EFICIÊNCIA DO LEITO DE DRENAGEM PARA DESAGUAMENTO DE LODO DE ETA QUE UTILIZA SULFATO DE ALUMÍNIO COMO COAGULANTE

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1 EFICIÊNCIA DO LEITO DE DRENAGEM PARA DESAGUAMENTO DE LODO DE ETA QUE UTILIZA SULFATO DE ALUMÍNIO COMO COAGULANTE MARCELO MELO BARROSO (1) Doutorando do programa de Pós-Graduação em Engenharia Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Mestre em Engenharia Hidráulica e Saneamento (EESC/USP). Engenheiro Civil pela Universidade Católica de Minas Gerais / PUC-MG. Professor de Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Rondônia (UNIR) CALI LAGUNA ACHON Doutoranda do programa de Pós-Graduação em Engenharia Hidráulica e Saneamento da Universidade de São Paulo (EESC/USP). Engenheira Civil pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). Bolsa de Doutorado-Direto : FAPESP nov/2004 a fev/ processo nº: 03/ Bolsa de Iniciação Científica: FAPESP - jan/2002 a dez/ processo nº: 01/ Bolsa de Iniciação Científica : CNPQ - out/2000 a set/ processo nº: /00-6. PROF. DR. JOÃO SÉRGIO CORDEIRO Engenheiro Civil, Mestre e Doutor em Engenharia Hidráulica e Saneamento pela Universidade de São Paulo (EESC/USP). Ex-Diretor do Centro de Ciências Exatas e de tecnologia da UFSCar. Professor do Departamento de Engenharia Civil da UFSCar. Professor do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Hidráulica e Saneamento da Universidade de São Paulo (EESC/USP). Presidente da Associação Brasileira de Ensino de Engenharia - ABENGE. Endereço (1) : Avenida Trabalhador São Carlense, nº 400 Bairro: Centro São Carlos-SP CEP: Brasil. Tel: (16) , Fax: (16) mbarroso@sc.usp.br RESUMO As Estações de Tratamento de Água (ETA) podem em diversas etapas gerar resíduos com as mais diferenciadas características. A necessária redução de volume dos resíduos gerados nas ETAs é uma questão complexa. Esta redução pode ser realizada através da remoção da água livre e nos interstícios dos sólidos em sistemas naturais ou mecânicos. Dessa forma, avaliou-se a eficiência do Leito de Drenagem (sistema natural) para o desaguamento de resíduos (lodos) provenientes dos decantadores de Estações de Tratamento de Água convencionais de ciclo completo que utilizam sulfato de alumínio como coagulante. Neste trabalho utilizou-se um protótipo do Leito de Drenagem desenvolvido por Cordeiro (PROSAB ). As amostras de lodo dos decantadores foram coletadas na ETA da cidade de São Carlos SP. As variáveis analisadas foram: tempo de drenagem (desaguamento); tempo de secagem; taxa de drenagem (variação da vazão ao longo do tempo), porcentagem de sólidos totais. Realizaram-se três ensaios com diferentes volumes de lodo e concentração de sólidos totais. Constatou-se que a fase de drenagem teve duração aproximadamente de 240 min ou quatro horas. Os valores da taxa de drenagem ou vazão de drenagem após 60 min tendem a igualar-se indistintamente nos três ensaios, embora haja diferença acentuada no volume drenado acumulado. Após 15 min de operação do leito de drenagem, o volume drenado acumulado situou-se entre 15,6 e 48 % do total para as três situações e a qualidade do drenado, a partir deste momento, teve melhora significativa com valores de turbidez na faixa de 11,3 a 69,0 ut. Na fase de secagem a porcentagem de sólidos totais obtida após 24 horas foi de 17,3% (Ensaio 01); 13,4% (Ensaio 02) e 23,3% (Ensaio 03). Após sete dias de secagem, a porcentagem de sólidos totais obtida foi de 40% (Ensaio 01); 30,4% (Ensaio 02) e 96,48% (Ensaio 03). Obtiveram-se, aos sete dias, reduções da ordem de 50%, 70% e 90% para os diferentes volumes de lodo aplicados e concentração de sólidos inicial. Dessa forma, os Leitos de Drenagem mostraram-se eficientes para o desaguamento e redução de volume de lodo de ETAs, que utilizam como coagulantes o Sulfato de Alumínio. PALAVRAS-CHAVE: lodo, ETA, sulfato de alumínio, desaguamento, leito de drenagem.

2 1- INTRODUÇÃO As Estações de Tratamento de Água (ETA) podem em diversas etapas gerar resíduos com as mais diferenciadas características. Os resíduos gerados nas ETAs são água de lavagem de filtro e lodo dos decantadores. Na maioria das ETAs estes resíduos são lançados nos corpos d água, sem nenhum cuidado em relação ao seu tratamento. A água livre presente no lodo pode representar quantidade apreciável, dependendo da forma de limpeza dos decantadores. A estrutura dos sólidos presentes nos lodos de ETAs é muito complexa, composta por partículas muito pequenas fornecendo um arranjo que pode dificultar a remoção da água livre, em função dos vazios presentes. Esse fato é provocado pela rápida sedimentação das mesmas, que passam a ocupar os vazios da massa sólida, tornando mais difícil à passagem da água livre. Assim, alternativas de redução do volume de lodo gerado nas ETAs é uma questão complexa que merece destaque. Esta redução pode ser realizada através da remoção da água livre e nos interstícios dos sólidos em sistemas naturais ou mecânicos. A remoção natural de água livre de lodos de ETAs pode ser realizada através dos Sistemas Naturais de redução de volume, que são as Lagoas de lodo e os Leitos de secagem. A tecnologia de leitos de secagem tem sido utilizada para remoção de água de resíduos de diversos tipos de tratamento de águas residuárias, e em alguns casos, de abastecimento desde o início do século XX (1900) e a partir de então, vem sendo aplicada praticamente sem mudanças consideráveis em sua estrutura física. Dentre as evoluções ocorridas nesse sistema, podemos citar o Leito de Drenagem ou Leito de Secagem Modificado. CORDEIRO (1993) e (2000), estudou a possibilidade de modificação da estrutura tradicional de leito de secagem e observou que a colocação de manta de geotêxtil sobre a camada filtrante do leito, possibilitava a remoção mais efetiva da água livre dos lodos. Os resultados obtidos evidenciaram que a areia e a espessura da camada filtrante não eram decisivas na remoção de água livre. Os estudos evoluíram, e no PROSAB 2 Tema 4 (2001) foi desenvolvida a proposta de um leito modificado 2, no qual a areia foi removida e o leito passou a ser constituído de uma camada de brita 01 com 5 cm de espessura e sobre esta uma manta geotêxtil. O tempo de drenagem da água livre diminuiu bruscamente com o novo arranjo (modificado 2), recebendo a denominação de Leito de Drenagem. 2- OBJETIVO Avaliar a eficiência do Leito de Drenagem durante o desaguamento de lodos provenientes de Estações de Tratamento de Água convencionais de ciclo completo que utilizam sulfato de alumínio como coagulante. Analisar as fases de drenagem e secagem do lodo nestes leitos, assim como as características do líquido drenado. 3- METODOLOGIA As amostras de lodo de decantadores foram coletadas na ETA da cidade de São Carlos SP. Para cada ensaio foram realizadas coletas de amostras, em volumes de 60L. A tecnologia de tratamento da ETA São Carlos é convencional de ciclo completo, vazão média de 500L/s, utiliza como coagulante Sulfato de Alumínio e o lodo é descartado no Córrego Monjolinho sem nenhum tipo de tratamento. O trabalho foi dividido nas seguintes etapas: coleta e caracterização das amostras de lodo; aplicação dos lodos de decantadores nos protótipos dos leitos de drenagem, monitoramento de variáveis de controle e operacionais; coleta e caracterização do drenado; coleta e caracterização do material retido no leito; análise dos resultados.

3 Na Figura 01 é apresentada uma foto do protótipo do Leito de Drenagem desenvolvido por Cordeiro (PROSAB ), e que foi utilizado durante este trabalho. A manta geotextil usada para a realização dos ensaios tem densidade superficial de 600 g/m 2. Figura 1 : Protótipo de Leito de Drenagem desenvolvido por CORDEIRO (2001). A avaliação do desempenho deste sistema para os lodos das ETAs de Sulfato de Alumínio, fez-se mediante monitoramento das seguintes variáveis: tempo de drenagem (desaguamento); tempo de secagem; variação da altura da massa de lodo aplicada no leito; taxa de drenagem (variação da vazão ao longo do tempo), porcentagem de sólidos totais. As variáveis utilizadas para caracterização dos resíduos e drenados foram: ph, turbidez, cor, teor de sólidos totais e sólidos sedimentáveis. Os métodos usados para caracterização usual dos resíduos e drenados seguiram os métodos preconizados pela APHA/AWWA/WEF (1998). 4- RESULTADOS OBTIDOS Realizaram-se três coletas de amostras de lodo dos decantadores da ETA-São Carlos, conforme apresentado na Tabela 01. Nestas amostragens foram considerados diferentes porcentagem de sólidos totais (%ST) e aplicação de lodo, com volumes distintos, no leito de drenagem. Tabela 01: Amostras de lodo coletadas e aplicadas em leito de drenagem. Amostras Data Volume (L) Sólidos Totais (%) Ensaio 1 20/04/ ,60 Ensaio 2 16/01/ ,60 Ensaio 3 16/01/ ,76 Os resultados dos ensaios 1, 2 e 3 referentes à variação da taxa de drenagem (vazão de água drenada em L/s) são apresentados na Figura 2. O volume acumulado em porcentagem ao longo do tempo para os ensaios 1, 2 e 3 são apresentados na Figura 3. Vale salientar que estes resultados correspondem à fase de drenagem com duração aproximada de 240 min ou 4 horas, para estes ensaios. Os valores da taxa de drenagem ou vazão de drenagem após 60 min tendem a igualar-se indistintamente nas três situações. Muito embora, haja diferença acentuada no volume drenado acumulado. Para os Ensaios 1 (ST = 2,6 %) e Ensaio 2 (ST = 7,6 %) o volume drenado acumulado está em torno de 25% a 37% do volume total, enquanto que no Ensaio 3 (ST = 0,76 %) o volume drenado acumulado é de aproximadamente 67%.

4 Variação da Vazao de Drenagem (L/s) Taxa de drenagem (L/s) 2,500E-02 2,000E-02 1,500E-02 1,000E-02 5,000E-03 Ensaio 1 - ST (%) = 2,6 Ensaio 2 - ST (%) = 7,6 0,000E (min) Figura 2: Variação da taxa de drenagem da água livre (em L/s). Variação do volume drenado acumulado em (%) 100,0 90,0 Ensaio 1 - ST (%) = 2,6 Ensaio 2 - ST (%) = 7,6 80,0 Volume drenado acumulado (%) 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0, Figura 3: Variação do volume drenado acumulado em função do tempo. (min) Os resultados da caracterização físico-química da água drenada para os três ensaios estão apresentados na Tabela 2, e ilustrados na Figura 4, os quais demonstram o potencial para reutilização desta água.

5 Tabela 02: Características físico-químicas da água drenada no Leito de drenagem. Ensaio 1 - ST (%) = 2,6 Ensaio 2 - ST (%) = 7,6 Volume Volume Tempo (min) drenado (%) [acumulado] Turbidez (ut) Cor drenado (%) [acumulado] Turbidez (ut) Cor 1 7,2 135,0 984,0 7,5 136,0 > faixa ,6 70,4 > faixa 15 20,8 69,0 608,0 15,6 21,9 332, ,0 4,8 57,0 25,0 1,2 55,0 Contin. Tabela 02: Características físico-químicas da água drenada no Leito de drenagem. Volume Tempo (min) drenado (%) [acumulado] Turbidez (ut) Cor 1 24,5 60,0 387,0 5 34,0 16,7 209, ,0 11,3 159, ,9 3,4 35,0 Variaçao da turbidez 160,00 140,00 120,00 100,00 Turbidez (ut) 80,00 60,00 Ensaio 1 - ST (%) = 2,6 Ensaio 2 - ST (%) = 7,6 40,00 20,00 0, Tempo (min) Figura 4: Valores de turbidez da água livre drenada no Leito de drenagem. A partir da Tabela 2 pode-se verificar que após 15 min de operação do leito de drenagem, o volume drenado acumulado situa-se entre 15,6% e 48% do total para as três situações e que a qualidade do drenado, a partir desse momento, tem uma melhora significativa com valores de turbidez na faixa de 11,3uT a 69,0uT, exceto no caso da amostra de lodo muito diluído (ensaio 3) em que o drenado atinge um valor de turbidez de 16,7uT já nos primeiros cinco minutos de operação, embora o volume drenado já ultrapasse os 30% do volume total. Em vista disso, pode-se inferir que após o volume drenado acumulado atingir 30% do volume total, a qualidade do drenado apresenta melhora, independente da concentração inicial e do tempo de operação do leito de drenagem.

6 Após o término da drenagem, iniciou-se a secagem do lodo, o qual foi monitorado diariamente. Nesta etapa de secagem foram medidas as alturas de lodo no Leito de Drenagem e coletadas amostras deste lodo para determinação do teor de sólidos, apresentado na Figura 5. Variaçao de %ST no lodo retido no Leito de Drenagem 100,0 90,0 Ensaio 1 - ST (%) = 2,6 Ensaio 2 - ST (%) = 7,6 80,0 70,0 60,0 ST (%) 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0 Fim_Dren Tempo (dia) Figura 5: Variação de teor de sólidos, ST (%) na fase de secagem do lodo retido no leito de drenagem. Após aproximadamente 4 horas de operação do Leito de Drenagem, inicia-se a fase de secagem do lodo, (representado na Figura 5 por Fim_Dren, ou seja, fim da drenagem de água livre) é importante destacar que o teor de sólidos foi de aproximadamente 10% para os três ensaios. A porcentagem de sólidos totais obtida após 24 horas foi de 17,3% (Ensaio 01); 13,4% (Ensaio 02) e 23,3% (Ensaio 03). Após sete dias de secagem, a porcentagem de sólidos totais obtida foi de 40% (Ensaio 01); 30,4% (Ensaio 02) e 96,48% (Ensaio 03), conforme pode ser visualizado na Figura 5. Vale salientar que, após quatro dias, a concentração de sólidos para os ensaios 2 e 3 é maior que 30%, recomendável para disposição final, enquanto que para o ensaio 1 atingiu-se apenas 25,0 %. A Figura 6 ilustra o aspecto do lodo de Sulfato de Alumínio, após uma hora e sete dias de aplicação para o Ensaio 2. Nota-se considerável redução de volume.

7 1 hora 7dias Figura 6: Fotos dos Leitos de Drenagem após 1 hora e 7 dias de aplicação do lodo, para o Ensaio 02. Em termos de volume, ressalta-se que após uma hora, a redução de volume de lodo foi de 25%; 28,5% e 66,9% para os Ensaio 01, 02 e 03 respectivamente. Após um dia chegou-se a reduções de volume da ordem de 49,1%; 71,3% e 87,9%. 5- CONCLUSÕES Os Leitos de Drenagem mostraram-se eficientes para o desaguamento e redução de volume de lodo de ETAs, que utilizam como coagulantes o Sulfato de Alumínio. O desaguamento de lodo em Leito de Drenagem ocorre de forma natural, sem consumo de energia ou adição de produtos químicos. Obteve-se, aos sete dias, reduções da ordem de 50%, 70% e 90% para os diferentes volumes de lodo aplicados e concentração de sólidos inicial. A porcentagem de sólidos totais ao final de sete dias foi de aproximadamente 30% e 40% para os lodos com altas concentrações de sólidos inicial e 96% para o lodo com baixa concentração de sólido (ST=0,76%). Vale observar, que o valor de concentração de sólidos na faixa de 25% a 30%, que é o parâmetro de projeto para grande parte dos sistemas de desaguamento de lodo, é obtido logo após quatro dias de operação do Leito de drenagem. A água de drenagem proveniente dos lodos estudados, após quinze minutos de drenagem, apresentou baixos valores de cor e turbidez e conseqüente potencial de reutilização. Percebeu-se que após o volume drenado acumulado atingir 30%, a qualidade do drenado apresenta melhora, independente da concentração inicial e do tempo de operação do leito de drenagem, porém deve ser ressaltado à necessidade de se estudar outros parâmetros que poderiam influenciar nos possíveis usos desta água. As tecnologias, operações e processos das ETA podem influenciar nas características do lodo gerado. Assim, recomenda-se que mais pesquisas sejam feitos, para avaliar as micro e macro propriedades destes lodos e sua influência no desaguamento natural em Leitos de Drenagem. 5- BIBLIOGRAFIA 1. BISHOP, M. M.; BAILE, T.L.; CORNWELL, D. A.(1987). Testing of Alum Recovery for Solids Reduction and reuse Jornal AWWA, Research and Technology 2. CORDEIRO, J.S. (1993). O problema dos lodos gerados em decantadores de estações de tratamento de águas. São Carlos. 342p. Tese (Doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 3. FONTANA, A.O. (2004). Sistema de Leito de Drenagem e Sedimentador Como Solução Para Redução de Volume de Lodo de Decantadores e Reuso de Água de Lavagem de Filtros -

8 Estudo de Caso ETA Cardoso. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal de São Carlos/UFSCAR. São Carlos. 4. PROSAB 2. Noções gerais de Tratamento e disposição final de lodos de Estações de Tratamento de Água. Rio de janeiro RJ, 2001.

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