UNIVERSIDADE DE RIBEIRÃO PRETO
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, NATURAIS E TECNOLOGIAS Programa de Pós-graduação em Tecnologia Ambiental
NILTON MARTINS RODRIGUES JÚNIOR
TRATAMENTO DA ÁGUA DE LAVAGEM DE CANA POR COAGULAÇÃO, FLOCULAÇÃO E SEDIMENTAÇÃO
Ribeirão Preto - SP
2010
NILTON MARTINS RODRIGUES JUNIOR
TRATAMENTO DA ÁGUA DE LAVAGEM DE CANA POR COAGULAÇÃO, FLOCULAÇÃO E SEDIMENTAÇÃO
Ribeirão Preto - SP 2010
Dissertação apresentada ao Programa de Pós- graduação em Tecnologia Ambiental da Universidade de Ribeirão Preto – UNAERP para a obtenção do título de Mestre em Tecnologia Ambiental
Orientador: Profª. Drª. Cristina F.
Pereira Rosa Paschoalato
Ficha catalográfica preparada pelo Centro de Processamento Técnico da Biblioteca Central da UNAERP
- Universidade de Ribeirão Preto -
Rodrigues Junior, Nilton Martins, 1967 -
R696t Tratamento de água de lavagem de cana por coagulação, floculação e sedimentação / Nilton Martins Rodrigues Junior.
- - Ribeirão Preto, 2010.
98 f: il. color.
Orientadora: Profa. Dra. Cristina Filomena P. R. Paschoalato.
Dissertação (mestrado) - Universidade de Ribeirão Preto, UNAERP, Tecnologia ambiental. Ribeirão Preto, 2010.
1. Tecnologia ambiental. 2. Cana de açúcar. 3.
Sedimentação
4. Água - Reutilização. I. Título.
NILTON MARTINS RODRIGUES JUNIOR
TRATAMENTO DE ÁGUA DE LAVAGEM DE CANA POR COAGULAÇÃO, FLOCULAÇÃO E SEDIMENTAÇÃO
Área de concentração: Tecnologia Ambiental Data da defesa: 30 de agosto de 2010
BANCA EXAMINADORA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós- graduação em Tecnologia Ambiental da Universidade de Ribeirão Preto – UNAERP para a obtenção do título de Mestre em Tecnologia Ambiental
DEDICATÓRIA
Aos meus pais, Nilton e Neci, por sua amizade e apoio.
À minha amada e esposa Alessandra, por seu carinho e dedicação.
Aos meus filhos Lucas e Júlia, pela alegria constante de sua presença.
AGRADECIMENTOS
À Usina Santa Rita S.A. pelo apoio a este esforço de pesquisa e desenvolvimento tecnológico.
Á UNAERP pelo oferecimento de um curso com infra estrutura e professores altamente capacitados.
Ao Centro Paula Souza pelo incentivo à capacitação de seus docentes.
Ao Sr. José Arídio de Sá Martins pelo apoio na realização dos contatos com empresas do setor sucroalcooleiro.
Aos alunos José Renato Pires Ruza, Lorraine Bernardes Borges, Mateus Favaretto Bernardes, Thais de Paula Silveira Mello e Bruno Moreira da Silva pelo apoio e
companheirismo durante todo o período de execução deste trabalho.
Aos colegas Lacyr, Wagner, Figueiredo, Lucas, Eduardo, Tetê, Amanda, Nélia, Marcão e Anderson, pelos momentos de alegria e apreensão que passamos juntos.
À Prof.ª Cristina Filomêna Pereira Rosa Paschoalato, por sua orientação precisa e apoio incondicional, sem os quais não seria possível a conclusão deste trabalho.
RESUMO
Os processos de fabricação de açúcar e etanol consomem quantidades significativas de água e geram consideráveis volumes de águas residuárias. A operação de lavagem da cana de açúcar tem por objetivo a retirada de terras e palhas que se acumulam junto à cana durante a colheita.
A água de lavagem de cana (ALC) usualmente é recirculada e com o passar do tempo perde qualidade, necessitando de grandes volumes para reposição. Os tratamentos atualmente aplicados à ALC para reciclo são a sedimentação natural e a correção de pH. Como a vazão é bastante elevada a sedimentação sem o auxílio de coagulantes químicos apresenta baixa eficiência e elevado tempo de detenção. O processo de sedimentação primária quimicamente assistida pode ser uma alternativa viável para tratamento da ALC em reciclo. Com objetivo de promover uma melhoria na qualidade da água de lavagem de cana de uma unidade industrial de produção de açúcar e etanol localizada em Santa Rita do Passa Quatro, SP, este trabalho realizou estudos de tratabilidade por coagulação, floculação e sedimentação. Uma amostra de 1500L da água de lavagem de cana foi coletada na unidade industrial e transportada ao Laboratório da UNAERP, onde foi feita sua caracterização. Foram realizados testes em reatores estáticos do tipo jar-test com dois tipos de coagulantes comerciais, sendo o Cloreto Férrico e o Coro sulfato de ferro (FeClSO4), denominado Floculan. Os ensaios buscaram uma otimização da coagulação, floculação e sedimentação visando a obtenção dos parâmetros para realização do tratamento proposto. Foi feito um monitoramento da água de lavagem de cana da unidade industrial durante o período da realização da pesquisa com o objetivo de conhecer suas características. Um balanço de massa foi calculado para estimar o volume de coagulante utilizado e a quantidade de lodo gerado pelo tratamento proposto. Pelos resultados obtidos, concluiu-se que o tratamento da ALC, simulado por sedimentação precedida por coagulação e floculação, usando os coagulantes Cloreto Férrico e floculan, mostrou-se muito eficiente na remoção de turbidez e sólidos suspensos. Com uso de floculam em dosagem otimizada de 300mg/L a eficiência de remoção de turbidez e sólidos suspensos totais foi de 99% e 97%
respectivamente. Foi realizado um levantamento de custos associados ao tratamento para verificar sua viabilidade econômica. Os resultados mostraram um pequeno custo de implantação e um custo operacional médio que pode variar de 0,02 a 1,03 reais por tonelada de cana esmagada.
Palavras-chaves:lavagem de cana; cana de açúcar; reciclo; sedimentação primária.
ABSTRACT
The manufacturing process of sugar and alcohol consume significant amounts of water and generate significant volumes of wastewater. The washing operation of sugar cane aims to set aside and straw that accumulate along the cane during the harvest. The sugarcane wash water (ALC) is usually recirculated and over time it loses quality, requiring large volumes for replacement. The treatments currently applied to the ALC to recycle are the natural sedimentation and pH correction. As the flow rate is very high, sedimentation without the aid of chemical coagulants have to low efficiency and high retention time. The process of chemically assisted primary sedimentation may be a viable alternative for recycling in ALC.
In order to promote an improved quality of wash water from a reed plant for production of sugar and ethanol located in Santa Rita do Passa Quatro, SP, this work studies conducted treatability by coagulation, flocculation and sedimentation. A sample of 1500L water wash of sugarcane was collected at the plant and transported to the Laboratory of UNAERP, where was made its characterization. Tests were conducted in jar-test static reactors with two types of commercial coagulants, ferric chloride and iron chlorosulfate (FeClSO4) called Floculan.
The tests looked for an optimization of coagulation, flocculation and settling in order to obtain the parameters for implementation of the proposed treatment. Was monitored water wash of sugarcane plant during the accomplishment of the research in order to determine its characteristics. A mass balance was calculated to estimate the volume of coagulant used and the amount of silt generated by the proposed treatment. From the results, we concluded that treatment of ALC, simulated by sedimentation preceded by coagulation and flocculation using the coagulants ferric chloride and floculan, proved very effective in removing turbidity and suspended solids. With use of Floculan in optimal dosage 300mg/L the removal efficiency of turbidity and suspended solids was 99% and 97% respectively. A survey of costs associated with treatment was conducted to check its economic viability. The results showed a small cost of deployment and an operational cost average between 0,01 and 0,61 dollar per tonne of sugar cane.
Keywords: wash of sugarcane; sugar cane; recycle; primary sedimentation.
SUMÁRIO
RESUMO ABSTRACT
LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
1 INTRODUÇÃO 16
2 OBJETIVOS 18
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 19
3.1 A LEGISLAÇÃO BRASILEIRA REFERENTE AOS RECURSOS
HÍDRICOS 20
3.2 O REÚSO DA ÁGUA 20
3.3 A ÁGUA NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E
ÁLCOOL 21
3.3.1 Recepção, Preparo e Extração 22
3.3.2 Tratamento do Caldo 22
3.3.3 Produção do açúcar 22
3.3.4 Fermentação 23
3.3.5 Destilação 23
3.3.6 Geração de energia 23
3.4 SISTEMAS DE TRATAMENTO ASSOCIADOS À
RECICLAGEM DA ÁGUA DE LAVAGEM DE CANA 25
3.4.1 Sedimentação 26
3.4.2 Sedimentação precedida por coagulação e floculação 27
3.4.2.1 Coagulação 27
3.4.2.2 Floculação 28
3.5 ENSAIOS DE TRATABILIDADE DA ÁGUA DE LAVAGEM DE
CANA EM REATORES ESTÁTICOS TIPO JAR-TEST 28
3.5.1 Estudo da dosagem de coagulante versus pH de coagulação 29 3.5.2 Avaliação da influência dos parâmetros de mistura rápida 29 3.5.3 Avaliação da influência dos parâmetros de mistura lenta
(floculação). 29
3.5.4 Ensaio de massa seca de lodo 30 3.5.5 Ensaio em jar test aplicado ao tratamento de efluentes 30
3.6 Considerações Finais 30
4 METODOLOGIA 31
4.1 DIAGNÓSTICO DO SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUA
DE LAVAGEM DE CANA DE AÇÚCAR DA USINA SANTA
RITA 31
4.2 CARACTERIZAÇÃO DA ÁGUA DE LAVAGEM DE CANAS
(ALC) 36
4.3 ENSAIOS DE TRATABILIDADE DA ALC EM REATORES DE
JARROS ESTÁTICOS DO TIPO JAR-TEST 37
4.3.1 Ensaios em jar-test iniciais 38
4.3.2 Construção de diagrama de coagulação seguido de floculação para
pH e turbidez 39
4.3.3 Ensaio de avaliação da influência de mistura rápida para seleção de
parâmetros 39
4.3.4 Ensaio de avaliação da influência de mistura lenta (floculação) para
seleção de parâmetros 39
4.3.5 Ensaio de massa seca de lodo 39
4.3.6 Ensaio de Tratabilidade em jar-test usando coagulação sem
floculação 40
4.4 BALANÇO DE MASSA DO SISTEMA DE TRATAMENTO DE
ALC 40
4.4.1 Balanço de massa no Sistema I 41
4.4.2 Balanço de massa no Sistema II 42
4.4.3 Determinação da vazão de ALC 42
4.4.3.1 Determinação da área de secção transversal do canal 42 4.4.3.2 Determinação da velocidade de escoamento da ALC 43 4.4.3.3 Cálculo da vazão de água de lavagem de cana (ALC) 43 4.5 LEVANTAMENTO DAS CONDIÇOES NECESSÁRIAS PARA
REALIZAÇÃO DO TRATAMENTO DA ÁGUA DE LAVAGEM
DE CANA EM ESCALA REAL 43
4.5.1 Especificação da etapa de mistura rápida 43
4.6 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE FLOCULAÇÃO 45
4.6.1 Cálculo do volume da unidade de floculação. 46
4.6.2 Cálculo da perda de carga 46
4.7 ESTIMATIVA DOS CUSTOS ASSOCIADOS AO SISTEMA DE
TRATAMENTO 48
4.7.1 Custos de implantação 49
4.7.1.1 Custo do projeto do sistema de tratamento 49
4.7.1.2 Custo de aquisição e instalação dos equipamentos 49
4.7.1.3 Custos de projeto e construção civil 49
4.7.2 Custos de operação 49
4.7.2.1 Custo com coagulante 50
4.7.2.1.1 Custo com coagulante considerando-se o Cenário I 50 4.7.2.1.2 Custo com coagulante considerando-se o Cenário II 51 4.7.2.1.3 Custo com coagulante considerando-se o Cenário III 51
4.7.2.2 Custo de retirada de lodo 53
4.7.2.2. 1 Determinação da taxa mensal de geração de lodo para o Cenário I 53 4.7.2.2.2 Determinação da taxa mensal de geração de lodo para o Cenário II 53 4.7.2.2.3 Determinação da taxa mensal de geração de lodo para o Cenário III 53
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO 55
5.1 CARACTERIZAÇÃO E MONITORAMENTO DA ÁGUA DE
LAVAGEM DE CANA DE AÇÚCAR 55
5.2 ENSAIO EM REATORES DE JARROS ESTÁTICOS TIPO JAR-
TEST 57
5.2.1 Ensaios para otimização da dosagem de Cloreto Férrico e do pH 57 5.2.2 Ensaios para otimização da dosagem de floculan e do pH 60 5.2.3 Ensaio de reprodução dos melhores valores encontrados 62 5.2.4 Ensaio de otimização de mistura rápida com o coagulante floculan 64 5.2.5 Ensaio de otimização de mistura lenta usando floculan como
coagulante 65
5.2.6 Ensaio de massa seca de lodo 65
5.2.7 Ensaio de tratabilidade em jar-test usando coagulação sem
floculação 67
5.2.8 Ensaio de verificação final em jar-test 71
5.3 CARACTERIZAÇÃO DA ÁGUA DE LAVAGEM DE CANA
APÓS TRATAMENTO 74
5.4 DETERMINAÇÃO DA VAZÃO DE ALC AFLUENTE 75
5.4.1 Determinação da área de secção transversal do canal 75
5.4.2 Determinação da velocidade da ALC 77
5.4.3
Cálculo da vazão afluente ao lagoa de sedimentação 78
5.5 DIMENSIONAMENTO DO FLOCULADOR HIDRÁULICO DE
ALC 78
5.6 BALANÇOS DE MASSA DO SISTEMA DE TRATAMENTO DE ALC
80
5.6.1 Balanço de Massa no Sistema I 80
5.6.1.1 Balanço de massa para coagulante 80
5.6.2 Balanço de Massa no Sistema II 82
5.7 ANÁLISE ECONÔMICA 84
5.7.1 Custos de implantação
84 5.7.2 Custos com coagulante
85 5.7.2.1 Custo devido ao consumo de coagulante considerando-se aplicação
contínua de coagulante e volume de ALC instalado (Cenário I) 85 5.7.2.2 Custo devido ao consumo de coagulante considerando-se aplicação
intermitente de coagulante e volume de ALC instalado (Cenário II) 86 5.7.2.3 Custo devido ao consumo de coagulante considerando-se aplicação
intermitente de coagulante e volume de ALC mínimo (Cenário III) 87
5.7.3 Custos de retirada de lodo 88
5.7.3.1 Taxa de produção mensal de lodo no Cenário I 89 5.7.3.2 Taxa de produção mensal de lodo no Cenário II 89 5.7.3.3 Taxa de produção mensal de lodo no Cenário III 89
6 CONCLUSÕES 91
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 92
ANEXO A- Especificação Técnica dos Coagulantes
ANEXO B- Roteiro de cálculo do gradiente de velocidade na calha Parshall
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1 Distribuição do consumo de água por atividade no Brasil 19 Figura 3.2 Distribuição do consumo de água por atividade no Estado de São Paulo 19 Figura 3.3 Fluxograma representativo das etapas de recepção, preparo e extração 24 Figura 3.4 Decantador circular e caixa de areia utilizados no tratamento de água de
lavagem de cana 26
Figura 4.1 Fluxograma do Processo de fabricação de açúcar e etanol 32 Figura 4.2 Canal de transporte de ALC da indústria para a lagoa de sedimentação 33 Figura 4.3 Canal de transporte de ALC entrando na lagoa de sedimentação 33 Figura 4.4 Fluxograma da etapa de lavagem de cana da Usina santa Rita 34 Figura 4.5 Retirada do lodo da lagoa de sedimentação por dragagem 34 Figura 4.6 Disposição do lodo nas margens da lagoa de sedimentação 35
Figura 4.7 Entrada da ALC na lagoa de sedimentação 35
Figura 4.8 Sistema de bombeamento da ALC da lagoa de sedimentação para a
indústria 36
Figura 4.9 Fluxograma resumo dos ensaios em jar-test com a ALC 37 Figura 4.10 Diagrama representativo do balanço de massa do tratamento da ALC 41
Figura 4.11 Cotas da calha Parshall 44
Figura 4.12 Cotas do ressalto hidráulico 45
Figura 4.13 Vista em planta do floculador hidráulico 45
Figura 4.14 Esquema de velocidades no floculador 47
Figura 5.1 Monitoramento da ALC afluente à lagoa de sedimentação 56 Figura 5.2 Monitoramento da ALC efluente à lagoa de sedimentação 57 Figura 5.3 Diagrama de turbidez da ALC na velocidade VS1=1,4cm.min-1 do ensaio
em jar-test usando Cloreto Férrico como coagulante 58 Figura 5.4 Diagrama de turbidez da ALC na velocidade VS2=0,7cm.min-1 do ensaio
em jar-test usando Cloreto Férrico como coagulante 59 Figura 5.5 Diagrama de turbidez da ALC na velocidade VS1=1,4cm.min-1 do ensaio
em jar-test usando floculan como coagulante 60
Figura 5.6 Diagrama de turbidez da ALC na velocidade VS2=0,7cm.min-1 do ensaio 61
em jar-test usando floculan como coagulante
Figura 5.7 Início do ensaio em jar-test 62
Figura 5.8 Ensaio em jar-test após a coleta de amostras na velocidade de
sedimentação VS1=1,4 cm.min-1 62
Figura 5.9 Ensaio para confirmação dos melhores pontos 63
Figura 5.10 Resultados do ensaio de otimização de mistura rápida 64 Figura 5.11 Resultados do ensaio de otimização de mistura lenta. 65 Figura 5.12 Valores médios de remoção de sólidos suspensos em função da
velocidade de sedimentação e dosagem de coagulante 66 Figura 5.13 Gráfico da turbidez em relação à dosagem de coagulante (Floculan) para
as amostras coletadas na velocidade VS1 69
Figura 5.14 Gráfico da turbidez em relação à dosagem de coagulante (Floculan) para
as amostras coletadas na velocidade VS2 69
Figura 5.15 Gráfico da turbidez em relação à dosagem de coagulante (Cloreto Férrico)
para as amostras coletadas na velocidade VS2 70
Figura 5.16 Gráfico da turbidez em relação à dosagem de coagulante (Cloreto Férrico)
para as amostras coletadas na velocidade VS2 70
Figura 5.17 Ensaio final em jar-test da água de lavagem de cana 72 Figura 5.18 Interface bem definida entre a camada de lodo e o sobrenadante 72
Figura 5.19 Água bruta de lavagem de cana 73
Figura 5.20 Água obtida após ensaio final de tratabilidade em jar-test 73 Figura 5.21 Local de medição das profundidades do canal 75 Figura 5.22 Medição da profundidade do canal a partir das duas margens. A régua
mostrada na figura possui escala graduada em decímetros. 76
Figura 5.23 Perfil do canal de transporte da ALC 76
Figura 5.24 Utilização do movimento de uma garrafa arrastada pela correnteza para
medição da velocidade da ALC 77
Figura 5.25 Diagrama representativo do balanço de massa do sistema de tratamento
da ALC para a dosagem de coagulante 150mg.L-1 83
Figura 5.26 Diagrama representativo do balanço de massa do sistema de tratamento da ALC para a dosagem de coagulante 250mg.L-1. 83 Figura 5.27 Diagrama representativo do balanço de massa do sistema de tratamento
da ALC para a dosagem de coagulante 300mg.L-1. 84
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 Consumo de água nas etapas de fabricação de açúcar e etanol. 24 Tabela 4.1 Dados de produção da Usina Santa Rita em Santa Rita do Passa Quatro-SP 31 Tabela 4.2 Parâmetros a serem utilizados na caracterização da água de lavagem de
cana, unidade, metodologia analítica e limite de detecção do método
(LDM), segundo APHA, 2005 36
Tabela 4.3 Parâmetros utilizados nos ensaios iniciais em jar-test 38 Tabela 4.4 Parâmetros envolvidos no balanço de massa dos Sistemas I e II 41
Tabela 4.5 Dimensões padronizadas para Calhas Parshall 44
Tabela 5.1 Características da amostra de ALC afluente à lagoa de sedimentação 45 Tabela 5.2 Resultados do monitoramento da qualidade da ALC afluente e efluente à
lagoa de sedimentação 56
Tabela 5.3 Pontos que representam as condições para maior remoção de turbidez
usando Cloreto Férrico como coagulante 59
Tabela 5.4 Pontos selecionados para análise de remoção de turbidez usando floculan
como coagulante 61
Tabela 5.5 Resultados do ensaio para reprodução dos melhores pontos obtidos com
floculan e Cloreto Férrico usados como coagulantes 63
Tabela 5.6 Resultados do ensaio de massa seca de lodo 66
Tabela 5.7 Ensaio em jar-test com Floculan sem etapa de mistura lenta 67 Tabela 5.8 Ensaio em jar-test com Cloreto Férrico sem etapa de mistura lenta 69 Tabela 5.9 Parâmetros usados na realização do ensaio final em jar-test 71 Tabela 5.10 Caracterização da água de lavagem de cana coletada nas velocidades Vs1 e
Vs2 do ensaio final em jar-test, e da ALC bruta 74 Tabela 5.11 Tempo gasto pela garrafa para percorrer o trecho escolhido para medição
da velocidade de escoamento da ALC 78
Tabela 5.12 Dados de dimensionamento do floculador hidráulico 79 Tabela 5.13 Taxas de acúmulo de lodo na lagoa de sedimentação 82 Tabela 5.14 Custos de aquisição e instalação de equipamentos 84 Tabela 5.15 Custos de projeto e construção civil
85 Tabela 5.16 Resumo dos custos devidos ao consumo de coagulante (Floculan) 88
Tabela 5.17 Taxas mensais de produção de lodo 90
LISTA DE ABREVIATURA E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ALC Água de Lavagem de Cana
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
DBO 5, 20°C Demanda Bioquímica de Oxigênio de 5 dias a 20°C DQO Demanda Química de Oxigênio
ETE Estação de Tratamento de Esgoto
d Dia
FIESP Federação das Indústrias do Estado de São Paulo Gml Gradiente de Mistura Lenta
Gmr Gradiente de Mistura Rápida
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
mg Miligrama
mm Milímetro
pH Potencial Hidrogeniônico
SSF Sólidos Suspensos Totais Fixos
SST Sólidos Suspensos Totais
SSV Sólidos Suspensos Totais Voláteis
ST Sólidos Totais
t Tempo
ton tonelada
Tml Tempo de mistura lenta
Tmr Tempo de mistura rápida
Ts Tempo de sedimentação
UNAERP Universidade de Ribeirão Preto UNICA União das Indústrias Canavieiras
Vs Velocidade de Sedimentação
1 INTRODUÇÃO
O processo produtivo de açúcar e etanol consome quantidades significativas de água, sendo também um processo com considerável geração de águas residuárias. Dados recentes indicam taxas de consumo médio da ordem de 22m3 por tonelada de cana esmagada. No Brasil existem aproximadamente 400 indústrias de açúcar e etanol, distribuídas pelas regiões sudeste, nordeste e mais recentemente pela região centro oeste, que podem impactar consideravelmente os recursos hídricos do país por se tratar de um setor que está em plena expansão. Novas tecnologias têm sido empregadas com a finalidade de reduzir o consumo de água nos processos da indústria sucroalcooleira, incluindo o reciclo da água de lavagem de cana em circuitos fechados. Nesse sentido, também podem ser citados os novos sistemas de limpeza da cana de açúcar bruta que não utilizam água, como os sistemas de sopramento e sistemas mecânicos.
A lavagem da cana tem como objetivo retirar terra e palhas que se acumulam junto à cana durante o processo da colheita. A terra produz desgastes adicionais de origem mecânica na moenda, sendo capaz de reduzir sua eficiência em até 1% durante uma safra, além de sobrecarregar os sistemas de limpeza do caldo. A palha aumenta a altura de colchão de cana que passa através da moenda, dificultando seu esmagamento, além de dificultar a clarificação do caldo devido ao aumento da concentração de sólidos.
O processo de lavagem da cana de açúcar requer uma quantidade elevada de água, sendo interessante o processo de reciclo para reduzir a demanda sobre os mananciais. Para tanto, a água após ser utilizada na lavagem da cana deve ser enviada a uma lagoa de sedimentação para retirada de sólidos sedimentáveis. Entretanto, o tempo de detenção necessário para a sedimentação natural é elevado, o que acarreta na necessidade de um volume elevado de água. Por outro lado, a eficiência do processo de tratamento na lagoa de sedimentação é baixa e a qualidade da água tende a se deteriorar com o tempo de uso. A baixa qualidade da água também propicia o desenvolvimento de microrganismos que podem causar infecções no processo produtivo, levando à necessidade do uso de antibióticos e consequentemente ao aumento do custo de produção. Com a melhoria da qualidade da ALC, pode-se aumentar a eficiência no combate às infecções pela elevação do pH da ALC. Não pode ser esquecida a questão ambiental relacionada com a diminuição do consumo de água, que pode elevar este projeto à categoria de projetos financiados com recursos específicos para
a área ambiental. O BNDES possui linha de financiamento específico para projetos ligados à produção de biocombustíveis que visem o reaproveitamento de efluentes líquidos e implantação de sistema de circuito fechado.
Pretende-se com a realização da presente pesquisa promover um aumento da velocidade de sedimentação dos sólidos presentes na água de lavagem de cana através do uso de produtos auxiliares de coagulação/floculação, provocando uma diminuição do volume da água e do tempo de detenção e como conseqüência uma melhoria na qualidade da água e uma maior disponibilidade em volume.
2 OBJETIVOS
O principal objetivo da presente pesquisa é promover um aumento da velocidade de sedimentação dos sólidos presentes na água de lavagem de cana, provocando uma diminuição do volume da água e do tempo de detenção e, como conseqüência, uma melhoria na qualidade da água e uma maior disponibilidade em volume. Para isso, os seguintes objetivos específicos foram necessários:
Caracterizar a água de lavagem de cana da Usina Santa Rita;
Estudar a aplicação de coagulantes e floculantes para a clarificação da água de lavagem de cana;
Avaliar a eficiência de remoção de sólidos suspensos totais e turbidez;
Quantificar o lodo gerado pelo tratamento proposto;
Estimar os custos de implantação e operação do sistema de tratamento proposto.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A água é um recurso escasso e exaurível e seu uso deve ser planejado e controlado de forma a evitar desperdícios.
O Brasil é considerado um país privilegiado em termos de recursos hídricos. No entanto a distribuição da água pelas regiões não é uniforme, resultando em abundância de água em algumas regiões e escassez em outras.
As regiões que possuem maior disponibilidade específica são as regiões Norte e Centro-Oeste, com disponibilidade específica de 285.591,87 m3.ano-1.hab-1 e 100.493,98m3.ano-1.hab-1, respectivamente (MIERZWA e HESPANHOL,2005).
As regiões que possuem as menores disponibilidades específicas de água são as regiões Sudeste (4.448,44 m3.ano-1.hab-1) e Nordeste (4.880,26 m3.ano-1.hab-1), de onde pode- se observar que as regiões mais desenvolvidas e densamente povoadas sofrem o efeito da escassez, devido ao intenso uso destes recursos.
A distribuição de consumo de água por atividade também é diferenciada entre as regiões (MIERZWA e HESPANHOL, 2005). As Figuras 3.1 e 3.2 mostram a distribuição do consumo de água por atividade no Brasil e no estado de São Paulo.
Consumo Humano Irrigação Uso Industrial Consumo Animal
Figura 3.1 Distribuição do consumo de água por atividade no Brasil (Fonte: MIERZWA e HESPANHOL, 2005)
Figura 3.2 Distribuição do consumo de água por atividade no Estado de São Paulo (Fonte:
MIERZWA e HESPANHOL, 2005)
Consumo Humano Irrigação
Uso Industrial
3.1 A LEGISLAÇÃO BRASILEIRA REFERENTE AOS RECURSOS HÍDRICOS
A legislação brasileira referente aos recursos hídricos, impulsionada pelas mudanças sócio-econômicas, vem sofrendo modificações ao longo dos anos com o objetivo de disciplinar a utilização destes recursos e minimizar os conflitos pelo uso da água, principalmente aonde esses recursos são mais escassos.
A Lei Federal no 9.433, de 8 de janeiro de 1997, instituiu a Política Nacional de Recursos Hídricos e criou o Sistema Nacional de Gerenciamento dos Recursos Hídricos – SINGREH. Nesta lei já encontram-se integrados alguns conceitos relacionados ao desenvolvimento sustentável, uso racional dos recursos hídricos e reconhecimento dos recursos naturais como bens econômicos. Em 17 de julho de 2000, o Ministério do Meio Ambiente criou a Agência Nacional de Águas (ANA) através da Lei no 9.984, para coordenar e apoiar o SINGREH.
Para o desenvolvimento de um programa de gerenciamento de águas e efluentes nas indústrias, a Lei Federal 9.433, em suas seções III e IV, trata das questões relacionadas a outorga de direitos de uso dos recursos hídricos (seção III) e à cobrança pelo uso dos recursos hídricos (seção IV), em que aparece o conceito do usuário pagador. A cobrança pelo uso da água é um instrumento da legislação para a sua racionalização e conservação, que tem reflexos na competitividade das empresas e viabilização de investimentos em projetos de reúso (MIERZWA e HESPANHOL, 2005).
3.2 REÚSO DA ÁGUA
O reúso da água faz parte do sistema de gerenciamento que leva ao uso eficiente da água, evitando também a geração de efluentes com potencial de degradação de mananciais.
De acordo com FIESP(2008), existem dois tipos de reúso, chamados de reúso não planejado e reuso planejado da água. O primeiro tipo trata-se de uma forma indireta, que resulta da utilização de maneira não intencional e controlada, por usuários de jusante que captam águas que já foram utilizadas e devolvidas aos rios pelos usuários de montante. Face ao agravamento das condições de poluição, basicamente pela falta de tratamento adequado de efluentes, quando não pela sua total inexistência, evoluiu-se, então, para uma forma planejada de reúso, que é aquela em que se trata um efluente para sua reutilização em uma determinada finalidade, que pode ser interna ao próprio empreendimento, sem descarga no meio ambiente
(reuso planejado direto), ou com descarga dos efluentes tratados, de forma controlada, nos corpos de águas superficiais ou subterrâneas, para serem utilizadas a jusante, de maneira controlada, no atendimento de algum uso benéfico (reuso planejado indireto).
Em processos que não requerem a utilização de água com qualidade potável, o reúso pode ser uma alternativa interessante. Essa prática já está sendo aplicada em vários países para reduzir a demanda sobre os mananciais. A reutilização dos efluentes pode levar a uma situação em que a captação seja necessária apenas para fins de reposição, poupando grandes volumes de água potável (TENÓRIO, 2005).
De acordo com Mierzwa e Hespanhol (2005), uma questão fundamental para que se promova a racionalização do uso da água é a importância que se dá a esse recurso. Entretanto, a opção pelo reúso só deve ser considerada após a aplicação de medidas de otimização do uso da água, para minimizar desperdícios, e da avaliação das características do efluente a ser reutilizado. Se o efluente produzido não tiver condições de ser reutilizado diretamente devido às suas características, deve ser avaliado o potencial para adoção de um sistema de tratamento para o efluente. Mierzwa e Hespanhol (2005) ainda citam que o principal fator limitante ao reúso de efluentes pós-tratados é a qualidade da água requerida em cada aplicação. Dentre os vários parâmetros que podem ser utilizados para a avaliação das condições de reúso com pós-tratamento, a concentração de sais totais dissolvidos (STD) é a mais adequada, já que a STD aumenta à medida que o efluente é recirculado e as técnicas amplamente utilizadas para o tratamento de efluentes não são capazes de remover esse tipo de contaminante.
3.3 A ÁGUA NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL
O processo de produção de açúcar e etanol possui duas etapas bem distintas, sendo uma delas situadas no campo e a outra na indústria.
No campo ocorrem os processos de preparação da terra para o plantio da cana de açúcar. O plantio da cana de açúcar ocupa extensas áreas, e pode requerer ou não o auxílio de irrigação, dependendo de fatores climáticos regionais.
O corte e a colheita da cana podem ser realizados de forma manual ou mecanizada.
O transporte da cana do canavial até a usina é feito em caminhões com caçamba basculante para facilitar seu descarregamento. Antes de ser processada, a cana é avaliada com o objetivo de se quantificar seu teor de sacarose, sendo então enviada para os processos
produtivos de açúcar ou de etanol. A partir desse momento é que inicia-se a etapa industrial da produção de açúcar e etanol.
As etapas industriais iniciais da produção de açúcar e etanol são as mesmas, diferenciando-se a partir do tratamento realizado no caldo, que pode ser conduzido adequadamente para a fabricação do açúcar ou do etanol, conforme o planejamento industrial.
A seguir são mostrados detalhes das etapas principais que envolvem a fabricação do açúcar e do etanol, de acordo com (BRAILE e CAVALCANTI,1993).
3.3.1 Recepção, Preparo e Extração
Na etapa de Recepção, a cana vinda das lavouras é pesada e analisada ainda sobre o caminhão, sendo posteriormente descarregada em local apropriado. Um guindaste com uma garra é usado para pegar a cana e colocá-la sobre a mesa alimentadora, onde ela inicialmente passará por um processo de lavagem com água. Das mesas, a cana é transportada em esteiras até o desfibrador, onde a cana é preparada para a moagem ou difusão. O caldo é enviado para o processo, enquanto o bagaço segue para a caldeira para ser queimado.
3.3.2 Tratamento do Caldo
O objetivo da etapa do tratamento do caldo é obter um caldo clarificado livre de impurezas e suspensões. As sub-etapas de tratamento do caldo dividem-se em físicas e físico- químicas, sendo a primeira realizada por peneiramento e a segunda realizada por decantação, com adição de produtos químicos como enxofre, cal e polímeros. O caldo clarificado passa então pelos evaporadores para aumentar sua concentração por meio da retirada da água, sendo enviado em seguida para o cozimento.
3.3.3 Produção do açúcar
A fábrica de açúcar, através de cozedores, intensifica o processo do aumento da concentração do caldo, que segue para o cristalizador, aonde ocorre a formação do açúcar propriamente dito. As partes líquida e sólida da massa cozida são separadas por centrifugação.
3.3.4 Fermentação
A fermentação é o processo de transformação de açúcar em álcool. A fermentação é antecedida pela preparação do mosto, uma solução de açúcar cuja concentração foi ajustada de forma a facilitar a sua fermentação. O mosto é constituído pela mistura de méis (caldo concentrado) e caldo, com uma concentração de sólidos de 17 a 22o Brix. As leveduras (microrganismos unicelulares Saccharomyces cerevisae) realizam a fermentação do mosto. O processo de fermentação se desenvolve em condições de anaerobiose e o tempo de fermentação varia de 4 a 12 horas.
3.3.5 Destilação
A destilação é um processo físico de separação de líquidos em uma mistura, baseado nos diferentes pontos de ebulição de seus componentes. À pressão normal, o álcool etílico evapora-se a 78,3oC, enquanto a água destilada ferve a 100oC. O processo consiste em aquecer a mistura e condensar os vapores provenientes da sua evaporação.
3.3.6 Geração de energia
A geração de energia tem início com a queima do bagaço nas caldeiras, que produzem vapor à alta pressão. O vapor é utilizado no acionamento de turbinas acopladas a geradores de energia elétrica. Parte da energia é consumida pela própria usina, sendo o excedente vendido às concessionárias de energia elétrica.
Na Tabela 3.1 são mostrados os consumos de água correspondentes às etapas de fabricação de açúcar e etanol, com seu percentual médio em relação ao consumo total.
Conforme os dados apresentados na Tabela 3.1, o consumo médio de água para fabricação de etanol é de 14,1 m3.ton-1 de cana esmagada. Se forem computados os consumos de água para produção de açúcar e geração de energia, o consumo pode atingir 21 m3.ton-1 de cana esmagada.
Entretanto, o consumo de água no processo fabril pode variar devido a fatores climáticos e processos produtivos, que se diferenciam, basicamente, pela existência ou não de recirculação de água em algumas etapas do processo.
Tabela 3.1 Consumo de água nas etapas de fabricação de açúcar e etanol.
SETOR Consumo médio de água
m3/ton %
Alimentação, Preparo e Extração 5,7 27,1
Tratamento do Caldo 0,4 1,9
Produção de Açúcar 6,1 29,1
Fermentação 4,0 19,1
Destilaria 4,0 19,1
Geração de Energia 0,7 3,3
Outros 0,1 0,4
Total 21,0 100
Fonte: Adaptado de Elia Neto, 2008.
O consumo de água na etapa de recepção, preparação e extração representa aproximadamente 27% de todo o consumo devido quase totalmente ao processo de lavagem da cana. Vale ressaltar que este valor não corresponde à captação de água, devido à sua utilização em sistema de reciclo. A Figura 3.3 mostra detalhes das etapas de recepção, preparação e extração.
Figura 3.3 Fluxograma representativo das etapas de recepção, preparação e extração.
Adaptado de ELIA NETO (2009).
3.4 SISTEMAS DE TRATAMENTO ASSOCIADOS À RECICLAGEM DA ÁGUA DE LAVAGEM DE CANA
Os processos de tratamento a serem adotados, as suas formas construtivas e os materiais a serem empregados são considerados a partir dos seguintes fatores: a legislação ambiental regional; o clima; a cultura local; os custos de investimento; os custos operacionais;
a quantidade e a qualidade do lodo gerado na estação de tratamento de efluentes industriais; a qualidade do efluente tratado; a segurança operacional relativa aos vazamentos de produtos químicos utilizados ou dos efluentes; explosões; geração de odor; a interação com a vizinhança; confiabilidade para atendimento à legislação ambiental e possibilidade de reúso dos efluentes tratados (GIORDANO, 1999).
A lavagem da cana-de-açúcar é uma das etapas do processo de fabricação de açúcar e etanol que mais demanda água em todo parque industrial de produção de açúcar e etanol.
Segundo (BRAILE e CAVALCANTI, 1993), a taxa de aplicação de água para lavagem de cana pode variar de 6,3 a 10,8 m³.ton-1 de cana esmagada nas usinas do estado de São Paulo.
Estudos mais recentes mostram taxas de aplicação de água para lavagem de cana em torno de 5m³.ton-1 de cana esmagada (ELIA NETO, 2009), em consequência da mecanização do corte da cana. Como a ALC é recirculada, sua qualidade físico-química e bacteriológica tende a diminuir ao longo da safra, pois os açucares dissolvidos facilitam a fermentação, com conseqüente abaixamento do pH, transformando essas águas em meios propícios a proliferação de microrganismos, podendo ocorrer infecções que diminuem a eficiência do processo industrial de fabricação de açúcar e etanol. Para combater isso é importante observar o percentual da parcela de água de reposição e manter o pH elevado (OMENA et al., 2004).
No Brasil os processos de tratamento utilizados para as ALC dependem do tipo de sistema empregado. Quando são empregados sistemas abertos, nos quais o reciclo das águas não é utilizado, o tratamento compreende a bio-estabilização desses efluentes em lagoas anaeróbias, juntamente com outras do tipo facultativas, visando seu descarte em corpos d’água. No caso de sistemas fechados ou semifechados, quando se faz o reciclo das águas, é utilizado o tratamento primário, em caixas de areia, lagoas de decantação ou decantadores convencionais. Na Figura 3.2 pode ser visto um decantador circular e uma caixa de areia utilizados no tratamento de água de lavagem de cana.
Figura 3.4: Decantador circular e caixa de areia utilizado no tratamento de água de lavagem de cana (adaptado de ELIA NETO, 2009).
3.4.1 Sedimentação
A sedimentação é uma operação dinâmica de separação de partículas sólidas presentes nas águas e efluentes. Estas partículas, sendo de maior massa específica que o líquido, tenderão a sedimentar-se para o fundo do tanque com determinada velocidade (NUNES,2008).
Segundo Gomide (1980), considerando as características das partículas a serem removidas, a operação de sedimentação pode ser classificada em quatro tipos:
• Tipo 1 com sedimentação de partículas discretas, pouco concentradas na água, em que a floculação e a ação entre as partículas são desprezíveis;
• Tipo 2 com sedimentação de partículas em baixa concentração ou floculenta, na qual as partículas continuam a se agregar à medida que a operação de sedimentação ocorre, fazendo com que a velocidade de sedimentação também aumente;
• Tipo 3 com sedimentação obstruída ou por zona, na qual a concentração de partículas é grande, o que favorece os efeitos de interação e a formação de uma interface bem definida entre o líquido clarificado e os sólidos que sedimentam;
• Tipo 4 com sedimentação por compressão, na qual a concentração de partículas é grande, ocorrendo a sedimentação por camadas.
Os sólidos grosseiros e os sólidos finos poderão ser retirados simultaneamente em um tanque de decantação pelo fundo e o líquido pela parte superior. Nesse caso, o tanque de decantação está atuando como um clarificador (GOMIDE, 1980).
3.4.2 Sedimentação precedida por coagulação e floculação
Este processo de tratamento consiste na transformação de micropartículas em partículas maiores (flocos), que possam ser removidas por sedimentação. As cargas superficiais das partículas coloidais, caracterizado pelo potencial zeta, impedem seu agregamento natural. As substâncias como sais de ferro e alumínio, bem como os polímeros promovem o agregamento destas partículas.
De acordo com (POON e CHU, 1999), o Processo Primário de Sedimentação Quimicamente Assistida envolve o uso de coagulantes químicos para incrementar o processo de coagulação e floculação das partículas presentes nos efluentes. Se comparada à operação de sedimentação natural, a operação de sedimentação quimicamente assistido pode remover duas vezes mais poluição como tratamento primário, com redução do tamanho e do custo de um tratamento secundário quando este for necessário (Environment Protection Department, 1995). O Processo Primário de Sedimentação Quimicamente Assistida pode possibilitar uma remoção de matéria orgânica altamente eficiente, sendo também uma alternativa economicamente viável a um processo de tratamento biológico (POON, 1999 apud NENOV, 1995; ODEGAARD, 1995; NACHEVA et al., 1996).
3.4.2.1 Coagulação
A coagulação consiste na desestabilização de partículas coloidais presentes em um meio líquido. A coagulação pode resultar da ação de quatro mecanismos distintos:
compressão da camada difusa, adsorção e neutralização, varredura e adsorção e formação de pontes.
Os mecanismos de compressão da camada difusa e adsorção e neutralização estão relacionados com a diminuição da ação eletrostática entre as partículas. O mecanismo de adsorção e neutralização possui intensidade superior ao da compressão da camada difusa, sendo obtido através da adição de sais de ferro, alumínio ou outros metais. A hidrólise destes sais produz espécies químicas capazes de ser adsorvidas na superfície das partículas, desestabilizando-as por neutralização de sua carga superficial. Um dos problemas associados à coagulação por adsorção e neutralização é a reversão de cargas, devido à dosagem excessiva de sais (DI BERNARDO e DANTAS, 2005).
No mecanismo da varredura, as partículas coloidais presentes atuam como núcleos de condensação para os precipitados que se formam a partir da ação dos coagulantes. A formação desses precipitados depende de fatores como pH, dosagem de coagulantes e da concentração de alguns tipos de íons na água. Os problemas relacionados com o mecanismo de varredura podem estar associados a não existência de unidades formadoras de flocos, devido à baixa turbidez, condições operacionais incorretas de pH, alcalinidade e agitação (DI BERNARDO e DANTAS, 2005).
O mecanismo de adsorção e formação de pontes está associado com a utilização de polieletrólitos, que são compostos caracterizados por grande cadeia molecular. Tais compostos podem ser caracterizados por aniônicos, catiônicos ou não-iônicos, dependendo da carga que apresentam ao longo de sua cadeia molecular (DI BERNARDO e DANTAS, 2005).
As cargas existentes ao longo da cadeia molecular são adsorvidas na superfície dos colóides, provocando sua desestabilização por neutralização ou formando pontes nas quais as partículas coloidais são entrelaçadas.
3.4.2.2 Floculação
A floculação corresponde à etapa em que são fornecidas as condições para facilitar o contato e a agregação das partículas previamente desestabilizadas pelo processo de coagulação, visando à formação de flocos com tamanho e massa específica que favoreçam sua remoção por sedimentação, flotação ou filtração direta. A energia fornecida para a operação de floculação pode ser oriunda de floculadores mecanizados ou hidráulicos (DI BERNARDO et al.,2002).
3.5 ENSAIOS DE TRATABILIDADE DA ÁGUA DE LAVAGEM DE CANA EM REATORES ESTÁTICOS TIPO JAR-TEST
De acordo com (DI BERNARDO e DANTAS, 2005), os estudos de tratabilidade em jar-test têm por finalidade obter parâmetros de projeto otimizados para ETAs, em cujas etapas de funcionamento podem ser encontrados os processos e as operações de coagulação, floculação, sedimentação e filtração. Em relação à etapa de coagulação, os parâmetros de interesse são: gradiente de velocidade média e tempo de mistura rápida, dosagem de coagulante e pH de coagulação . Já para a etapa de floculação, o gradiente de velocidade
média e o tempo de floculação são os parâmetros mais importantes. Os ensaios são realizados com base em uma ou mais velocidades de sedimentação, pré-estabelecidas em função das dimensões do tanque de sedimentação existente e do tempo de detenção. Os passos para realização do ensaio em jar-test são definidos por DI BERNARDO et al.,2002.
3.5.1 Estudo da dosagem de coagulante versus pH de coagulação
No estudo da dosagem de coagulante e do pH de coagulação, por meio do ensaio em jar-test, são testadas várias dosagens de coagulante associadas a diferentes valores de pH, com valores pré-fixados de tempo e gradiente de velocidade de mistura rápida e de mistura lenta (floculação). A construção de diagramas de turbidez em função da dosagem de coagulante e do pH propicia a seleção do par de valores mais apropriados desses parâmetros.
3.5.2 Avaliação da influência dos parâmetros da mistura rápida
Os ensaios realizados para Avaliação da influência dos parâmetros da mistura rápida visam a obtenção da combinação entre o tempo de contato e o gradiente de mistura rápida que maximize principalmente a remoção turbidez e cor aparente (DI BERNARDO et al.,2002). A adição de coagulante aos jarros não é realizada de forma simultânea, para controlar-se o tempo de mistura rápida utilizado em cada jarro. Esse procedimento deve ser repetido para vários gradientes de velocidade. A plotagem dos resultados permite o conhecimento dos valores mais apropriados de tempo e gradiente de mistura rápida.
3.5.3 Avaliação da influência dos parâmetros da mistura lenta (floculação)
Após terem sido obtidos os melhores valores dos parâmetros da mistura rápida, realiza-se o ensaio de mistura lenta. Nesse ensaio são testados vários tempos de mistura lenta, aplicados a gradientes de velocidades diferentes. O principal cuidado na realização desse ensaio deve ser a verificação da não ocorrência de sedimentação durante a execução do mesmo. A plotagem dos resultados permite o conhecimento dos valores mais apropriados de tempo e gradiente de mistura lenta. (DI BERNARDO e DANTAS, 2005).
3.5.4 Ensaio de massa seca de lodo
O ensaio de massa seca de lodo é realizado para obter-se o valor da massa de sólidos que foi removida no tratamento, através da diferença entre o valor de sólidos suspensos totais da água bruta, imediatamente após a adição do coagulante, e o valor de sólidos suspensos totais (SST) da água tratada (DI BERNARDO e DANTAS, 2005). Além de permitir uma avaliação da eficiência do tratamento em relação à remoção de SST, o ensaio de massa seca de lodo fornece uma informação útil para o dimensionamento da freqüência de limpeza do sedimentador.
3.5.5 Ensaio em jar-test aplicado ao tratamento de efluentes.
O ensaio em jar-test ou de reatores estáticos reproduz as condições de tratamento de água ou efluentes pelo processo da coagulação, floculação e sedimentação. Poom e Chu (1999) utilizaram ensaios em jar test para estudar a eficiência de remoção de matéria orgânica e outros componentes em esgoto urbano, utilizando coagulantes a base de ferro e polímeros.
Este processo, conhecido como Sedimentação Primária Quimicamente Assistida (CAPS), já foi discutido na seção 3.4.2 desse trabalho.
3.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O tratamento atualmente aplicado à ALC para reciclo é sedimentação natural e correção de pH. Outros métodos, como lagoas de estabilização, só são empregados quando pretende-se descartar a ALC em corpos d’água. A sedimentação natural, sem o auxílio de coagulantes químicos, apresenta baixa eficiência e conduz a elevado tempo de detenção e, como a vazão é normalmente elevada, à utilização de grande volume de água. O processo de sedimentação primária quimicamente assistida, que já apresentou bons resultados no tratamento de esgotos, pode ser uma alternativa viável para promover a melhoria da qualidade da ALC. A caracterização da ALC e os ensaios em jar-test com coagulantes comerciais serão utilizados para obtenção dos parâmetros para realização desse tratamento.
4 METODOLOGIA
O presente trabalho de pesquisa foi desenvolvido em parceria com a Usina Santa Rita, localizada no município de Santa Rita do Passa Quatro, SP. O acesso principal à usina é feito pela Rodovia Anhanguera, no km 145. Está localizada às margens do rio Mogi Guaçú, principal fonte de captação de água utilizada no processo industrial. A Usina Santa Rita é produtora destacada de açúcar e etanol na região em que atua, atendendo às demandas de mercado interno e externo. Os dados de produção em 2008 e 2009 e a projeção para 2010 estão mostrados na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 Dados de produção da Usina Santa Rita em Santa Rita do Passa Quatro-SP
Dados de Produção 2008 2009 2010
(estimativa)
Matéria Prima (ton) 2.268.983 2.418.579 2.577.589
Dias de safra 208 208 208
Moagem diária (ton) 10.909 11.628 12.392
Produção de Etanol (m3) 102.331 109.078 116.249
Produção de Açúcar (ton) 155.425 165.673 176.565
Como na maioria das usinas do Estado de São Paulo, a colheita da cana de açúcar ainda não é totalmente mecanizada, existindo uma grande parcela oriunda de processo de corte manual. Para a limpeza da cana cortada pelo processo manual, a usina utiliza o processo de lavagem com água. Para o processo de corte e colheita mecanizada, não se realiza a lavagem da cana
4.1 DIAGNÓSTICO DO SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUA DE LAVAGEM DE CANA DE AÇÚCAR DA USINA SANTA RITA
A usina Santa Rita utiliza em média 60.000 m3 de água para o procedimento da lavagem de cana, em sistema de reciclo.
O processo é realizado nas mesas de lavagem pelo sistema de cachoeira. A lavagem da cana tem como objetivo retirar terra e palhas que se acumulam junto à cana durante o
processo da colheita. O processo de fabricação de açúcar e etanol pode ser visualizado na Figura 4.1, com enfoque nas etapas que envolvem a ALC.
Figura 4.1 Fluxograma do Processo de fabricação de açúcar e etanol.
A água de lavagem de cana é recolhida embaixo das mesas por ação da gravidade, segue por uma tubulação até um canal de 350m de comprimento, no qual escoa até atingir a lagoa de sedimentação, como pode ser visto nas Figuras 4.2 e 4.3.
A usina não possui um sedimentador projetado para esta finalidade, mas utiliza uma lagoa cujas dimensões são 200 metros de comprimento por 150 metros de largura e profundidade média de 2m. O objetivo é promover a sedimentação natural dos sólidos em suspensão presentes na água de lavagem de cana. A água decantada retorna por bombeamento para ser reutilizada nas mesas de lavagem.
Mesa para Lavagem de
Canas
Tratamento do Caldo
Fabricação de Açúcar Lagoa de
sedimentação para remoção de sólidos da ALC
Lodo
Disposição na Lavoura
Reposição de perdas por vazamentos,
infiltração e evaporação da ALC
Elevatória de água de lavagem de cana
Fabricação de Etanol RECICLO DA ALC
Canas que chegam da Lavoura
Bagaço p/
produção de vapor
Moagem
Figura 4.2 Canal de transporte de ALC da indústria para a lagoa de sedimentação
Figura 4.3 Canal de transporte de água de lavagem de cana entrando na lagoa de sedimentação
Para suprir as perdas de água por evaporação, infiltração e vazamentos nas tubulações por onde circula a água de lavagem de cana, é feita uma reposição, de forma a manter constante o volume de água na lagoa de sedimentação. A água utilizada para reposição é oriunda das descargas de fundo realizadas periodicamente na caldeira e de uma represa anexa
à lagoa de sedimentação. Na Figura 4.4, está apresentado um fluxograma representativo da etapa de lavagem de cana da Usina Santa Rita.
Figura 4.4: Fluxograma representativo da etapa de lavagem de cana da Usina Santa Rita.
As Figuras 4.5 e 4.6 mostram, respectivamente, o processo de retirada e a disposição do lodo, que é realizada tanto durante o período de operação quanto na entresafra.
Figura 4.5: Retirada de lodo da lagoa de sedimentação por dragagem
Figura 4.6: Disposição do lodo nas margens da lagoa de sedimentação
A falta de remoção periódica do lodo acumulado na lagoa de sedimentação dificulta a captação da água decantada, sendo necessária a dragagem constante das margens para retirada do lodo.
A chegada da ALC na lagoa de sedimentação e o sistema de bombeamento podem ser visualizados nas Figuras 4.7 e 4.8, respectivamente.
Figura 4.7 Entrada da ALC na lagoa de sedimentação
Figura 4.8 Sistema de bombeamento da ALC da lagoa de sedimentação para a indústria
4.2 CARACTERIZAÇÃO DA ÁGUA DE LAVAGEM DE CANAS (ALC)
Dada a extrema importância do conhecimento da qualidade da ALC, principalmente das variações em relação a teor de sólidos, foi realizado um monitoramento semanal ao longo de um período de 3 meses, com objetivo de melhor caracterização. As amostras coletadas na entrada e na saída da mesa de lavagem de cana, no início de cada semana foram submetidas às análises dos parâmetros descritos na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 Parâmetros a serem utilizados na caracterização da água de lavagem de cana, unidade, metodologia analítica e limite de detecção do método (LDM), segundo APHA, 2005.
Parâmetros Unidade Método LDM
pH admensional Potenciométrico (4500-H+ B) 0 a 14
Turbidez uT (NTU) Neftelométrico (2130 B) 0,1
Sólidos Totais mg/L Gravimétrico (2540 B) 1
Sólidos Dissolvidos Totais mg/L Gravimétrico (2540 B) 1
Sólidos Suspensos Totais mg/L Gravimétrico (2540 D) 1
Resíduos Sedimentáveis mg/L.h Teste Cone Imoff (2540 F) 0,1
DBO 5 dias a 20ºC mg/L O2 Potenciométrico (5210 B) 1
DQO mg/L O2 Espectrofotométrico (5220 D) 10
Metais (Fe, Cu, Zn, Pb, Ni,
Cr, Al, Mn) mg/L Espectrofotometria de Absorção
Atômica 0,01
4.3 ENSAIOS DE TRATABILIDADE DA ALC EM REATORES DE JARROS ESTÁTICOS DO TIPO JAR-TEST
Foram realizados ensaios em jar-test para determinação de métodos de tratamento para remoção de turbidez e SST da ALC. Para a realização dos ensaios foram coletados na Usina Santa Rita 1500 litros de água de lavagem de cana e trazidos para o laboratório de recursos Hídricos na UNAERP, onde foi feita sua caracterização conforme os parâmetros definidos na Tabela 4.2.
Após a dosagem dos coagulantes, estes ficam incorporados ao lodo. Como esse lodo é normalmente disposto na lavoura, torna-se necessário que os elementos que o formam não produzam contaminação no solo. Dessa forma, ficou descartada a utilização de sais de alumínio por constituir-se um contaminante para o solo, optando-se pelos sais de ferro. Foram selecionados o Cloreto Férrico (FeCl3) e o Floculan (FeClSO4), fabricados pela Indústrias Químicas Cataguases Ltda. As fichas técnicas dos coagulantes estão apresentadas no Anexo A. O fluxograma que resume os ensaios em jar-test com a ALC, é mostrado na Figura 4.9.
Figura 4.9 Fluxograma resumo dos ensaios em jar-test com a ALC Ensaio de otimização da mistura rápida (Tmr e Gmr)
Ensaio de otimização da mistura lenta (Tml e Gml)
Ensaio de massa seca
Ensaio de Coagulação sem floculação com Cloreto Férrico e com Floculan
Seleção da dosagem de coagulante e do pH
Construção de diagramas de coagulação visando remoção de turbidez em função do pH e da dosagem dos coagulantes
Ensaio de Coagulação seguido de floculação e sedimentação com Cloreto Férrico e com Floculan
4.3.1 Ensaios em jar-test iniciais
Para realização dos ensaios em jar-test utilizou-se: um equipamento jar-test marca Nova Ética modelo 218/LDB, com seis jarros; um peagâmetro marca Orion modelo 230A; um turbidímetro de bancada marca Hatch modelo 2100P.
Foram estudados os parâmetros do ensaio em jar-test que melhor atendessem às necessidades da pesquisa. Esses parâmetros estão apresentados na Tabela 4.3.
Tabela 4.3 Parâmetros utilizados nos ensaios iniciais em jar-test
Parâmetro do ensaio Valor
Alcalinizante NaOH (40g/L)
Faixa de variação do pH 6,0 à 9,5 Gradiente de mistura rápida 1000s-1
Tempo de mistura rápida 20s
Gradiente de mistura lenta 200s-1
Tempo de mistura lenta 15min
Velocidade de sedimentação 1 1,4cm.min-1 Velocidade de sedimentação2 0,7cm.min-1
A variação do pH foi obtida pela dosagem de uma solução de 40g.L-1 de Hidróxido de Sódio (NaOH) à ALC. A faixa de variação de pH entre 6,0 e 9,5 representa as condições reais de operação da usina. Valores baixos de pH são evitados de forma a conter a proliferação de microrganismos.
O gradiente de mistura rápida foi ajustado em 1000s-1 por ser um valor bastante elevado, capaz de porporcionar uma mistura rápida entre o coagulante e as impurezas em suspensão. O tempo de mistura rápida foi ajustado em 20s, sendo seu valor otimizado em ensaios posteriores.
O valor escolhido para gradiente de mistura lenta foi 200s-1, suficiente para manter os flocos formados em movimento, sem que houvesse sedimentação dos flocos durante a mistura lenta. O tempo de mistura lenta foi ajustado em 15min, sendo seu valor otimizado em ensaios posteriores.
As velocidades de sedimentação VS1 e VS2 foram escolhidas com base nas dimensões da lagoa de sedimentação existente.
4.3.2 Construção de diagrama de coagulação seguido de floculação para pH e turbidez
O diagrama foi construído com o objetivo de identificar as condições de dosagem de coagulante e pH que levam à maior remoção de turbidez. Para cada dosagem de coagulante empregada, uma quantidade diferente de alcalinizante foi adicionada em cada um dos seis jarros, de forma que seis pontos do diagrama fossem determinados, mostrando o efeito daquela dosagem de coagulante em vários valores de pH. Esse procedimento foi repetido para dosagens de coagulante que variaram de 100mg.L-1 à 300mg.L-1. As regiões do diagrama que apresentaram menor valor de turbidez foram identificadas, e novos ensaios foram realizados para verificar as condições ótimas de dosagem de coagulante e pH dentro dessas regiões.
4.3.3 Ensaio de avaliação da influência da mistura rápida para seleção de parâmetros
Foi realizado um ensaio para otimização da etapa de mistura rápida no qual estudou-se o efeito da variação do tempo de mistura rápida (Tmr) e do gradiente de mistura rápida (Gmr), mantendo-se constante a dosagem de coagulante (Cloreto Férrico e Floculan) e pH, o tempo de mistura lenta (Tml) e gradiente de mistura lenta (Gml).
4.3.4 Ensaio de avaliação da influência da mistura lenta (floculação) para seleção de parâmetros
No ensaio para otimização da etapa de floculação estudou-se o efeito da variação do tempo de mistura lenta (Tml) e do gradiente de mistura lenta (Gml), mantendo-se constante a dosagem de coagulante (Cloreto Férrico e Floculan) e pH, e o tempo de mistura rápida otimizados.
Não ocorreu sedimentação durante a mistura lenta.
4.3.5 Ensaio de massa seca de lodo
O ensaio de massa seca de lodo foi realizado para obter-se o valor da massa de sólidos removida no tratamento, calculada através da diferença entre o valor de sólidos suspensos totais da água bruta, imediatamente após a adição do coagulante e alcalinizante, e o valor de sólidos suspensos totais da água de lavagem de cana após tratamento.
4.3.6 Ensaio de Tratabilidade em jar-test usando coagulação sem floculação
Os ensaios de tratabilidade em jar-test foram realizados suprimindo-se a etapa correspondente à floculação (mistura lenta), com vistas a verificar a necessidade dessa etapa no tratamento proposto. O ensaio foi realizado com os parâmetros otimizados obtidos no ensaio anterior: tempo de mistura rápida; gradiente de mistura rápida; pH e dosagem de coagulante.
4.4 BALANÇO DE MASSA DO SISTEMA DE TRATAMENTO DE ALC
Foi realizado um balanço de massa do sistema de tratamento de ALC para determinação da vazão de coagulante e da taxa de acúmulo de lodo na lagoa de sedimentação.
Para realização do balanço de massa, o sistema de tratamento de ALC foi subdividido em dois sistemas (Sistema I e Sistema II), conforme mostrado na Figura 4.10. Para efeito de cálculo, o volume de reposição de água não foi utilizado no balanço, devido ao fato de que sua realização é feita de forma descontínua, sem influência na dinâmica do processo. O diagrama representativo do balanço de massa está mostrado na Figura 4.10.
Figura 4.10 Diagrama representativo do balanço de massa do tratamento da ALC.
QC
X1C
Sistema I
QAB
X1A
X1S
QE
X4A
X4S QAC
X2A X2S X2C
QL X3S
X3A Sistema II
