AVALIAÇÃO DA REMOÇÃO DE METAIS PESADOS EM ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS POR PROCESSO DE LODOS ATIVADOS
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1 AVALIAÇÃO DA REMOÇÃO DE METAIS PESADOS EM ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS POR PROCESSO DE LODOS ATIVADOS Simone Damasceno (1) Engenheira Agrônoma, Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos - USP, aluna de doutorado do curso de pós graduação em Energia na Agricultura da Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP-Botucatu-SP. José Roberto Campos Prof. Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo (USP). Endereço (1) : Botucatu - SP - CP CEP: Brasil - Tel: Fax: (014) RESUMO A presença de metais pesados nas águas residuárias, de maneira geral é inevitável, principalmente, nos grandes centros urbanos. A remoção desses metais em estações de tratamento de esgotos se mostra de fundamental importância, já que contribui para a mitigação da poluição das águas superficiais com metais pesados. Dentro dessa problemática estudou-se a remoção de metais pesados em uma grande estação de tratamento de esgotos sanitários por processo de lodos ativados (Q=5m 3 /s,?h= 11h,?h decantador primário = 2,23h e?c=5,3dias), que recebe parte do esgoto gerado na cidade de São Paulo, Brasil, com o objetivo de se determinar a eficiência de remoção no tratamento primário, secundário e no tratamento total (primário e secundário), bem como os fatores que poderiam estar afetando na remoção. Também foi avaliada a qualidade do efluente final da estação que é lançado no Rio Tietê. O presente estudo, além de ter importância por avaliar a remoção de metais na estação, se mostra importante também, pelo fato dos dados obtidos referirem-se a um sistema de tratamento de esgotos operado sob condições econômicas e climáticas bem diferentes das disponíveis atualmente na literatura. Na estação em estudo foram coletadas amostras compostas do esgoto bruto, do efluente do decantador primário e do efluente final da estação e analisadas quanto aos metais pesados Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb e Zn, além de outros parâmetros. Os resultados indicaram que no tratamento primário dessa estação, apesar dos metais apresentarem remoções diferentes, com exceção do Mn, todos apresentaram taxas de remoção superiores a 78%, o que deve ser resultante principalmente da elevada eficiência de remoção de sólidos suspensos nesse tratamento, se mostrando mais eficiente que o tratamento secundário na remoção. A eficiência de remoção total na estação, para a maior parte dos metais pesados também foi elevada, encontrando-se acima de 80%, sendo inferior somente para o Mn que apresentou uma remoção próxima de 67%. O efluente final da estação o qual é lançado no Rio Tietê se mostrou de acordo com os padrões de emissão, apresentando concentrações de metais abaixo dos limites permitidos para o lançamento em rios de qualidades superiores ao Rio Tietê. Portanto, os resultados demonstraram que essa estação apresenta um bom desempenho na remoção de 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 316
2 metais pesados contribuindo assim para a atenua ção da poluição das águas superficiais por metais pesados. PALAVRAS-CHAVE: Metais pesados; Remoção; Lodos ativados. INTRODUÇÃO Nos anos mais recentes tem sido grande o interesse nos metais pesados com relação à sua química, efeitos biológicos, destino no ambiente e seu controle. Os metais pesados presentes nas águas residuárias são originados de atividades industriais, comerciais, domésticas e também estão presentes em águas de enxurrada, o que faz com que seja inevitável a sua presença nessas águas (ZABEL, 1993). De acordo com LESTER (1983) a contaminação do esgoto com metais pesados pode, potencialmente, causar os seguintes problemas: a- efeitos tóxicos no processo de tratamento biológico; b- descarga de efluente final contendo excessivas concentrações de metais pesados; c- dificuldades no tratamento e disposição de lodos. Em países industrializados onde o recurso água é limitado, em certas épocas do ano e em certas regiões, o efluente de esgoto pode contribuir com parcela substancial do fluxo dos rios. Dentro desse contexto fica claro que a remoção dos metais pesados presentes nas águas residuárias nas estações de tratamento de esgotos, se mostra de grande importância já que impede que as concentrações presentes no efluente da estação extrapolem as concentrações permitidas pelos padrões de emissão e causem impactos negativos nos corpos receptores. Em um sistema convencional de tratamento de esgotos a remoção de metais pesados ocorre durante dois estágios, inicialmente na sedimentação primária e posteriormente no processo de tratamento biológico (OLIVER & COSGROVE, 1974). Na sedimentação primária os principais fatores que afetam a remoção de metais são a eficiência de remoção de sólidos suspensos e a espécie química do metal (solúvel ou insolúvel) (LESTER, 1983). De acordo com BROWN & LESTER (1979) a remoção de metais no processo de lodos ativados é afetada por diversos fatores, os quais podem ser divididos em parâmetros operacionais, fatores físicos e químicos ou fatores biológicos. Muitos trabalhos tem apresentado resultados sobre a remoção de metais em sistemas de tratamento de esgotos e também tem abordado os fatores que afetam essa remoção (OLIVER & COSGROVE, 1974; LESTER et al., 1979; STOVELAND et al., 1979; PETRASEK & KUGELMAN, 1983; PATTERSON & KODULULA, 1984; KEMPTON et al., 1987a; KEMPTON et al., 1987b; STEPHENSON & LESTER, 1987a; STEPHENSON & LESTER, 1987b). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 317
3 A grande parte dos trabalhos existentes na literatura referentes ao estudo da remoção de metais pesados em sistemas de tratamento de esgotos sanitários, em escala real, tem sido realizada em países desenvolvidos localizados em regiões de clima temperado. Dentro desse contexto considerou-se de grande interesse se realizar um estudo da remoção de metais em uma estação de tratamento de esgotos sanitários, de grande porte com vazão de 5 m 3 /s, que recebe parte do esgoto doméstico e industrial gerado na cidade de São Paulo, Brasil. Tal estudo se mostra de fundamental importância já que fornece dados sobre a remoção de metais em uma região de condição econômica e climática completamente diferente do que está disponível atualmente na literatura, além de avaliar também o desempenho dessa estação e a qualidade do efluente final gerado. METODOLOGIA No presente estudo coletaram-se amostras da estação de tratamento de esgotos sanitários por processo de lodos ativados convencional, localizada no município de Barueri, a qual recebe o esgoto da cidade de São Paulo, Brasil. Essa estação é pertencente à SABESP (Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo) Nessa estação foram realizadas três coletas de amostras, sendo que em cada coleta foram coletadas amostras do esgoto bruto, do efluente do decantador primário, da mistura líquida do tanque de aeração e do efluente final da estação. Foram preparadas amostras compostas, com sub amostras coletadas em intervalos de 2 horas, durante 24 horas. A Figura 1 mostra o esquema da estação com os pontos de coleta de amostras. Figura 1: Esquema da estação com os pontos de coleta de amostras. O tempo de detenção hidráulica total (?h) na estação e a vazão afluente (Q) à estação são de aproximadamente 11h e 5 m 3 /s, respectivamente. O tempo de retenção celular (?c) no tanque de aeração é de 5,3 dias. As amostras coletadas foram analisadas quanto aos seguintes parâmetros: ph, alcalinidade, sólidos suspensos, DQO (demanda química de oxigênio), nitrogênio total e amoniacal, Ca, Mg 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 318
4 e os metais pesados: Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb e Zn. As metodologias utilizadas para a determinação de ph, alcalinidade, sólidos suspensos, DQO e nitrogênio total são descritas no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (1992). Para a determinação da concentração dos metais, as amostras foram digeridas com ácido nítrico e perclórico segundo a metodologia descrita por MALAVOLTA et al. (1989) e posteriormente lidas em espectrofotômetro de absorção atômica. O material utilizado na coleta e transporte das amostras para a determinação de metal foi limpo com HCl 2N e enxaguado com água deionizada, de acordo com as instruções contidas no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (1992). Todas as amostras foram trabalhadas em duplicatas. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 apresenta as concentrações dos parâmetros determinados no esgoto bruto, no efluente primário e no efluente final e as remoções atingidas no tratamento primário, secundário e a remoção no tratamento total (primário e secundário). Tabela 1: Valores médios de concentração e remoção para os parâmetros determinados. Concentração Remoção variáveis mg/l % afluente efluente primário efluente final tratamento primário tratamento secundário tratamento total Cd 0,0147 0,0013 0, ,2-30,0 88,4 Cr 1,5290 0,2360 0, ,6 72,9 95,8 Cu 1,1227 0,1557 0, ,8-69,0 76,5 Fe 17,8460 2,3750 0, ,7 86,2 98,1 Mn 0,1920 0,0860 0, ,2 26,7 67,2 Ni 0,4120 0,0707 0, ,8 0 82,8 Pb 0,1963 0,0317 0, ,8 13,9 86,1 Zn 1,1960 0,1733 0, ,5 48,5 92,5 SST* ,1 85,9 98,2 DQO ,2 82,2 95,9 N total 58,0 28,0 9,7 52,0 65,3 83,3 N amoniacal 24,7 19 4,7 23,1 75,5 81,1 Ca 305,0 250,9 246,1 17,8 1,9 19,3 Mg 47,6 35,9 32,7 24,6 8,9 31,3 *SST: sólidos suspensos totais À seguir são colocados os gráficos que representam as eficiências de remoção de metais pesados no tratamento primário, secundário e total (primário e secundário). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 319
5 Figura 2: Remoção de metais pesados no tratamento primário. Remoção no tratamento primário (%) Cd Cr Cu Fe Mn Ni Pb Zn SST Figura 3: Remoção de metais pesados no tratamento secundário. Remoção no tratamento secundário (%) Cd Cr Cu Fe Mn Ni Pb Zn SST Figura 4: Remoção de metais pesados no tratamento total (primário e secundário). Remoção total média (%) Cd Cr Cu Fe Mn Ni Pb Zn SST Analisando-se os dados da Tabela 1 e as Figuras 2 e 3, pode-se observar que no tratamento primário, para a maioria dos metais a remoção foi bem maior do que no tratamento secundário, podendo indicar assim, que nesses casos, a remoção total foi muito dependente da remoção no tratamento primário. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 320
6 Comparando-se os valores encontrados no presente trabalho com os valores obtidos em vários trabalhos como de OLIVER & COSGROVE (1974), LESTER et al.(1979), STOVELAND et al.(1979), PETRASEK & KUGELMAN (1983) e PATTERSON & KODULULA (1984), observa-se que a remoção de metais no tratamento primário da estação em estudo foi, de maneira geral, superior aos valores de remoção no tratamento primário de todos os trabalhos citados e, para todos os metais. Como citado na introdução, a remoção de metais pesados no tratamento primário é afetada por diversos parâmetros, entre os quais podem ser citados: a) remoção de SST nesse tratamento; b) concentração de SST no esgoto afluente; c) taxa de aplicação de sólidos no decantador primário (kg/m 2.dia); d)?h no decantador primário. Analisando-se os valores de tais parâmetros, para a estação em estudo e para os trabalhos citados, pode-se observar que a elevada eficiência de remoção de metais pesados no tratamento primário dessa estação pode ser atribuída à alta remoção de sólidos suspensos atingida nesse tratamento a qual é próxima a 87,1%, sendo esta segunda atribuída à elevada concentração de sólidos suspensos no esgoto bruto afluente (972 mg/l) e à elevada taxa de aplicação de sólidos no decantador primário (36,84kg/m 2.dia). Quanto à remoção de metais atingida no tratamento secundário, esta foi muito variável quando em comparação com os dados dos trabalhos citados anteriormente. Dependendo do metal a remoção foi maior ou menor que as remoções apresentadas pelos demais trabalhos, não havendo uma predominância na remoção como houve no tratamento primário. Comparando-se os valores dos parâmetros que afetam a remoção no sistema de lodos ativados (tratamento secundário) da estação em estudo com os valores dos parâmetros dos trabalhos citados, não ficou claro qual o principal parâmetro determinante da remoção. Os parâmetros avaliados nesse caso foram: a)?c no tanque de aeração; b) remoção de SST; c) concentração de SST na mistura líquida; d)?h no decantador secundário. Um fator que demonstra ter grande influência na remoção de metais no tratamento secundário, e que no entanto não foi avaliado nesse trabalho, é a solubilidade do metal no afluente do tratamento secundário. Como mostrado na Figura 2, alguns metais apresentaram remoção de metais negativa no tratamento secundário, ou seja, ao invés de haver a remoção ocorreu a liberação desses metais, fazendo com que a concentração aumentasse nesse tratamento. Tal situação deve ser resultante, provavelmente, da solubilização do metal que estava ligado ao floco ou mesmo de uma sedimentação insatisfatória do lodo no decantador secundário. Nas condições do estudo a primeira hipótese parece ser a mais provável de ocorrência, podendo ser causada por algum fator do meio que possa promover a solubilização ou a liberação do metal do floco biológico. Com relação aos demais parâmetros apresentados na Tabela 1 foi feita comparação com os resultados de PETRASEK & KUGELMAN (1983). Em termos das eficiências de remoção de DQO e N amoniacal, os resultados obtidos na estação foram muito semelhantes aos de PETRASEK & KUGELMAN (1983), sendo mais removidos no tratamento secundário (lodo 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 321
7 ativado). Cabe dizer que a concentração de DQO encontrada no afluente da estação em estudo é elevada, sendo muito superior às concentrações usuais de DQO nos engotos domésticos, o que permite portanto, considerá-lo como um esgoto atípico. Quanto ao P total, este apresentou o mesmo comportamento em ambos os sistemas, mas a remoção no tratamento total da estação foi de 80,8% e no trabalho de PETRASEK & KUGELMAN (1983), de 65%. À respeito do Ca e Mg os resultados do presente estudo confirmam as informações de PETRASEK & KUGELMAN (1983), de que esses elementos se mostram refratários ao tratamento biológico, sendo pouco removidos pelo tratamento convencional. Como comentado na introdução, o efluente final da estação é lançado no Rio Tietê, o qual é um rio enquadrado na Classe IV quanto à qualidade, de acordo com a legislação ambiental brasileira. Pela Tabela 2, que apresenta as concentrações de metais pesados no efluente final da estação e os padrões de emissão para lançamento em rios da Classe II, pode-se observar que as concentrações de metais pesados no efluente final da estação são inferiores às concentrações máximas permitidas para emissão em rios de Classe II, de qualidades superiores aos rios de Classe IV, o que vem demonstrar que o efluente da estação apresenta concentração de metais bem inferiores às máximas permitidas para lançamento no Rio Tietê. Tabela 2: Concentração de metais pesados no efluente da estação e os padrões de emissão-rios Classe II (mg/l). Cd Cr Cu Pb Zn efluente da estação 0,0017 0,064 0,263 0,0273 0,0893 padrões (CETESB) 0,01 0,5 1,0 0,1 5,0 CETESB: Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental do Estado de São Paulo. CONCLUSÕES Dentro do que foi discutido com relação aos resultados obtidos, pode-se concluir que a estação de tratamento em estudo apresenta uma boa remoção de metais pesados no tratamento primário, sendo essa remoção da ordem de 91,2% para o Cd; 84,6 % para o Cr; Cu: 78,8%, Fe: 86,7%, Mn: 55,2 %; Ni: 82,8%; Pb: 83,8 % e Zn: 85,5 %. A remoção no tratamento secundário foi muito variável em função do metal. Quanto à remoção total de metal pesado (primário + secundário) nessa estação, esta também foi considerada elevada, sendo resultante, principalmente, da elevada remoção atingida no tratamento primário. Como conseqüência da remoção de metais na estação em estudo, o efluente final apresentou concentrações de metais pesados que se encontram dentro dos padrões de emissão para rios de qualidades superiores ao Rio Tietê. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 322
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AMERICAN PUBLIC HEALTH; AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION; WATER POLLUTION CONTROL FEDERATION. Standard Methods for Examination of Water and Wastewater. 18ed. Washington, APHA/AWWA/WPCF, BROWN, M. J., LESTER, J. N. Metal removal in activated sludge: the role of bacterial extracellular polymers. Water Research, v.13, p , KEMPTON, S.; STERRITT, R.M.; LESTER, J.N. Heavy metals removal in primary sedimentation. I. The influence of metal solubility. The Science of the Total Environment, v.63, p , 1987a. 4. KEMPTON, S.; STERRITT, R.M.; LESTER, J.N. Heavy metals removal in primary sedimentation. II. The influence of metal speciation and particle size distribution. The Science of the Total Environment, v.63, p , 1987b. 5. LESTER, J. N. et al. The balance of heavy metals through a sewage treatment works. I. Lead, cadmium and copper. The science of the total environment, v.12, p.13-23, LESTER, J. N. Significance and behavior of heavy metals in wastewater treatment process. I. Sewage treatment and effluent discharge. The Science of the Total Environment, v.30, p.1-44, MALAVOLTA, E. et al. Avaliação do estado nutricional das plantas: princípios e aplicações. Piracicaba, Associação Brasileira para Pesquisa da Potassa e do Fosfato, OLIVER, B.G.; COSGROVE, E. G. The efficiency of heavy metal removal by a conventional activated sludge treatment plant. Water Research, v.8, p , PATTERSON, J.W.; KODULULA, P.S. Metals distributions in activated sludge systems. Journal Water Pollution Control Federation, v.56, n.5, p , PETRASEK, A.C.; KUGELMAN, I.J.JR. Metals removals in conventional wastewater treatment plants. Journal Water Pollution Control Federation, v.55, n.9, p , STEPHENSON, T.; LESTER, J. N. Heavy metal behaviour during the activated sludge process. I. Extent of soluble and insoluble metal removal. The Science of the Total Environment, v.63, p , 1987a. 12. STEPHENSON, T.; LESTER, J. N. Heavy metal behaviour during the activated sludge process. II. Insoluble metal removal mechanisms. The Science of the Total Environment, v.63, p , 1987b. 13. STOVELAND, S. M. et al. The balance of heavy metals through a sewage treatment works. II. Chromium, nickel and zinc. The Science of the Total Environmental, v.12, p.25-34, ZABEL, T.F. Diffuse sources of pollution by heavy metals. Journal of the Institution of Water Environmental Management, v.7, p , o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 323
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