integrantes de um modelo de dinâmica de sistemas. ... 51
Figura 3-8. Passos iterativos na modelagem em dinâmica de sistemas ... 52
Figura 3-9. Sistemas de tratamento de água e de esgoto nas Bacias PCJ . ... 53
Figura 3-10. Localização das bacias dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí. ... 55
Figura 4-1. Passos iniciais da metodologia simplificada baseada em SIG. ... 57
Figura 4-2. Mapa de áreas de gerenciamento de lodo de ETA e indústrias cerâmicas nas bacias PCJ e ao redor. ... 59
Figura 4-3. Mapa de áreas de geração de lodo de ETE e uso do solo nas Bacias PCJ. ... 63
Figura 4-4. Resultado da análise de correspondência múltipla entre as áreas, tecnologias de tratamento de esgoto e produção de lodo de esgoto nas bacias PCJ. ... 64
Figura 4-5. Gráfico da quantidade de ETE em função da produção de lodo separado por áreas. ... 64
Figura 5-1. Mapa de aptidão do solo da bacia PCJ à aplicação de lodo de esgoto... 70
Figura 5-2. Uso e ocupação de áreas com classe de restrição 1, 2 e 3 à aplicação de lodo de esgoto – bacia PCJ. ... 72
Figura 5-3. Uso e ocupação de áreas com classe de restrição 1 e 2 à aplicação de lodo de esgoto – Bacia PCJ... 73
Figura 6-1. Resumo da metodologia baseada em SIG e otimização linear para a seleção de locais para envio de lodo de ETA ... 79
Figura 6-2. Resumo da metodologia baseada em SIG e otimização linear para a seleção de locais para envio de lodo de ETA ... 80
Figura 6-3. Mapa de produção de lodo de ETA e localização de indústrias cerâmicas nas Bacias PCJ e proximidades. ... 83
Figura 6-5. Áreas de recepção de lodo e capacidade, com a incorporação de 5% de lodo no
processo produtivo, utilizada por envio das ETA. ... 87
Figura 6-6. Áreas de recepção de lodo e capacidade, com a incorporação de 2% de lodo no processo produtivo, utilizada por envio das ETA. ... 89
Figura 6-7. Mapa de produção de lodo de ETE e classes de restrição à aplicação de lodo de ETE em uso do solo de plantação de cana de açúcar e reflorestamento, nas Bacias PCJ. ... 91
Figura 6-8. Localização das ETE das bacias PCJ e capacidade de recepção disponível das áreas aptas à recepção de lodo, considerando aceitação de até 100% da capacidade. ... 94
Figura 6-9. Localização das ETE das bacias PCJ e capacidade de recepção disponível das áreas aptas à recepção de lodo, considerando aceitação de até 50% da capacidade... 95
Figura 6-10. Localização das ETE das bacias PCJ e capacidade de recepção disponível das áreas aptas à recepção de lodo, considerando aceitação de até 10% da capacidade... 96
Figura 7-1. Diagrama de ciclo causal de uma estação de tratamento de água ... 100
Figura 7-2. Diagrama de ciclo causal de um sistema de gerenciamento integrado de lodo .. 101
Figura 7-3. Modelo DS do gerenciamento integrado de lodo de ETA ... 113
Figura 7-4. Modelo DS do gerenciamento integrado de lodo de ETE... 114
Figura 7-5. Processo de tratamento das ETA 3 e 4 de Campinas. ... 115
Figura 7-6. Processo de tratamento de esgoto da ETE Anhumas de Campinas ... 115
Figura 7-7. Sequência de cenários indicados para envio do lodo de ETA, conforme resultado da simulação. ... 121
Figura 7-8. Tarifa cobrada pelo uso da água em função do tempo, para os cenários estudados ... 122
Figura 7-9. Comparação do custo final anual do sistema de tratamento e abastecimento de água entre os cenários propostos ... 123
Figura 7-10. Comparação do custo final anual do gerenciamento de lodo das ETA 3 e 4 .... 124
Figura 7-11. Comparação dos custos finais anuais das etapas de gerenciamento do lodo das ETA 3 e 4 ... 124
Figura 7-12. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema em função da demanda de água per capita. ... 128
Figura 7-13. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema do tratamento e abastecimento de água em função da concentração média de sólidos em suspensão totais no manancial... 129
Figura 7-15. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema de afastamento e tratamento de esgoto em função da concentração média de sólidos em suspensão no afluente da ETE ... 131 Figura 7-16. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema de tratamento de água em função da dosagem de coagulante utilizada na ETA. ... 132 Figura 7-17. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema de tratamento de água em função da constante de coagulação adotada na estimativa de lodo. ... 133 Figura 8-1. Diagrama de ciclo causal de um sistema de tratamento e abastecimento de água ... 138 Figura 8-2. a) Diagrama de ciclo casual do sistema de tratamento de água enviando o lodo para UGL e b) diagrama de ciclo causal de uma UGL ... 138 Figura 8-3. Modelo DS do sistema simplificado de tratamento e abastecimento de água de uma ETA ... 142 Figura 8-4. Modelo DS do sistema de gerenciamento de lodo de ETA de uma UGL ... 143 Figura 8-5. Mapa de calor (densidade espacial de pontos) com raio de influência de 25 km em torno da localização das ETA das Bacias PCJ. ... 146 Figura 8-6. Mapa de calor (densidade espacial de pontos) com raio de influência de a) 10 km, b) 20 km, c) 30 km e d) 40 km em torno da localização das ETA das Bacias PCJ. ... 147 Figura 8-7. Mapa de localização das UGL propostas para as Bacias PCJ e as respectivas ETA que enviariam o lodo gerado para essas UGL. ... 149 Figura 8-8. Mapa da localização das UGL e dos centros cerâmicos, com sua capacidade potencial de absorção de lodo utilizada. ... 152 Figura 8-9. Comparativo de incremento de custos do cenário de implantação das UGL em relação ao cenário de gerenciamento individual de lodo das Bacias PCJ. ... 153 Figura 8-10. Resultados da análise de sensibilidade do modelo de simulação dos custos com o tratamento de água para uma ETA no cenário da implantação das UGL ... 154 Figura 9-1. Hierarquização do gerenciamento de resíduos sólidos. ... 167 Figura 9-2. Fluxograma das etapas do gerenciamento de lodo de ETA ou ETE com base nas metodologias elaboradas e ferramentas estudadas... 167 Figura 9-3. Fluxograma das etapas do planejamento de implantação de UGL ... 168
Tabela 3-2. Características gerais de lodos de ETA e características de lodos usados com
sucesso na produção de blocos cerâmicos e agregados (% massa seca). ... 30
Tabela 3-3. Métodos de recuperação de coagulantes de lodos de ETA e pontos favoráveis e contrários à sua aplicação. ... 33
Tabela 3-4. Limitantes da utilização de biossólidos na agricultura. ... 37
Tabela 3-5. Limites legais para o uso de biossólidos na agricultura em alguns países. ... 39
Tabela 3-6. Compostos orgânicos possivelmente encontrados em lodo de ETE. ... 40
Tabela 3-7. Custo de disposição do lodo de ETA no Reino Unido. ... 43
Tabela 4-1. Informação quantitativa das áreas de gerenciamento de lodo propostas ... 60
Tabela 5-1. Critérios para classificação da aptidão do solo à recepção de lodo de esgoto. Critérios adaptados de Andreoli et al. (2000), Andreoli et al (2007) e Souza et al. (2008). ... 69
Tabela 5-2. Porcentagem da área ocupada e capacidade de recepção de cada uso do solo em relação ao grau de restrição à aplicação de lodo de esgoto. ... 75
Tabela 6-1. Características dos centros cerâmicos estabelecidos para a recepção de lodo de ETA ... 84
Tabela 6-2. Quantidade de ETA com lodo enviado para cada centro cerâmico ... 90
Tabela 7-1. Parâmetros para a simulação DS do gerenciamento do lodo das ETA 3 e 4 e ETE Anhumas, Campinas, Brasil ... 116
Tabela 7-2. Variáveis dos cenários e seus respectivos valores ... 119
Tabela 7-3. Variáveis de decisão e valores ótimos das funções objetivo. ... 121
Tabela 7-4. Parâmetros selecionados para a análise de sensibilidade, agrupados em função do objetivo da análise... 126
Tabela 8-1. Parâmetros fixos para as simulações DS dos sistemas simplificados de tratamento e abastecimento de água das ETA e do gerenciamento do lodo das possíveis UGL das Bacias PCJ. ... 144
Tabela 8-2. Parâmetros variáveis para as simulações DS dos sistemas simplificados de tratamento e abastecimento de água das ETA e do gerenciamento do lodo das possíveis UGL das Bacias PCJ ... 144
Tabela 8-3. Informações sobre os municípios componentes das UGL propostas para as Bacias PCJ ... 148
Tabela 8-4. Valores adotados no modelo DS para as UGL em função dos resultados obtidos em análise preliminar dos dados ... 151
Tabela 9-2. Potencialidades e fragilidades das principais formas de uso dos lodos de ETA. 157 Tabela 9-3. Partes envolvidas na gestão de lodos de ETA e ETE, suas participações e interesses. ... 158 Tabela 9-4. Potencialidades e fragilidades das ferramentas utilizadas para a elaboração das metodologias auxiliares de gerenciamento de lodo de ETA e ETE. ... 159
1.1 Apresentação da Estrutura da Tese ... 20
2 OBJETIVOS ... 22
2.1 Objetivo geral ... 22
2.2 Objetivos específicos ... 22
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 23
3.1 Geração de lodo em sistemas de saneamento ... 23
3.1.1 Estações de tratamento de água (ETA) ... 23
3.1.2 Estações de tratamento de esgoto (ETE)... 27
3.2 Formas de destinação final de lodo de ETA ... 28
3.2.1 Uso do lodo de ETA como material de construção civil ... 29
3.2.2 Uso de lodo de ETA em processos de recuperação de coagulantes ... 32
3.2.3 Uso do lodo de ETA como adsorvente de poluentes ... 33
3.2.4 Disposição de lodo de ETA no solo ... 34
3.2.5 Outros possíveis usos do lodo de ETA ... 35
3.3 Formas de destinação final do lodo de ETE ... 36
3.3.1 Disposição de lodo de ETE no solo ... 36
3.3.2 Outras possíveis aplicações de lodo de ETE ... 41
3.4 Aspectos gerenciais do lodo de ETA e ETE ... 42
3.4.1 Logística e sua aplicação nas etapas de produção e disposição do lodo ... 42
3.4.2 Utilização de geotecnologias na otimização de processos de destinação final de lodos ... 46
3.4.3 Pesquisa operacional, modelagem, métodos de simulação e dinâmica de sistemas ... 48
3.5 Bacias hidrográficas dos Rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí... 52
4 METODOLOGIA SIMPLIFICADA BASEADA EM SIG PARA AUXILIAR O GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA E ETE ... 56
4.2 Resultados do estudo de caso e discussão da aplicabilidade da metodologia
simplificada ... 58
4.2.1 Mapa temático de lodo de ETA ... 58
4.2.2 Mapa temático de lodo de ETE ... 61
4.3 Considerações finais sobre a metodologia simplificada ... 65
5 MAPA DE APTIDÃO DO SOLO À APLICAÇÃO DE LODO DE ESGOTO: ESTUDO DE CASO DAS BACIAS PCJ ... 67
5.1 Elaboração do mapa de aptidão do solo à recepção de lodo de esgoto... 67
5.2 Resultados e discussão ... 68
5.3 Considerações finais sobre a elaboração do mapa de aptidão ... 75
6 METODOLOGIA BASEADA EM SIG E OTIMIZAÇÃO LINEAR PARA O GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA E ETE ... 77
6.1 Desenvolvimento da metodologia baseada em SIG e otimização linear ... 77
6.1.1 Seleção do local de destinação do lodo... 77
6.1.2 Banco de dados e softwares utilizados... 78
6.1.3 Metodologia baseada em SIG e otimização linear ... 78
6.2 Resultados e discussão ... 81
6.2.1 Lodo de ETA ... 82
6.2.2 Lodo de ETE ... 90
6.3 Considerações finais da metodologia baseada em SIG e otimização linear ... 97
7 UMA ABORDAGEM DE DINÂMICA DE SISTEMAS PARA O GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA ... 98
7.1 Abordagem DS ... 99
7.1.1 Definição do problema ... 99
7.1.2 Equações do modelo DS para o gerenciamento de lodo de ETA ... 102
7.1.3 Modelo DS para o gerenciamento de lodo de ETA ... 112
7.4 Considerações finais do modelo DS para o gerenciamento de lodo de ETA ... 131
8 METODOLOGIA BASEADA EM SIG E ABORDAGEM DE DINÂMICA DE SISTEMAS PARA AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE DE UNIDADES DE GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA ... 134
8.1 Desenvolvimento da metodologia ... 135
8.1.1 Definição dos possíveis locais de implantação das UGL ... 135
8.1.2 Estimativa de lodo gerado nas ETA ... 136
8.1.3 Abordagem DS na metodologia para avaliação da viabilidade de implantação de UGL ... 137
8.1.4 Definição dos locais de recepção na análise da viabilidade da implantação de UGL ... 141
8.1.5 Parâmetros adotados no modelo DS utilizado para análise da viabilidade da implantação de UGL ... 143
8.2 Resultados e discussão relativos à implantação de UGL ... 145
8.2.1 Possíveis locais de implantação das UGL e suas características ... 145
8.2.2 Determinação dos parâmetros das UGL para o modelo DS ... 150
8.2.3 Comparação da simulação para os dois cenários propostos... 151
8.3 Considerações finais da metodologia de análise da viabilidade de implantação de UGL ... 155
9 DISCUSSÃO GERAL ... 156
10 CONCLUSÕES ... 170
11 REFERÊNCIAS ... 172
12 APÊNDICES ... 191
APÊNDICE A: Glossário das equações do sistema apresentado no capítulo 7, como definidas no software Vensim (ordem alfabética) ... 192
APÊNDICE B: Glossário das equações do sistema de estações de tratamento de água, apresentado no capítulo 8, como definidas no software Vensim (ordem alfabética) ... 198
APÊNDICE D: Parâmetros dependentes do sistema de tratamento de água para as simulações DS dos sistemas simplificados de tratamento e abastecimento de água das ETA e do gerenciamento do lodo das possíveis UGL das Bacias PCJ ... 202 APÊNDICE E: Comparação de custos entre os dois cenários propostos para análise da viabilidade de implantação de UGL nas Bacias PCJ ... 204
1 INTRODUÇÃO
O tratamento e distribuição de água e a coleta, afastamento e tratamento e de esgoto são essenciais para a promoção da saúde da população e para minimizar o impacto do descarte de águas residuárias em corpos hídricos. Entretanto, como qualquer processo industrial, os sistemas de saneamento têm como subprodutos diversos tipos de resíduos. O resíduo mais importante gerado nessas estruturas é o lodo, resultado dos processos físico-químicos e biológicos do tratamento, e justamente por isso, de grande variabilidade (BABATUNDE e ZHAO, 2007).
O lodo de estações de tratamento de água (ETA) é um resíduo mais simples que o lodo de estações de tratamento de esgoto (ETE), proveniente das operações físico-químicas do tratamento, principalmente dos decantadores. Sua composição básica contém partículas sólidas minerais, material húmico e os produtos químicos usados como coagulantes (hidróxidos metálicos) ou auxiliares de coagulação (polímeros) (OWEN, 2002). Entretanto, a proporção desses componentes, ou mesmo a presença de componentes diferentes, pode variar conforme a qualidade da água bruta, que varia ao longo do ano, ou mesmo ao longo do dia (AHMAD et al., 2016).
O lodo de ETE é um resíduo mais complexo. As características do esgoto, principalmente a carga orgânica, exigem que as águas residuárias passem por processos biológicos, para correta degradação da matéria orgânica e o seu consequente tratamento. A princípio doméstico, o esgoto pode ter em sua composição uma série de contaminantes complexos dessa fonte, além de outros provenientes de descartes na rede ilegais, não controlados ou mesmo permitidos por legislação (DELATORRE JUNIOR e MORITA, 2007). De composição bastante diversa, o lodo de esgoto é composto por grande proporção de matéria orgânica e possivelmente metais, organismos patogênicos, contaminantes orgânicos e emergentes, além de partículas minerais (VON SPERLING e ANDREOLI, 2007).
É nítida a tendência de aumento da demanda por água potável diante de uma realidade de crescimento populacional e maior acesso ao saneamento. Em compensação, os cursos d’água se encontram em um processo de degradação histórico, exigindo diferenciadas técnicas para o seu tratamento. Diante desse cenário, existe a tendência de crescimento,
quantitativo e qualitativo, dos processos de tratamento de água e esgoto e, com isso o aumento da geração de lodo de ETA e ETE.
Apesar do grande teor de umidade, os lodos do saneamento são considerados resíduos sólidos. Dessa forma o seu descarte em corpos d’água, prática comum em muitas estações de tratamento, não é apropriada, pois deve-se respeitar a legislação adequada para resíduos sólidos. Isso torna a gestão desses resíduos um desafio para o setor de saneamento (ACHON
et al., 2013).
Diante das poucas opções para disposição do lodo, a solução normalmente encontrada é o envio do material para aterros sanitários. Dispendiosa, essa alternativa também encontra restrições ou impedimentos na legislação ambiental brasileira. A Política Nacional dos Resíduos Sólidos (PNRS) (BRASIL, 2010) direciona a utilização benéfica dos resíduos como matéria prima de outros processos, buscando minimizar o material enviado para aterro. Mundialmente também existe uma tendência do máximo aproveitamento dos resíduos, devido às restritas áreas para dispor resíduos sólidos, além do possível impacto destes aterros nas mudanças climáticas (BHADA-TATA e HOORNWEG, 2016).
Com base nessa realidade, estudos que buscam alternativas para a destinação adequada dos lodos de ETA e ETE foram e continuam sendo realizados. As características dos lodos são diferentes e influenciam os processos que podem incorporar esses resíduos. O lodo de ETA, devido ao seu caráter de produto mineral, parcialmente composto por argilominerais, já teve sua aplicação estudada, com maior ou menor sucesso, na incorporação no processo produtivo de tijolos cerâmicos, blocos de concreto não estrutural, cimento, base de pavimentos, aplicação em áreas degradadas, como condicionador de solo agrícola na silvicultura, corretivo de pH em solos agrícolas, processos de co-compostagem, desaguamento de lodo de esgoto, entre outros (CORNWELL et al., 2000; BABATUNDE e ZHAO, 2007; BOTERO et al., 2009; BITTENCOURT et al., 2012; SILVA et al., 2015; AHMAD et al., 2016; TONY et al., 2016).
O lodo de ETE tem característica de material biológico, e possíveis riscos e consequentes restrições sanitárias. O uso mais indicado desse resíduo é o condicionamento de solos agrícolas (MURRAY et al., 2008; SINGH e AGRAWAL, 2008; KELESSIDIS e STASINAKIS, 2012; LU et al., 2012). Entretanto, apesar do bom desempenho, deve-se respeitar uma série de regras legais (CONAMA, 2006; ANDREOLI et al, 2008; BEECHER, 2008; LU et al., 2012; HESPANHOL, 2014) e operacionais (ANDREOLI et al., 2008) para que o material não traga riscos à população consumidora dos produtos e aos trabalhadores das áreas agrícolas. Outros usos benéficos também estão sendo estudados como alternativa ao uso
agrícola, mas ainda sem tanta ênfase e com a mesma necessidade de cuidado rígido com o uso: compostagem, controle de erosão, fabricação de materiais de construção, em pavimentação e como cobertura de aterros sanitários (CAKMAKCI et al., 2005; BEECHER, 2008; MARTÍNEZ-GARCÍA et al., 2012; LUCENA et al., 2014).
Diante dos aspectos apresentados, diversas dificuldades das empresas de saneamento podem ser apontadas: a variabilidade dos resíduos; as opções de uso benéfico; a necessidade de alteração do tipo de tratamento ou dos produtos utilizados, para atender as exigências de determinado uso; a necessidade de desaguamento (aumento do teor de sólidos) diferenciado para diminuir o custo de transporte ou para atender a exigência da destinação final. Estes aspectos tornam a tomada de decisão do gerenciamento do lodo complexa, e com vários processos inter-relacionados. Dentro desse cenário também é importante que se busquem alternativas que ocasionem as menores despesas possíveis, senão receitas.
Várias técnicas e procedimentos se propõem a facilitar o gerenciamento dos resíduos sólidos, e podem ser aplicadas ao caso específico de lodos de ETA e ETE. Pode-se citar a análise de custo-benefício e modelos de previsão, simulação e otimização. Estes sistemas podem ter diversas plataformas de análise, como os de gerenciamento de informações e suporte à decisão, além de usar ferramentas específicas para avaliação como: desenvolvimento de cenários; análise de fluxo de material; avaliação de ciclo de vida; avaliação de risco; avaliação de impactos ambientais; avaliação socioeconômica e avaliação de sustentabilidade (CHANG et al., 2011; BUONOCORE, et al., 2016). As técnicas mencionadas têm grande possibilidade de aplicação, mas podem ter sua análise agilizada. Métodos adaptados para a realidade computacional têm seu desempenho otimizado, possibilitando a simulação de mais opções, antes da tomada de decisão. Também é importante mencionar a avaliação da localização espacial de geradores e receptores como uma etapa indissociável à tomada de decisão bem subsidiada do gerenciamento de resíduos.
Partindo-se do princípio de gestão integrada e gerenciamento de lodos gerados em ETA e ETE de uma mesma companhia de saneamento, bem como de várias empresas de uma determinada região, percebe-se que a logística de gerenciamento dos lodos de ETA e ETE é imprescindível para que os custos com tratamento, transporte e disposição/uso sejam minimizados. Ferramentas computacionais de otimização e simulação e o uso de sistemas de informações geográficas mostram-se bastante úteis para o auxílio nessa questão. A quantidade de estudos e desenvolvimento de metodologias com o uso dessas ferramentas, aplicadas especificamente ao problema de engenharia sanitária e ambiental ora apresentado, ainda é incipiente no Brasil, demonstrando a necessidade de pesquisas nessa área.
1.1 Apresentação da Estrutura da Tese
Esta Tese foi elaborada para atingir os objetivos apresentados no capítulo 2 e testar a seguinte hipótese:
Uma vez que os resíduos de operações de saneamento fazem parte de um complexo sistema, onde a localização espacial dos locais de geração, as diferentes tecnologias de tratamento e as diversas opções de destinação finais são importantes, então existem metodologias baseadas em sistemas de informações geográficas e métodos de otimização e simulação que possam auxiliar a tomada de decisão sobre o gerenciamento de lodo de ETA e ETE por gestores de empresas de saneamento. Quatro premissas foram seguidas, considerando o referencial teórico relacionado ao gerenciamento de lodos provenientes de tratamento de água e esgoto:
1. Visão sistêmica da gestão dos resíduos sólidos, considerando variáveis ambientais, econômicas e tecnológicas;
2. Destinação final ambientalmente adequada dos resíduos dos serviços de Saneamento (lodo de ETA e lodo de ETE), considerados como materiais a serem utilizados em outros processos e produtos, ou disposição ambientalmente segura.
3. Arranjo institucional decorrente da PNRS que contempla a livre formação de associações entre empresas públicas de saneamento, e.g., na forma de consórcios, na busca de maior eficiência técnico-econômica; deste modo, para elas o poder de barganha junto a fornecedores, prestadores de serviços e potenciais usuários dos resíduos deve aumentar; centrais regionais de lodo podem reduzir os custos de tratamento (avançado) do lodo; na direção oposta, empresas privadas podem atuar independentemente no mercado, com menor poder de barganha em relação a consórcios; custos logísticos são significativos e devem ser otimizados (minimizados); 4. Pequenas ETA ou ETE isoladas, em contrapartida, devem enfrentar maiores dificuldades técnico-econômicas para alcançar qualidade e preços competitivos para os seus resíduos e/ou pagar mais caro (preço unitário) por transporte e destinação final.
Considerando as premissas supracitadas, a hipótese foi testada a partir da elaboração de modelos que contemplem uma ou mais das ferramentas propostas. Esses modelos são apresentados em capítulos separados. Desta forma o capítulo 3 apresenta a revisão bibliográfica do tema, com ênfase nas formas de destinação final do lodo de ETA e ETE e como isso influencia no gerenciamento dos resíduos pelas empresas de saneamento.
O capítulo 4 apresenta um modelo simplificado e preliminar de gerenciamento do lodo de ETA e ETE, baseado em sistema de informações geográficas, que considera as distâncias entre as estações de tratamento e os potenciais receptores de lodo para indicar potenciais consórcios de empresas de saneamento, assim como selecionar o melhor local para destinação benéfica dos resíduos. Nesse modelo o uso ideal para lodo de ETA e ETE é pré-definido. A área de estudo para aplicação do modelo foi a das Bacias dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí.
Conforme as limitações apresentadas ao final do capítulo 4, no capítulo 5 foram aplicados conceitos de geoprocessamento e SIG para adaptar uma metodologia de elaboração de mapa de aptidão do solo à recepção de lodo de esgoto, que serviu de suporte para o desenvolvimento das metodologias desenvolvidas e apresentadas nos três capítulos seguintes. O capítulo 6 apresenta um modelo mais complexo baseado em SIG, utilizando também técnicas de otimização linear, para uma definição quantitativa e mais precisa dos locais ideais para envio do lodo de cada estação de tratamento. Nesse capítulo também são apresentados cenários otimistas ou pessimistas da aceitação do lodo pelos locais selecionados para envio.
Após identificar a lacuna dos custos integrados envolvidos no processo de tratamento de água, no capítulo 7 é proposto um modelo, baseado na abordagem da Dinâmica de Sistemas, do gerenciamento de uma ETA, com a possibilidade de ampliação para o sistema de saneamento (ETA + ETE). Esse modelo possibilita selecionar o melhor destino para o lodo gerado nas estações de tratamento com base nas diversas alterações que uma decisão pode ter em todo o funcionamento do sistema de saneamento.
O capítulo 8 busca integrar os modelos apresentados anteriormente, para avaliar de forma mais precisa a viabilidade econômica de implantação de centrais de lodo para as ETA. A metodologia sugerida utiliza o modelo do capítulo 7 simplificado, considerando os critérios de distância do capítulo 4 e a otimização linear usada no capítulo 6.
O capítulo 9 apresenta uma discussão geral dos resultados obtidos nos capítulos anteriores, no âmbito do questionamento científico desta Tese. A aplicabilidade das metodologias propostas é avaliada. No capítulo 10 é apresentada a conclusão da pesquisa, considerando a aplicabilidade e replicabilidade das metodologias apresentadas. No capítulo 11 são apresentadas as referências bibliográficas do trabalho.
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral
O objetivo desta Tese é desenvolver metodologias auxiliares de suporte à decisão no gerenciamento integrado de lodo de ETA e ETE, baseadas em sistemas de informação geográfica (SIG), otimização linear e simulação pela abordagem da dinâmica de sistemas (DS), com ênfase no uso benéfico do material.
2.2 Objetivos específicos
Elaborar uma metodologia simplificada, baseada em SIG, para auxiliar o gerenciamento de lodo de ETA e ETE;
Adaptar uma metodologia de elaboração de mapa de aptidão do solo à recepção de lodo de ETE, com critérios legais e socioeconômicos restritivos;
Elaborar uma metodologia baseada em SIG e otimização linear, para auxiliar o gerenciamento conjunto de lodo de ETA e ETE;
Elaborar uma metodologia, baseada em conceitos de simulação, para auxiliar o gerenciamento individual de lodo em ETA ou ETE;
Elaborar uma metodologia auxiliar para avaliar a viabilidade econômica da implantação de unidades de gerenciamento de lodo de ETA;
Elaborar uma estratégia de gerenciamento de lodo de ETA e ETE com base nas ferramentas estudadas e metodologias elaboradas.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Geração de lodo em sistemas de saneamento 3.1.1 Estações de tratamento de água (ETA)
Caracterização e quantificação do lodo
O processo de tratamento de água potável tem como objetivo a remoção de contaminantes, visando a distribuição para a população. Dependendo das características de tratamento, o processo em Estações de Tratamento de Água (ETA) gera diferentes tipos de resíduos: sólidos, líquidos ou gasosos. Destaca-se, pela quantidade gerada, o lodo, que é o resíduo produzido no processo de decantação, e a água de lavagem de filtros em estações de tratamento de ciclo completo (AWWARF, 2007).
No Brasil o sistema de tratamento de água mais utilizado é o convencional ou de ciclo completo. Este é composto por coagulação, floculação, decantação ou flotação, filtração descendente, desinfecção e, conforme a necessidade, adição de flúor, ajuste de pH, entre outros processos e operações Os coagulantes mais utilizados são sulfato de alumínio, hidróxido de ferro ou policloreto de alumínio (PAC). Além dos coagulantes, a eventual utilização de cal, polímeros auxiliares de coagulação, oxidantes e carvão ativado nas ETA alteram a composição dos lodos gerados (TSUTIYA e HIRATA, 2001; DI BERNARDO e SABOGAL-PAZ, 2008).
Pensando no lodo como o “resíduo líquido que contém sólidos em suspensão
provenientes da água bruta e da reação de produtos químicos inseridos no processo de tratamento”, é possível apontar diversos processos como geradores desse resíduo:
pré-sedimentação; coagulação; lavagem de filtros; remoção de ferro e manganês; etc. (NDWC, 1998). Na Figura 3-1 pode-se observar um fluxograma com a geração de resíduos em ETA de ciclo completo.
Figura 3-1. Linhas de produção de resíduos em uma ETA de ciclo completo considerando alternativas
de tratamento, aproveitamento e disposição. Fonte: Di Bernardo e Sabogal-Paz (2008).
Como anteriormente citado, a composição do lodo de ETA depende dos produtos químicos inseridos durante o tratamento e das características da água bruta.
Proveniente da composição da água bruta, a fração sólida do lodo de ETA contém: sólidos em suspensão, que incluem material inorgânico (silte, areia, argila e óxidos metálicos hidratados) e matéria orgânica (partículas coloidais floculadas e componentes que conferem cor à água); e sólidos dissolvidos que são formados primordialmente por compostos inorgânicos dissolvidos (USEPA, 2011). Além disso, pode haver organismos patogênicos removidos da água bruta (DI BERNARDO et al., 2012) e metais provenientes de descargas industriais (USEPA, 2011).
Dos produtos químicos adicionados ao tratamento de água, o lodo pode conter: metais provenientes dos coagulantes usados (sais de alumínio, sais de ferro) e suas impurezas, polímeros auxiliares de coagulação, permanganato de potássio (controlador de sabor e odor), soda cáustica (redução de dureza) (USEPA, 2011), cal, carvão ativado em pó (DOE, 1990), entre outros aditivos (oxidantes).
Os lodos de ETA têm a umidade elevada como característica inerente, podendo atingir valores superiores a 95%. Sendo um resíduo predominantemente em forma fluida, um dos objetivos de seu tratamento é a redução desse volume, de forma a diminuir custos de transporte, disposição e poluição (REALI, 1999).
Outros problemas inerentes ao tratamento de lodos de ETA são: a variabilidade das características do resíduo e o potencial poluente dos mesmos em função da qualidade da água bruta e da variabilidade de produtos químicos e tecnologias usadas no processo de tratamento da água. Isso faz com que a solução acabe sendo individualizada, dificultando a definição de ações (REALI, 1999; DI BERNARNDO et al., 2012).
A redução do volume dos lodos pode-se dar pela remoção da água livre e dos interstícios dos sólidos. Para isso existem métodos naturais e mecânicos (Figura 3-2). Apesar desses sistemas serem os mais comuns, outros inovadores vêm sendo estudados por pesquisadores ao redor do mundo (REALI, 1999).
O fluxo completo de tratamento do lodo, inserido no tratamento de água de ciclo completo, pode ser observado no fluxograma da Figura 3-1. Esse fluxo pode ser composto por adensamento, desaguamento e destinação ou disposição, dependendo das características do lodo. Mais detalhes sobre as etapas de tratamento de lodo podem ser consultados em Di Bernardo et al. (2012).
Figura 3-2. Formas de redução do volume de lodo de ETA.
Fonte: Reali (1999).
Os parâmetros utilizados na caracterização dos lodos de ETA podem ser relacionados com os aspectos ambientais necessários para a sua disposição, nesse caso: pH, sólidos, metais, DBO, biodegradabilidade, toxicidade, etc. Ou podem estar relacionados com os aspectos geotécnicos, relacionados com a remoção de água, para sua posterior utilização, como: tamanho e distribuição das partículas, limites de consistência, resistência e sedimentabilidade (CORDEIRO, 2002).
Essa caracterização também pode variar conforme o gerenciamento adotado no processo de tratamento, dependendo de fatores como a tecnologia de tratamento, tipo e dosagem de coagulante, características da floculação e filtração, características e dosagem de polímeros, uso de oxidante e carvão ativado pulverizado se for o caso, método de limpeza dos decantadores e lavagem dos filtros, entre outros de interesse específico (DI BERNARDO et.
al., 2011).
A dosagem de polímeros pode influenciar na turbidez, tornando o lodo mais ou menos concentrado. O pH pode influenciar na compressibilidade do lodo. A utilização de sais de ferro ou alumínio pode alterar as características do lodo, inclusive na concentração de sólidos. (VERRELLI, 2008).
É importante que a caracterização do lodo de ETA esteja relacionada com a alternativa de disposição/utilização desejada, e não apenas seguindo a caracterização das normas vigentes (TSUTIYA e HIRATA, 2001). Na Tabela 3-1 são apresentados alguns possíveis parâmetros de caracterização de lodos de ETA que podem indicar a viabilidade de possíveis usos.
Tabela 3-1. Alguns parâmetros de caracterização de lodos de ETA para utilização benéfica.
Parâmetros Físicos Unidade Parâmetros Químicos Unidade
Concentração de sólidos % Nitrogênio total mg/kg
Cor Fósforo total mg/kg
Textura Potássio mg/kg
Teor de umidade % Nitrogênio Amoniacal mg/kg
Granulometria % Nitrato/Nitrito mg/kg
Limite de liquidez % de umidade Cálcio mg/kg
Limite de plasticidade % de umidade Carbonato de cálcio %
Massa específica kg/m³ Metais
Peso específico kN/m³ Radionuclídeos
Retração Matéria orgânica
Ruptura por cisalhamento Coliformes totais
Perda ao fogo % pH
Fonte: Adaptado de AWWA (1999) e Di Bernardo et al. (2012) 3.1.2 Estações de tratamento de esgoto (ETE)
Os processos de tratamento de esgotos, assim como o tratamento de água, geram resíduos. O tratamento de esgotos difere do tratamento de água pela preponderância de processos biológicos de degradação/estabilização da matéria orgânica nele contida. Segundo Von Sperling (2005) existem sistemas de tratamento de esgotos aeróbios (lodos ativados, reatores aeróbios com biofilmes, lagoas de estabilização aeróbias) e anaeróbios (filtro anaeróbio, reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente – UASB, lagoas de estabilização anaeróbias). Um fluxograma do tratamento do tipo lodo ativado pode ser observado na Figura 3-3.
Figura 3-3. Fluxograma de uma estação de esgotos utilizando o método de lodos ativados.
Na Figura 3-4 é possível observar um exemplo de tratamento anaeróbio (UASB) seguido de tratamento por lodos ativados. Informações mais detalhadas sobre os processos e operações unitárias empregadas no tratamento de esgotos podem ser encontradas em Metcalf e Eddy (1991).
Figura 3-4. Fluxograma de um sistema composto por reator UASB seguido por lodos ativados.
Fonte: Von Sperling et al. (2001).
Os lodos de ETE, pelas próprias características do afluente, têm alguns agravantes em relação ao lodo de ETA. Nos lodos de ETE existe maior probabilidade de contaminação por metais pesados, microrganismos patogênicos (GANTZER et al., 2001) e poluentes orgânicos (KATSOYIANNIS e SAMARA, 2004). Os contaminantes citados são determinantes no uso do lodo em áreas agrícolas, inclusive nas restrições da legislação brasileira.
O tratamento do lodo de ETE segue os mesmo processos convencionais do tratamento de lodo de ETA, somados à estabilização e higienização (KELESSIDIS e STASINAKIS, 2012). Esses processos específicos para o lodo de ETE são importantes para estabilizar a matéria orgânica e inativar microrganismos patogênicos.
3.2 Formas de destinação final de lodo de ETA
Entre os potenciais usos benéficos para o lodo de ETA, podem-se destacar aqueles no setor ceramista (MONTEIRO et al., 2008; SILVA e FUNGARO, 2011; TARTARI et al., 2011; CORNWELL et al., 2011; KIZINIEVIC et al., 2013; SILVA et al, 2015); fabricação de blocos de concreto para vedação (CHÁVEZ-PORRAS et al., 2008), fabricação de cimento (HOPPEN et al., 2006; KYNCL, 2008), pavimentação (TSUTYIA e HIRATA, 2001;
FADANELLI e WIECHETECK., 2010), aplicação em áreas degradadas (TEIXEIRA e MELO, 2007; MOREIRA et al., 2009), como condicionador de solo na silvicultura (eucaliptos) (CORNWELL et al., 2000), como co-condicionador (LAI e LIU, 2004; YANG et
al., 2006; BABATUNDE e ZHAO, 2007) e uso agrícola (VERLICCHI e MASOTTI, 2001;
BOTERO et al., 2009). O lodo de ETA pode ter efeito benéfico em sistemas de esgoto no controle de H2S (TSUTYIA e HIRATA, 2001; AWWARF, 2007) e na remoção de fósforo
(GEORGANTAS e GRIGOROPOULOU, 2005; MORTULA e GAGNON, 2007; BABATUNDE e ZHAO, 2010; CHAO et al, 2011; GIBBONS e GAGNON, 2011; ZHAO et
al., 2011b). A recuperação de coagulantes também é um uso tecnicamente viável (KYNCL,
2008; DASSANAYAKE et al., 2015), mas não há relato sobre experiências em escala real de longo prazo.
A distribuição da destinação final do lodo de ETA pode variar bastante, dependendo das características de cada local. Nos EUA o uso benéfico predominante dos lodos de ETA e ETE é agrícola, enquanto a França tem destinação bastante variada (CORNWELL et al., 2000; ADLER, 2002). Estudos na República Checa apontaram que a maior parte do lodo de ETA vai para os aterros sanitários, enquanto que na Holanda o percentual de uso benéfico pode chegar a 25% (KYNC, 2008).
Além de cumprir as diretrizes da Política Nacional de Resíduos Sólidos (BRASIL, 2010), o tratamento e uso de lodos de ETA pode ser considerado como oportunidade de redução de custos e de impactos ambientais em empresas de saneamento (TSUTIYA e HIRATA, 2001).
A forma de utilização do lodo depende da quantidade, do teor de sólidos e características físico-químicas do mesmo (REALI, 1999). A quantidade e característica dos lodos variam em relação à tecnologia de tratamento, qualidade da água bruta, tipo e dosagem de produtos químicos utilizados. O teor de sólidos varia conforme o processo de desaguamento do lodo, que pode ser por secagem natural (leitos de secagem, lagoas de lodo) ou desaguamento mecânico (filtro prensa, centrífuga) (TSUTIYA e HIRATA, 2001).
3.2.1 Uso do lodo de ETA como material de construção civil
O uso do lodo de ETA em materiais de construção civil é uma boa alternativa. Entretanto, existe uma preocupação com as características no produto final que utiliza o lodo, devido à variabilidade na sua composição (química e biológica) e umidade. Logo, um dos desafios para a incorporação dos resíduos de ETA nos processos industriais de materiais de construção civil é manter a estabilidade de sua composição (BABATUNDE e ZHAO, 2007).
Uso no setor ceramista
A matéria-prima utilizada na fabricação de cerâmica vermelha – argilas e os resíduos originados nos decantadores de ETA têm composição química semelhante (MONTEIRO et
al., 2008; TARTARI et al., 2011; VICTORIA, 2012). A princípio, o lodo férrico apresenta-se
mais adequado para esse uso, devido ao conteúdo de ferro e matéria orgânica (BABATUDE e ZHAO, 2007). Entretanto, estudos com lodo de alumínio indicam também sua viabilidade na substituição de parte da argila em materiais cerâmicos (HEGAZY et al., 2011; HEGAZY et
al., 2012a, 2012b, SILVA et al, 2015).
Alguns pontos devem ser observados sobre a substituição. Devido à grande variabilidade de qualidade dos lodos (Tabela 3-2), estudos devem ser realizados para cada caso, verificando a compatibilidade entre os materiais e o processo de fabricação envolvido (MORITA et al., 2002). As relações mássicas lodo/argila devem ficar entre 5% e 12,5%, para que não ocorram alterações significativas nas propriedades mecânicas das peças cerâmicas produzidas (MORITA et al., 2002; MONTEIRO et al., 2008; TARTARI et al., 2011; VICTORIA, 2012). O lodo também pode ser incorporado na cerâmica vermelha em uma mistura com outros resíduos, como sílica, cinzas de casca de arroz e sedimentos, variando a sua quantidade (HUANG et al., 2001; HEGAZY et al., 2011; HEGAZY et al., 2012a, 2012b).
Tabela 3-2. Características gerais de lodos de ETA e características de lodos usados com sucesso na
produção de blocos cerâmicos e agregados (% massa seca).
Constituinte Lodo de
alumínio
Lodo férrico Lodo de cal LA em blocos
cerâmicos Alumínio 29,7 ± 13,3 10,0 ± 4,8 0,5 ± 0,8 23,3 ± 9,5 Ferro 10,2 ± 12 26,0 ± 15,5 3,3 ± 5,8 9,8 ± 5,5 Cálcio 2,9 ± 1,7 8,32 ± 9,5 33,1 ± 21,1 1,8 ± 2,6 Magnésio 0,89 ± 0,8 1.6 2,2 ± 1,04 0,5 ± 0,3 SiO2 33,4 ± 26,2 Sd 54,57 33,0 ± 9,6 TiO2 Sd Sd Sd 1,3 ± 0,8 K2O Sd Sd Sd 0,5 ± 0,3
Notas: sd: sem dados; LA: Lodo de Alumínio. Dados de lodo de alumínio, férrico e de cal compilados por
Babatunde e Zhao (2007). Dados de lodo de alumínio em blocos cerâmicos compilados de Huang et al. (2001); Monteiro et al. (2008); Hegazy et al. (2011); Tartari et al. (2011); Victoria (2012).
Altos teores de umidade no lodo de ETA podem ser prejudiciais, obstruindo passagens, aderindo nas paredes dos equipamentos do processo produtivo ou não permitindo a conformação do bloco. Quanto mais próxima a granulometria do lodo à da argila, melhor sua aplicabilidade. A presença de carvão ativado (causa expansão e consequentes rachaduras no tijolo) e grandes teores de cal (devido à formação de CO2) podem inviabilizar sua aplicação.
Lodos com hidróxido de ferro dão coloração avermelhada ao tijolo, desejada pelos consumidores (CORNWELL et al., 2000).
É importante salientar que o sucesso da aplicação do lodo em peças cerâmicas não depende apenas das características físico-químicas dos resíduos, coagulantes e outros produtos químicos utilizados no processo de tratamento, mas também da proximidade entre a indústria cerâmica e a estação de tratamento de água, da aceitação do lodo pelo fabricante de blocos cerâmicos, e dos custos de transporte e armazenamento desse material (PRADICELLI e MELCHIADES, 1997).
A produção de cerâmica branca com lodo de ETA também tem sido estudada, mas a utilização de um material com composição tão variável dificulta o atendimento às restritas especificações de qualidade desse material (SIMPSON et al., 2002).
Fabricação de cimento e materiais relacionados
Podem-se apontar algumas vantagens dessa aplicação: normalmente, o lodo de ETA não é perigoso; tem alta concentração de sólidos; a composição química é semelhante aos materiais utilizados na fabricação de cimento; lodos com coagulantes de alumínio formam hidratos de cálcio e alumínio, que ajudam a prevenir a corrosão do cloro de estruturas de aço; não há efeitos prejudiciais sobre a resistência em longo prazo. Podem-se apontar as seguintes desvantagens: o teor de matéria orgânica no produto final (no caso de queima incompleta no processo) pode afetar as propriedades mecânicas; o risco de geração de hidrogênio; expansão de alumínio; elevado teor de água; risco de corrosão em fornos de cimento e a produção de óxidos de ferro provenientes de lodo férrico pode produzir uma cor indesejável ao produto final (PAN et al., 2004; BABATUNDE e ZHAO, 2007).
O lodo de ETA também pode substituir o cimento na produção de pavimento intertravado de concreto (paver) para uso externo. Testes realizados com lodo férrico foram satisfatórios para uma relação mássica lodo-cimento de até 40%. Todas as peças produzidas foram consideradas não-vítreas e a absorção de água esteve em torno de 10% (ALQAM, 2011).
A produção de agregado leve também é possível. Huang e Wang (2013) avaliaram dez amostras de lodo de alumínio de ETA em Taiwan e todas se mostraram adequadas para a fabricação de agregados leves. A incorporação de lodo de ETA como agregado fino na produção de blocos foi estudada por Kaosol (2010), que apontou sua viabilidade para uma proporção de 10 a 20%, em massa, na mistura. Novamente, um problema encontrado foi a variabilidade das características do lodo, o que torna necessária a análise de cada material.
Chávez-Porras et al. (2008) avaliaram a incorporação de lodo de ETA e agregado de reciclado miúdo de resíduos de construção civil, na fabricação de blocos cerâmicos estabilizados com cimento. Apenas com teores de umidade abaixo de 50% foi possível produzir blocos cerâmicos, e mesmo assim os produtos obtidos não atenderam as normas brasileiras de qualidade.
3.2.2 Uso de lodo de ETA em processos de recuperação de coagulantes
Uma fração significativa do custo do tratamento convencional de água é a aquisição dos coagulantes (BABATUNDE e ZHAO, 2007). Por isso, a recuperação e reúso desses produtos químicos diminui os custos com o tratamento e reduz a quantidade de lodo a ser disposto.
Historicamente, as pesquisas sobre tecnologias de recuperação de coagulantes iniciaram-se em 1903 por meio de processos de acidificação (JEWELL, 1903 apud KEELEY
et al., 2014). Diferentes métodos foram estudados para a recuperação de alumínio
(PETRUZZELLI et al., 1998) e ferro (VAEZI e BATEBI, 2001; KEELEY et al., 2016a). Métodos para o reúso e recuperação de coagulantes, suas potencialidade e fragilidades são mostrados na Tabela 3-3. O uso do lodo como fonte de coagulante em tratamento de águas residuárias pode ser feito através de métodos mais simples de recuperação (por exemplo, a acidificação).
Deve-se considerar os gastos com transporte e com o próprio processo, para que os custos não excedam os benefícios econômicos (MIYANOSHITA et al., 2009). No Japão, a recuperação de alumínio antes de 1972 era praticada em, pelo menos, 15 estações, até perder a força devido à preocupação com possíveis impurezas no produto final (OGILVIE, 1997). Keeley et al. (2016b) fizeram uma análise de custos para demonstrar a viabilidade da recuperação de coagulantes para uso na remoção de fósforo de águas residuárias. Os autores chegaram a um limite de 240km de transporte para que a recuperação seja economicamente viável. O trabalho de Keeley et al. (2016b) foi elaborado para a realidade da Europa e deve ser validado às realidades regionais, no caso da aplicação em outros locais.
Os estudos realizados apontam a viabilidade dos métodos (RUSSEL e PECK, 1998), assim como a viabilidade econômica destes (PARSONS e JEFFERSON, 2006). Entretanto existem dificuldades na passagem das escalas de bancada de alguns métodos para escalas maiores, assim como com a variabilidade da composição dos lodos, pontos que devem ser levados em consideração.
Tabela 3-3. Métodos de recuperação de coagulantes de lodos de ETA e pontos favoráveis e contrários
à sua aplicação.
Abordagem de recuperação Potencialidades Fragilidades
R eú so q uí m ic o S ol ub ili za çã
o Solubilização ácida simples Método simples, baixo custo e bom entendimento da técnica
Não-seletiva, possibilidade de contaminação de metais pesados
e compostos orgânicos Solubilização
alcalina simples
Método simples, rejeita metais pesados
Custo alto, específico para alumínio, baixa eficácia na
recuperação T ec no lo gi as d e se pa ra çã o e re cu pe ra çã o de c oa gu la nt es S ep ar aç ão p or m em br an a Ultrafiltração
Relativamente seletivo, baixo custo e bom entendimento da
tecnologia Permeabilidade de compostos orgânicos considerável e incrustação Processo de recuperação de alumínio (ReAl) Capacidade de recuperar alumínio muito puro e
concentrado
Abordagem multi-estágio elevando custos e complexidade
S ep ar aç ão b as ea da e m c ar ga Troca iônica líquida
Permite que altas concentrações sejam atingidas
na etapa de extração, bem restritivo
Risco de extravasamento de solvente tóxico, complexidade do
processo
Resinas de troca
catiônica Altos rendimentos e pureza
Regeneração é ineficiente e custosa, problemas no scale-up
Resinas de troca aniônica
Potencial de reduzir os níveis de contaminantes orgânicos em outros processos Desempenho inadequado se usado individualmente Teoria do equilíbrio de membranas de Donnan
Forte desempenho em termos de pureza e concentração
Cinética lenta, requer grande área de membrana ou tempo de
contato.
Eletrodiálise
Pode ser capaz de acelerar a cinética lenta de outros processos de membrana de
troca iônica
Propenso a enfrentar problemas com incrustação, escala e alta
demanda de energia R ec ic la ge m d e co ag ul an te n o tr at am en to d e ág ua s re si du ár ia s Dosagem para águas residuárias
Pode gerar benefícios no tratamento.
Falha em resolver o problema da demanda de coagulante em ETA.
O transporte de coagulante recuperado entre os locais é dependente da proximidade
Fonte: Adaptado de Babatunde e Zhao (2007) e Keeley et al. (2014). 3.2.3 Uso do lodo de ETA como adsorvente de poluentes
O desenvolvimento de adsorventes a partir de subprodutos de diferentes processos produtivos vem sendo considerada uma alternativa, pois é uma forma de minimizar resíduos e economizar insumos (BABATUNDE e ZHAO, 2007).
Entre os poluentes passíveis de remoção a partir do lodo de ETA, cita-se o chumbo (CHU, 1999), o cobre (WU et al., 2004) e o flúor (SUJANA et al., 1998), além de corantes de efluentes têxteis (CHU, 2001). O fósforo merece destaque entre os compostos, pois seu excesso pode promover a eutrofização nos corpos d’água receptores (CHAO et al, 2011; BABATUNDE e ZHAO, 2010).
A remoção de fósforo a partir do lodo de alumínio de ETA pode ocorrer de algumas maneiras: i) lodo na forma líquida para co-condicionamento e desaguamento de lodo ativado anaeróbio digerido (YANG et al., 2007); ii) utilização de lodo desaguado em leito fixo para a imobilização de fósforo (YANG et al., 2009).
Segundo Babatunde e Zhao (2010), a aplicação prática da adsorção de fósforo com lodo de alumínio pode incluir: i) remoção de fósforo em sistema de tratamento de águas residuárias; ii) redução do escoamento superficial de água contendo fósforo em áreas agrícolas; iii) construção de barreira reativa; iv) implantação filtros de lodo para remoção de fósforo em ETE já existentes.
3.2.4 Disposição de lodo de ETA no solo
Lodos de ETA têm sido utilizados em solos agrícolas por diversas empresas de saneamento dos EUA. Testes realizados no Reino Unido demonstraram resultados positivos para a aplicação de lodos em pastagens, plantação de trigo e turfa (SIMPSON et al., 2002).
A melhoria estrutural do solo é uma das aplicações com maior possibilidade de resultado. O lodo de ETA não é utilizado como um condicionador de solo, mas como um substituto do mesmo. As características de lodos de dezessete ETA nos EUA mostraram-se adequadas para o crescimento de cultura de tomate, em sua maioria. Entretanto, baixos valores de umidade, a densidade natural e a redução de fósforo (em torno de 10%) no local de disposição devem ser observados com cuidado (DAYTON e BASTA, 2001). Dez amostras de lodos de ETA africanas também foram avaliadas para aplicação no solo (TITSHALL e HUGHES, 2005). Os autores do estudo enfatizaram que os seguintes cuidados devem ser tomados: i) manter o pH em níveis que não provoquem liberação excessiva de metais pesados do solo (principalmente aqueles ligados em compostos de carbonato); ii) utilizar coagulantes com poucas impurezas; iii) verificar as características do solo base e as finalidades do terreno onde será disposto o lodo.
Haraldsen et al. (2014) utilizaram lodo de ETA misturado com lodo de ETE e composto orgânico de parques e jardins públicos, para melhorar a qualidade de solos
superficiais de gramados urbanos, tendo resultados positivos na adoção de proporção volumétrica de 0,1 m³ de cada componente por m³ de solo.
As propriedades alcalinas do lodo de ETA também podem ser utilizadas para a correção do pH do solo (BABATUNDE e ZHAO, 2007). Entretanto, em lodos com hidróxido de alumínio, a fitotoxicidade desse elemento pode ser um problema em solos com pH acima de 6,5 (TSUTIYA e HIRATA, 2001).
Três fatores são apontados por Babatunde e Zhao (2007) como cruciais para o sucesso das aplicações de lodo de ETA no solo: i) a taxa ótima de aplicação com o mínimo de impactos; ii) as características do lodo; iii) a intenção exata da aplicação.
Walsh et al. (2008) apontam alguns pontos negativos: i) custos de transporte e aplicação; ii) potencial do lodo de alumínio se ligar ao fósforo e reduzir os nutrientes do solo; iii) estigma negativo da aplicação de resíduos no solo em diversas comunidades; iv) competição com outros resíduos sólidos (biossólidos, composto, etc.).
A capacidade do lodo de ETA como fixador de fósforo também pode ser usada para reduzir o carreamento de nutrientes por escoamento superficial (CODLING et al., 2000; ELIZABETH et al., 2003) Entretanto Novak e Watts (2004) apontam alguns limitantes para essa prática: i) desafio logístico do transporte de grandes quantidades de lodo; ii) preocupações sobre a estabilidade e longevidade da imobilização de fósforo, especialmente com a variação de pH. As características locais também devem ser levadas em conta. No Brasil existe uma grande necessidade de uso de fertilizantes fosfatados, pois os solos de várias regiões tem grande capacidade de fixação de fósforo, sendo, desta forma, desnecessário o uso de um fixador de P (ANDREOLI et al., 2001)
3.2.5 Outros possíveis usos do lodo de ETA
Estudos iniciais apontam a possibilidade de uso do lodo de ETA incorporado em mistura betuminosa em obras de pavimentação, como material estabilizado na sub-base de rodovia ou como liner de aterros sanitários (BABATUNDE e ZHAO, 2007).
Caniani et al. (2013) apresentaram um protocolo para a produção de um “biossolo”, com a mistura de lodo de ETA e fração orgânica estabilizada de resíduos sólidos urbanos. Esse material apresenta-se como possível aplicação em camadas de cobertura de aterros sanitários. O “biossolo” não apresentou grandes riscos ambientais mesmo com quantidades maiores que 2000 toneladas de sólidos em suspensão por hectare.
O lodo de ETA também pode ser utilizado como componente do substrato de wetlands construídas, para reduzir os teores de fósforo e adsorver vários poluentes (YANG et al., 2006;
ZHAO e ZHAO, 2009; BABATUNDE et al., 2010; WU et al., 2011; YANG et al., 2011; ZHAO et al., 2011b; HU et al., 2012).
3.3 Formas de destinação final do lodo de ETE
Diferentemente do lodo de ETA, os resíduos provenientes de tratamento de esgoto apresentam maior quantidade de matéria orgânica e maior possibilidade de conter organismos patogênicos, poluentes orgânicos e metais pesados (GONÇALVES, 1999; SILVA et al., 2001). Todas as aplicações possíveis desse material têm de ser avaliadas com muito cuidado, para que não haja risco ambiental e sanitário.
As características físico-químicas dos lodos dependem da composição das águas residuárias e dos processos que compõem o tratamento tanto da fase líquida quanto da fase sólida. Sabe-se que estas características podem variar anualmente, sazonalmente ou até mesmo diariamente, em consequência das variações nas características das águas residuárias. Estas variações são mais acentuadas em sistemas que recebem grandes quantidades de descargas industriais (TCHOBANOGLOUS et al., 2002). Por isso, é essencial que haja um programa de recebimento de efluentes não domésticos adequado, para a que a variabilidade e os contaminantes do lodo de ETE sejam minimizados.
Devido a essa variabilidade em relação à composição, os processos de tratamento de esgoto, assim como de lodo devem ser projetados considerando a forma de destinação (FERNANDES et al., 2001) . Alguns fatores podem limitar a utilização benéfica do lodo de ETE, ou mesmo direcionar seu uso (Tabela 3-4).
Apesar da forma mais comum de uso benéfico do lodo de ETE ser a reciclagem agrícola, outras formas são relatadas: recuperação de áreas degradadas, matéria-prima de composto orgânico, telhados verdes, controle de erosão, silvicultura; uso em fornos de cimento, fabricação de materiais de construção, pavimentação, cobertura diária e final de aterro sanitário (BEECHER, 2008; CHEN e KUO, 2016).
3.3.1 Disposição de lodo de ETE no solo
O lodo de ETE pode ser chamado de biossólido, ou seja, é a matéria orgânica sólida recuperada no processo de tratamento de esgoto (BEECHER, 2008).
A aplicação de lodo de ETE na agricultura ocorre há algumas décadas. Nos EUA, com a proibição de lançamento nos corpos d’água, a disposição do lodo de ETE no solo passou a ser encorajada nos anos 1970 (LU et al., 2012). Na Europa, regulamentações foram elaboradas durante a década de 1980 (MATTHEWS, 2008). No Brasil, os Estados do Paraná e
