PRODUÇÃO DE SÓLIDOS EM ETAs ESTUDO DE CASO - ETA SÃO CARLOS (SÃO PAULO/BRASIL)

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1 PRODUÇÃO DE SÓLIDOS EM ETAs ESTUDO DE CASO - ETA SÃO CARLOS (SÃO PAULO/BRASIL) Marcelo Melo Barroso * Engenheiro Civil pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais/ PUC-MG. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). SHS-EESC/USP Dr. João Sérgio Cordeiro Eng. Civil/Doutor em Hidráulica e Saneamento. Prof. convidado do Programa de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP. Prof. do Departamento de Engenharia Civil da UFSCar. Endereço*: Av. dos Trabalhadores São-Carlenses, 4 - Centro - São Carlos - SP - CEP: Brasil - Tel:(16) mbarroso@sc.usp.br. RESUMO O crescente aumento da demanda de água potável e por conseqüência dos resíduos gerados durante a sua produção, tem levado a indústria da água no Brasil, a deparar-se com dispendiosos ônus técnicos, financeiros e administrativos no gerenciamento destes resíduos. A quantificação de resíduos constitui-se num importante subsídio para seu gerenciamento e tratamento. Metodologias para estimativa de produção são conhecidas, destacando-se o balanço de massa. Neste trabalho apresenta-se a produção diária de sólidos em ETA convencional de ciclo completo (ETA-São Carlos/SAAE), obtidos a partir do desenvolvimento de balanço de massa global e em cada unidade de tratamento, decantadores e filtros. Verificou-se uma produção diária de 968 kg/dia de sólidos na ETA São Carlos, sendo 765 kg/dia nos decantadores e 211 kg/dia nos filtros. Através de análise de regressão múltipla entre as variáveis SST (sólidos suspensos totais), adição de produto químico e produção diária de sólidos, obteve-se a expressão de produção de sólidos para ETA São Carlos: Psól = 44. SS +,26. DSA + 63, 765. Os resultados demonstraram ainda que, a adição de produtos químicos contribui de sobremaneira para a produção de sólidos, sendo em média responsável por 37 % dos sólidos gerados. Palavras-Chave: Estação de tratamento, Água, Resíduos, Sólidos, Balanço de massa. 1

2 INTRODUÇÃO No Brasil, a indústria da água é representada por aproximadamente 75 estações de tratamento de água de abastecimento completas (PARSEKIAN, 1998). O sistema tradicional ou completo de tratamento realiza a remoção de partículas finas em suspensão e em solução presentes na água. Aplicam-se produtos químicos que possam desestabilizar as partículas coloidais, formando flocos (hidróxidos metálicos) com tamanho suficiente para sua posterior remoção nos decantadores convencionais ou de alta taxa. Parcela dos flocos que não sedimentam passam aos filtros para clarificação final. Assim, a estação de tratamento de água produz água para abastecimento e gera resíduos na forma de lodos acumulados nos decantadores e água de lavagem dos filtros, via de regra lançados diretamente aos cursos de água. Contudo, somente nos últimos anos os problemas relativos à geração desses resíduos têm recebido a devida atenção. A quantificação de resíduos constitui-se num importante subsídio para seu gerenciamento e efetivo tratamento. Em geral, o volume de resíduos produzidos corresponde de 1% a 5% do volume de água tratada. Em ETAs convencionais de ciclo completo são gerados dois tipos de resíduos, a saber: resíduos gerados nos decantadores e resíduos líquidos gerados na lavagem dos filtros. Cada linha geradora de resíduos apresenta características distintas em termos de vazão e concentração de sólidos, devendo ser quantificados criteriosamente, (FERREIRA FILHO & ALÉM SOBRINHO, 1998). Na FIGURA 1 são indicados alguns valores referentes aos volumes de resíduos de decantadores e águas de lavagem de filtros. Tais valores também costumam variar muito de caso para caso, devendo ser entendidos apenas como exemplos comumente encontrados na prática. Estágio 1: Coagulação Estágio 2: Decantação Estágio 3: Filtração Volume de água bruta a ser tratada na ETA diariamente Volume de água coagulada na ETA diariamente *V1 (perdas) Volume de água decantada na ETA diariamente RD *V2 (perdas) Volume de água filtrada na ETA diariamente ALAF *V3 perdas Em que: *V1, V2 e V3 perdas por vazamentos RD Resíduo do decantador ALF Água de lavagem dos filtros Resíduo descartado (usualmente de,1% a 1,5% do volume inicial) Água utilizada na lavagem dos filtros (2% a 5% do volume inicial) Figura 1 Diagrama conceitual mostrando os volumes de água e de resíduos líquidos produzidos em uma ETA de ciclo completo que utiliza sais de alumínio ou ferro como coagulante. Fonte Reali (1999) adaptado PRODUÇÃO DE SÓLIDOS E METAIS EM ETAS A produção de resíduos em uma ETA se dá em função; das características da água bruta afluente, dos produtos químicos utilizados, eficiência do sistema de tratamento e método de remoção dos resíduos (CORDEIRO, 1993). Menor volume e melhores características de adensamento dos resíduos são obtidos a partir da coagulação realizada nos mecanismos de adsorção-neutralização, (CORNWELL et al., 1987); (FERREIRA FILHO & ALÉM SOBRINHO, 1998). Em contrapartida, GONÇALVES et al. (1999) baseado em estudos experimentais, afirmam que o potencial de recuperação dos resíduos gerados nos mecanismos de adsorção-neutralização é pequeno em relação àqueles resíduos gerados pelo mecanismo de varredura. 2

3 Em geral, pode-se quantificar a produção dos resíduos, e em particular de sólidos, através de três métodos: formulações empíricas; análise de balanço de massa; e determinação em campo. Dentre as diversas formulas empíricas empregadas para estimar a produção de resíduos em ETAs, a equação 1 proposta por CORNWELL et al. (1987) vêm sendo a mais utilizada, (ASCE & AWWA, 1996); (FERREIRA FILHO & ALÉM SOBRINHO, 1998). S = Q.(4,89xAl + SS + A) Equação (1) Em que: S = produção de sólidos seco em kg/dia; Q = vazão de água bruta em m 3 /dia; Al = dosagem de sulfato de alumínio, expresso como Al em mg/l; SS = concentração de sólidos suspensos na água bruta em mg/l; A = Produtos químicos adicionados, tais como polímeros, carvão ativado em mg/l. O balanço de massa é considerado a técnica mais valiosa na quantificação dos resíduos gerados em ETAs (ASCE & AWWA, 1996). Nesta metodologia, devem-se fazer algumas considerações, dentre as quais podem ser citadas, as taxas de captura de sólidos na sedimentação, informação precisa (fórmulas químicas) dos agentes coagulantes (produto químico comercial), entre outras, (SARON & LEITE, 21). Para ETAs já existentes a determinação da produção de sólidos pode ser estimada em campo através do monitoramento dos processos e operações unitárias em que sejam contempladas, as variações da água bruta e das características do tratamento (tipo e dosagem de coagulante, ph de coagulação, etc.), (FERREIRA FILHO & ALÉM SOBRINHO, 1998). A partir da FIGURA 2 pode-se realizar um balanço da quantidade de sólidos produzidos nos decantadores e nos filtros, o mesmo pode ser realizado para outros poluentes específicos. Q S Coagulante Cal Q C Dc D S Q P D P Polímero Q D, C D Q AT, C AT Q C 1 Água Bruta Mistura rápida Decantador Q R,C R Filtros Q F, C F Resíduo Água de lavagem Figura 2 Fluxograma de ETA convencional de ciclo completo Balanço de massa no decantador: Q.C 1 + Q C.D C + Q S.D S + Q P.D P = Q R.C R + Q F.C F + Q AT.C AT Equação (2) Sendo, W = produção diária de resíduo em kg (sólidos, poluentes específicos), tem-se: W (Kg/dia) = Q R (L/s) C R (mg/l) x,864 Equação (3) Em que: Q : vazão de água bruta (L/s); C 1 : concentração de sólidos na água bruta (mg/l); Q S : vazão do coagulante primário (L/s); D S : dosagem do coagulante primário (mg/l); Q C : vazão de cal (L/s); D C : dosagem de cal (mg/l); Q P : vazão de polímero (L/s); D P : dosagem de polímero (mg/l); Q R : vazão de resíduo (L/s); C R : concentração de resíduo (mg/l); 3

4 Q D : vazão efluente do decantador (L/s); C D : concentração de sólidos no efluente do decantador (mg/l); Q AT : vazão de água tratada (L/s); C AT : concentração de sólidos na água tratada (mg/l); Q F : vazão de água de lavagem dos filtros (L/s); C F : concentração de sólidos na água de lavagem dos filtros (mg/l); CORNWELL et al. (1987) apresenta o equacionamento para realização de balanço de massa global em ETAs convencionais. As equações utilizadas desconsideram os efeitos da dispersão e sedimentação, no entanto essas equações têm sido muito aplicadas. OBJETIVOS O presente trabalho visa avaliar a produção de sólidos em ETA convencional de ciclo completo através da realização de balanço de massa. Dessa forma, os objetivos específicos são: Estimar a produção de sólidos nos decantadores e filtros da ETA-São Carlos, através de balanço de massa. Obter expressão (equação) de produção de sólidos em função da concentração de sólidos suspensos na água bruta e adição de coagulante. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS O desenvolvimento do estudo Produção de sólidos em ETAs foi centrado em estudo de caso, ETA-São Carlos/SAAE. Considerou-se produção de água tratada e conseqüente geração de resíduos em estação de tratamento de água convencional de ciclo completo (coagulação, floculação, decantação convencional, filtração). O trabalho desenvolvido consistiu de: Caracterização da ETA-São Carlos-SAAE quanto; as variáveis físicas e operacionais, insumos utilizados e método de limpeza do sistema de tratamento. Determinação de metais e sólidos (sólidos totais, suspensos e dissolvidos) em mg/l, nas amostras de água bruta, coagulada, decantada, filtrada, tratada. Determinação de metais e sólidos nas amostras de resíduos gerados durante lavagem dos filtros e decantadores. Análise de regressão múltipla para obtenção de expressão que relacione produção de sólidos (kg/dia) com concentração de sólidos suspensos na água bruta e adição diária de produtos químicos (kg/dia). Desenvolvimento de balanço de massa global e em cada unidade de tratamento (decantadores e filtros). As coletas de amostras ocorreram de Julho de 2 a Junho de 21, resultando no total de 9 coletas, conforme observa-se na TABELA 1. Houve interrupção na coleta de amostras, entre os meses de janeiro a março de 21, devido à montagem e realização de testes das colunas de troca iônica pré-concentradora de metais, (determinação dos metais em µg/l). A determinação da série de sólidos (sólidos totais, suspensos, dissolvidos) foi realizada segundo procedimentos estabelecidos pela APHA (1995). Tabela 1 Identificação das campanhas de coleta de amostras de água na ETA/São Carlos. Data Coletas Lavagem de decantador (± 1 Condições de tempo semana) 4/7/ Coleta 1 Não Sem chuva 18/7/ Coleta 2 Não Sem chuva 21/8/ Coleta 3 Sim Sem chuva 6/9/ Coleta 4 Não Chuva 5/1/ Coleta 5 Não Chuva 18/4/1 Coleta 6 Não Chuva 2/5/1 Coleta 7 Sim Sem chuva 9/5/1 Coleta 8 Não Sem chuva 2/5/1 Coleta 9 Não Sem chuva 4

5 A produção diária de sólidos na ETA foi obtida, a partir do desenvolvimento de balanço de massa, considerando os valores de sólidos suspensos afluentes e efluentes de cada unidade, assim como de toda a ETA. A contribuição devido à adição de produtos químicos foi calculada, utilizando valores teóricos apresentados por REALI (1999). RESULTADOS E DISCUSSÃO A ETA - São Carlos opera aproximadamente com vazão de 52 L/s. A unidade de tratamento consta de dois conjuntos paralelos de floculação, três decantadores convencionais e catorze filtros de taxa constante. A lavagem (manual) dos decantadores é realizada mensalmente no período de chuva e aproximadamente a cada três meses no período de estiagem. A lavagem dos filtros ocorre aproximadamente a cada 24 horas. Os produtos químicos comumente aplicados na ETA São Carlos são: sulfato de alumínio, hidróxido de cálcio (cal), ortopolifosfato e cloro/flúor. A água bruta apresenta usualmente as seguintes características (TABELA 2): Tabela 2 Características usuais da água bruta afluente a ETA-São Carlos/SAAE. ph Turbidez (ut) Cor aparente (uc) Mínimo médio máximo mínimo médio máximo mínimo médio máximo 6,1 6,3 6,5 8 22, Obs: Valores relativos ao ano de 2. A partir de análises dos dados históricos, mostrados na FIGURA 3, observa-se que existe tendência semelhante de comportamento dos valores médios mensais de turbidez e cor aparente da água bruta e, consumo coagulante em mg/l por volume de água tratada, para os anos de 1998, 1999 e 2. Nota-se nos meses de dezembro, janeiro, fevereiro e março (estação chuvosa), claro aumento nos valores médios mensais das variáveis turbidez, cor aparente e, conseqüente, consumo de coagulante. C or e T urbidez - Água B ruta (a) Cor (uc) Cor2 Cor1999 Cor1998 Turb2 Turb1999 Turb Turbidez (ut) Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setem br Outubro Novem br Dezem br Mês (b) Consumo de coagulante Sulfato de alum ínio (m g/l) (mg/l) Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembr Outubro Novembr Dezembr Mês 5

6 Figura 3 Variação anual dos valores médios mensais das variáveis turbidez, cor aparente (a) e de consumo de coagulante por vazão de água tratada (b). Verificou-se na primeira etapa das coletas de amostras (julho a novembro/2) grande variação das características da água bruta com valores de turbidez, máximo de 57uT e mínimo de 6 ut; cor aparente, máximo 378 uc e mínimo de 65 uc; e sólidos totais, máximo de 11 mg/l e mínimo de 32 mg/l. Contudo na segunda etapa (abril a junho/21) não houve grande variação, com valores de turbidez máximo de 2 ut e mínimo de 12 ut; cor aparente máxima 13 uc e mínima 95 uc; e sólidos totais, máximo de 11 mg/l e mínimo de 22 mg/l. Os valores médios de concentração de sólidos totais, sólidos suspensos e sólidos dissolvidos são mostrados na FIGURA 4. Pode-se observar que há tendência de acréscimo de sólidos totais na saída do tratamento, sob influência marcante dos sólidos dissolvidos. (mg/l) ,97 47,4 52,33 água bruta 18,65 água coagulada 4,98,9 68,47 água decantada,74 87,38 água filtrada 63,86 água tratada Figura 4 Valores médios de sólidos (totais, suspensos e dissolvidos) ao longo da ETA-São Carlos. Observou-se remoção efetiva de turbidez (na faixa de 9%), o mesmo não ocorre para os sólidos. Os sólidos totais não apresentaram remoção efetiva, com ocorrência muitas vezes de acréscimo em seus valores, ao final do tratamento. A remoção de sólidos suspensos foi elevada (entre 85,58 % a 1 %). A remoção de sólidos dissolvidos apresenta-se de forma tênue, com acréscimos acentuados em seus valores (Coletas 4, 5, 6, 7 e 9). SST SDT Produção global de sólidos A estimativa da produção de sólidos foi feita pela aplicação da equação 4, considerando que 1 g de sólidos suspensos produz 1 g de sólidos, 1 g de sulfato de alumínio produz,26 g de sólidos e 1 g de cal produz,1 g de sólidos. W (kg/dia) = (SS AB x Q AB ) + (,26xDSA +,1xDSC) (SS AT x Q AT ) Equação (4) Em que: SS AB - concentração de sólidos suspensos em mg/l na água bruta; SS AT - concentração de sólidos suspensos em mg/l na água tratada; Q AB - vazão de água bruta em L/s; Q AT - vazão de água tratada em L/s; M PQ produção de sólidos devido produtos químicos em kg/dia; DSA Adição diária de coagulante (sulfato de alumínio) em kg/dia; DSC Adição diária de cal em kg/dia. Os resultados apresentados na TABELA 3 demonstram que a carga de sólidos produzida diariamente na ETA corresponde a aproximadamente 968 kg ou,96 toneladas. Vale ressaltar que a contribuição proveniente da adição de produtos químicos corresponde a aproximadamente 37 % do total de sólidos produzidos na ETA. 6

7 Tabela 3 Carga de sólidos produzida diariamente na ETA-São Carlos. (I) (III) Água bruta (II) Água tratada [SSxQab] MPQ [coef.x [SSxQat] {kg/dia) adição] (kg/dia) (kg/dia) (IV) = (I)+(II)-(III) Produção total de sólidos (kg/dia) Vazão Coletas (L/s) Média Massa grama de sólidos/m 3 água tratada Realizaram-se testes de regressão entre turbidez e sólidos suspensos na água bruta, a fim de verificar a existência de correlação linear, conforme reporta CORNWELL (1987). A regressão polinomial obteve o melhor coeficiente de correlação (r 2 =,911), sendo a relação expressa pela equação 5. Uma vez, que se considera a existência de correlação linear, foi obtido a relação expressa pela equação 6, com coeficiente de correlação igual a,796. Devese ressaltar que para relação linear, CORNWELL (1987) apresenta a variação de b entre,7 e 2,2. Para o caso específico desse trabalho foi encontrado,671 para o valor de b. 2 SS =,142. T,351. T + 12,278 Equação (5) SS =,671.T Equação (6) A partir de modelos matemáticos estatísticos empíricos (regressão múltipla) obteve-se o equacionamento (equação 7) da produção de sólidos na ETA/São Carlos. Psól = 44. SS +,26. DSA + 63,765 Equação (7) Em que: SS = Sólidos suspensos em (mg/l); T = Turbidez em (ut); Psól = Produção de sólidos em kg/dia; DSA = Adição de sulfato de alumínio [Al 2 SO 4.14H 2 O] em kg/dia. A FIGURA 5 permite comparar os valores de produção de sólidos obtidos pela equação 7 e a equação 8, muito utilizada, proposta por CORNWELL (1987). 3 ( 4,89. DAl + SS + ).1 P L = Q A Equação (8) em que: SS = Sólidos suspensos em (mg/l); P L = Produção de sólidos em kg/dia; DAl = Dosagem de sulfato de alumínio expresso como Al em mg/l; A = Outros aditivos em mg/l; Q = vazão em m 3 /dia. 7

8 Produção de sólidos CORNWELL (1987) ETA-SÃO CARLOS (kg/dia) Coletas Figura 5 Comparação entre valores obtidos para produção de sólidos na ETA-São Carlos, a partir de equação proposta por CORNWELL (1987) e expressão resultante do balanço de massa da ETA-São Carlos. Pode-se observar que o equacionamento proposto por CORNWELL (1987) embora superestime a produção de sólidos, apresenta valores de produção de sólidos muito próximos dos valores obtidos, a partir do balanço de massa. Importante ressaltar que na constituição dos sólidos produzidos na forma de resíduos de ETAs (em particular a ETA/São Carlos), grande parte se deve aos metais. Os quais são introduzidos na maioria das vezes, através da aplicação de produtos químicos. Dessa forma, pode se esperar que além do caráter quantitativo da produção de sólidos influir decisivamente no gerenciamento dos resíduos de ETAs, há de se considerar os aspectos qualitativos, correlacionados principalmente com a presença e produção de metais. Haja vista, as implicações ambientais e legais envolto a este problema. CONSIDERAÇÕES FINAIS De maneira geral, verificou-se a liberação de material dissolvido, ao longo das unidades de tratamento da ETA/São Carlos-SAAE. As indicações obtidas levam a crer que parcela dos sólidos dissolvidos liberados, estão sob a forma de metais dissolvidos ressolubilizados e/ou não removidos. Entretanto, tais afirmações são passíveis de estudos complementares. Ressalta-se, que na ETA/São Carlos existe boa clarificação (remoção de turbidez), sem significar necessariamente em remoção de sólidos. Ao contrário, há acréscimo nos valores de sólidos totais e mais intensamente sólidos dissolvidos. Estes acréscimos podem ser explicados pela adição de sólidos, na forma de produtos químicos, e liberação ou ressolubilização de compostos dissolvidos, nos decantadores e filtros, associado às características operacionais dos decantadores, e função do volume e tempo (idade) dos resíduos retidos. Verificou-se uma produção diária de 968 kg/dia de sólidos na ETA, sendo 765 kg/dia nos decantadores e 211 kg/dia nos filtros. Através de análise de regressão múltipla entre as variáveis SST (sólidos suspensos totais), adição de produto químico e produção diária de sólidos, obteve-se a expressão de produção de sólidos na ETA São Carlos: Psól = 44. SS +,26. DSA + 63,765. A adição de produtos químicos contribui de sobremaneira para a produção de sólidos, sendo em média responsável por 37 % dos sólidos gerados. Tais resultados, podem ser determinantes para o dimensionamento e gerenciamento de sistemas de tratamento de resíduos de ETAs, sejam água de lavagem dos filtros ou lodos dos decantadores. 8

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION (1995). Standard Methods for The Examination of Water and Wastewater. 19.ed. Washington DC, USA. AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS; AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION (1996). Technology Transfer Handbook: Management of Water Treatment Plant Residuals. New York. 294p. CORDEIRO, J.S. (1993). O Problema dos Lodos Gerados nos Decantadores em Estações de Tratamento de Água. São Carlos. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. CORNWELL D. A.; BISHOP M. M.; GOULD G.R.; VANDERMEYDEN C. (1987). Handbook of Practice Water Treatment Plant Waste Management. American Water Works Association. Denver USA. FERREIRA FILHO, S.S.; ALÉM SOBRINHO. P. (1998). Considerações sobre o tratamento de despejos líquidos gerados em estações de tratamento de água. Engenharia Sanitária e Ambiental. V. 3, n. 3. Jul/Set. GONÇALVES, R.F.; BRANDÃO, J.T.; BARRETO, E.M.S. (1999). Viabilidade econômica da regeneração do sulfato de alumínio de lodos de estações de tratamento de águas. In: XX Congresso Brasileiro de Eng. Sanitária e Ambiental. Anais. Tomo II-45. PARSEKIAN, M. P. S. (1998). Análise e proposta de formas de gerenciamento de estações de tratamento de águas de abastecimento completo em cidades de porte médio do estado de São Paulo. São Carlos. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. REALI, M.A.P. (1999). Principais características quantitativas e qualitativas do lodo de ETAs. In: REALI, M.A.P (Coord.). Noções gerais de tratamento e disposição final de lodos de estações de tratamento de água. Projeto PROSAB, Rio de Janeiro: ABES, 25p. SARON, A.; LEITE, V.M.B. (21). Quantificação de lodo em estação de tratamento de água. In: XXI Congresso Brasileiro de Eng. Sanitária e Ambiental. Anais. Tomo I 75. 9