RESUMO PALAVRAS CHAVE. Tratamento de Água, Resíduos, Sólidos, Lodo, Balanço de massa.

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1 ESTUDO COMPARATIVO DA GERAÇÃO DE SÓLIDOS EM ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA CONVENCIONAL DE CICLO COMPLETO E ETA CICLO COMPLETO COM DECANTADOR DE ALTA TAXA Francisco Gláucio Cavalcante de Souza (*) Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Engenheiro civil pela Universidade Federal do Ceará. Mestrando em Engenharia Hidráulica e Saneamento pela EESC/USP desde Marcelo Melo Barroso Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Engenheiro Civil pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais/ PUC-MG. Doutorando em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da EESC/USP. João Sérgio Cordeiro Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) Professor do Departamento de Engenharia Civil da UFSCar. Professor Convidado do Programa de Pós-Graduação de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP. Diretor Financeiro da Associação Brasileira de Ensino de Engenharia. Endereço(*): Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Hidráulica e Saneamento, Av. Trabalhador Sãocarlense, 400. Centro. São Carlos-SP. CEP.: Tel (16) , Fax (16) , glaucio@sc.usp.br. RESUMO O tratamento de águas de abastecimento tem como objetivo produzir água potável com características físicoquímicas e biológicas em concordância com os padrões de qualidade. Para isso, faz-se uso de diversas tecnologias, visto as diferentes características de água bruta e contextos sócio-econômicos. Os principais tipos de estações de tratamento de água (ETAs) empregados no Brasil são classificados como tradicionais ou convencionais de ciclo completo. Estas estações visam à remoção de turbidez, cor, microrganismos, odor, ferro e manganês e, constituem-se de: unidade de mistura rápida; floculadores; decantadores ou flotadores; filtros; unidades de desinfecção; e unidades de correção de ph. Neste trabalho, foram levantados dados sobre o sistema de tratamento empregados e a produção de sólidos em duas ETAs de tipo convencional de ciclo completo: ETA São Carlos/SAAE (vazão média de 520 L/s) e ETA Fonte Luminosa/DAAE, (vazão média de 600 L/s), localizadas em São Carlos e Araraquara, respectivamente. O tipo de decantador utilizado é a principal diferença entre as estações. Na ETA São Carlos, são empregados decantadores convencionais e, na ETA Fonte Luminosa, os decantadores são de alta taxa. A carga de sólidos produzida diariamente na ETA São Carlos correspondeu a aproximadamente 970 kg/dia. Na ETA Fonte Luminosa, a produção diária estimada e a produção diária medida foi de 540 kg/dia Verificou-se que a ETA Fonte Luminosa produz menos sólidos que a ETA São Carlos. Porém, consome grandes volumes de água devido aos descartes diários. A concentração de sólidos presentes nos volumes descartados diariamente é bem inferior à concentração de sólidos dos resíduos provenientes de decantadores convencionais. PALAVRAS CHAVE Tratamento de Água, Resíduos, Sólidos, Lodo, Balanço de massa.

2 INTRODUÇÃO A água é um dos recursos indispensáveis ao desenvolvimento de uma sociedade e, por tanto, deve ser preservada. A água é utilizada para diversos fins (agricultura, esporte, transporte, etc.), sendo o consumo humano de água potável, o mais importante. O tratamento de águas de abastecimento tem como objetivo produzir água com características físico-químicas e biológicas em concordância com os padrões de potabilidades exigidos por leis. Para isso, faz-se uso de diversas tecnologias, visto as diferentes características de água bruta e contextos sócio-econômicos. No Brasil, o tratamento convencional de ciclo completo (coagulação/floculação/decantação convencional ou de alta taxa/filtração) e sua variação com filtração direta (coagulação/pré-floculação/filtração) são as principais tecnologias empregadas no tratamento de águas superficiais e englobam, cerca de 7500 estações de tratamento de água (CORDEIRO, 1993). A produção de água potável pode ser vista como uma indústria em que de um lado, há a matéria prima (água bruta) e insumos (produtos químicos) e de outro lado, o produto final (água tratada) mais perdas de energia e perdas físicas (geração de resíduos). A indústria da água gera resíduos que podem ser prejudiciais a saúde humana e ao meio ambiente. As características e quantidades desses resíduos podem variar enormemente, face as diferentes tecnologias e coagulantes químicos empregados. Vale ressaltar, a importância desse aspecto na concepção de projetos de ETAs. O conhecimento das características e, quantificação desses resíduos constitui-se em importante subsídio para seu gerenciamento e efetivo tratamento. Contudo, há poucos trabalhos que confirmem ou avaliem tais indicações, sobretudo para a realidade brasileira. OBJETIVOS O presente trabalho visa comparar a produção de sólidos entre uma ETA convencional de ciclo completo que emprega sulfato de alumínio como coagulante e outra ETA convencional de ciclo completo com decantadores de alta taxa e cloreto férrico como coagulante. Dessa forma, os objetivos específicos são: Avaliar o caminhamento das formas de sólidos ao longo das ETAs; Comparar a produção diária total de sólidos para as duas ETAs e em cada linha geradora de resíduos (decantadores e filtros). PRODUÇÃO DE RESÍDUOS EM ETA Na produção de resíduos em uma ETA, devem ser considerados, as características da água bruta afluente, dos produtos químicos utilizados, a eficiência do sistema de tratamento e o método de remoção dos resíduos (CORDEIRO, 1993). 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 e, devem ser quantificados criteriosamente, (FERREIRA FILHO e ALÉM SOBRINHO, 1998). Geralmente, quantifica-se a produção dos resíduos, e em particular de sólidos, através de três métodos: formulações empíricas; análise de balanço de massa; e determinação em campo. Notadamente, a estimativa de produção de sólidos e seu efetivo gerenciamento pode, e é aconselhável, ser realizado em conjunto com a concepção de novos projetos de sistemas de tratamento de água. Nesses casos, a produção de sólidos pode ser estimada por equações empíricas, CORNWEL (1987), SARON (2001), a partir do conhecimento das características da água bruta e das dosagens e formulações químicas de produtos químicos a serem empregados. Vale salientar que, na prática na maioria das vezes, a concepção do sistema de tratamento de água é feita independente do sistema de tratamento dos sólidos e/ou as ETAs já são existentes. Para esse caso, a determinação da

3 produção de lodo pode ser estimada pela determinação dos sólidos provenientes das descargas dos decantadores e da vazão das mesmas ou ainda, pela realização de balanço de massa. Os resíduos gerados em decantadores convencionais são conhecidos como lodo, por serem bastante densos. Porém, os resíduos de decantadores com alta taxa de sedimentação são semelhantes aos gerados nos filtros, isto é, possuem concentração bem menor de sólidos. Para o caso de ETAs convencionais com decantadores de alta taxa, a operação de descartes diários interfere nas características e quantidades dos resíduos gerados nos decantadores. BALANÇO DE MASSA O balanço de massa é considerado a técnica mais valiosa na quantificação dos resíduos gerados em ETAs (ASCE & AWWA, 1996). Além disso, pode ser uma importante ferramenta para a avaliação da capacidade suporte do corpo d água receptor (em função dos padrões de qualidade de água no caso de descarga direta) ou na definição de limites de concentração e/ou níveis de tratamento de poluentes específicos para resíduos sujeitos à aplicação no solo, à disposição em aterros sanitários, reuso e outros. Dessa forma, o balanço de massa para um poluente específico (pe. sólidos, metais) pode ser aplicado globalmente ou a cada processo unitário. A partir da FIGURA 1, 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 1 Fluxograma de ETA convencional de ciclo completo METODOLOGIA EMPREGADA As estações de tratamento de água usadas, para realizar o estudo comparativo foram a ETA-São Carlos/SAAE e ETA-Fonte Luminosa/DAAE, localizadas nos municípios de São Carlos e Araraquara. O trabalho desenvolvido consistiu de: Caracterização das ETA-São Carlos-SAAE e ETA-Fonte Luminosa/DAAE quanto; as variáveis físicas e operacionais, insumos utilizados e método de limpeza do sistema de tratamento; Determinação da série de sólidos (sólidos totais, suspensos e dissolvidos) em mg/l, nas amostras de água bruta, coagulada, decantada, filtrada, tratada. Determinação de sólidos nas amostras de resíduos gerados durante lavagem dos filtros e decantadores, segundo procedimentos estabelecidos pela APHA (2002); Desenvolvimento de balanço de massa global e em cada unidade de tratamento (decantadores e filtros).

4 A produção diária de sólidos nas duas ETAs 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, com base nos valores teóricos apresentados por REALI (1999). A estimativa da produção total de sólidos foi feita pela aplicação da Equação 1, considerando que 1 g de sólidos suspensos produz 1 g de sólidos, 1 g de sulfato de alumínio produz 0,26 g de sólidos (ETA São Carlos), 1 g de cloreto férrico produz 0,66 g de sólidos (ETA Fonte Luminosa) e 1 g de cal produz 0,1 g de sólidos. A estimativa da produção de sólidos nos decantadores e filtros foi realizada por meio da Equação 2 e Equação 3, respectivamente. Equação 1 Produção total de sólidos W (kg/dia) = [(SST AB x Q AB ) + (0,26xDSA + 0,1xDSC) (SST AT x Q AT )] x 0,0864 Em que: SST AB Concentração de sólidos suspensos em mg/l na água bruta; Q AB Vazão de água bruta em L/s; DSA Adição diária de coagulante (sulfato de alumínio) em mg/s; DSC Adição diária de cal em mg/s; SST AT Concentração de sólidos suspensos em mg/l na água tratada; Vazão de água tratada em L/s. Q AT Equação 2 Produção de sólidos nos decantadores W D = (SST AB x Q AB + (0,26xDSA + 0,1xDSC) SST AD x Q AD ) x 0,0864 Em que: SST AD - concentração de sólidos suspensos em mg/l na água decantada; Q AD - vazão de água decantada em L/s. Equação 3 Produção de sólidos nos filtros W F = (SST AD x Q AD SST AF x Q AF ) x 0,0864 Em que: SST AF - concentração de sólidos suspensos em mg/l na água filtrada; Q AF - vazão de água filtrada em L/s. RESULTADOS Caracterização das ETAs estudadas A ETA-São Carlos/SAAE opera com vazão média de 520 L/s e é constituída 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 são: sulfato de alumínio como coagulante primário, hidróxido de cálcio (cal) para correção de ph, ortopolifosfato para auxiliar na floculação, cloro para desinfecção e flúor. A descarga, tanto dos resíduos de decantadores, quanto da água de lavagem dos filtros é realizada através de tubulação em concreto armado de 500 mm de diâmetro, que lança esses materiais, sem tratamento, no córrego Monjolinho. A ETA Fonte Luminosa/DAAE tem capacidade de operação de 600 L/s e é composta por uma Calha Parshall que funciona como unidade de mistura rápida, seguida de dois módulos de tratamento. Cada módulo possui dois conjuntos de floculadores, um decantador de alta taxa com anteparos tubulares e três filtros rápidos de fluxo descendente com taxa declinante e meio filtrante de antracito e areia. Diariamente, os resíduos retidos nos decantadores e filtros são descartados. Os produtos químicos empregados no tratamento são: cloreto férrico como

5 coagulante primário, cal para correção de ph, cloro gasoso para desinfecção e flúor. Quando a turbidez da água bruta se apresenta elevada, é realizada pré-cloração com dióxido de cloro obtido a partir de ácido clorídrico e clorito de sódio. Caminhamento dos sólidos ao longo do tratamento Os valores médios de concentração de sólidos totais (ST), sólidos suspensos totais (SST) e sólidos dissolvidos totais (SDT) nas amostras de água bruta (BR), água coagulada (COAG), água decantada (DEC), água filtrada (FILT) e água tratada (TRAT) paras as duas ETAs são mostrados na Figura 2. Pode-se observar que há tendência de acréscimo de sólidos totais na saída do tratamento, sob influência marcante dos sólidos dissolvidos. Para as duas ETAs estudadas, observou-se remoção efetiva de turbidez (na faixa de 90%), o mesmo não ocorre para os sólidos totais pois, não apresentaram remoção efetiva, com ocorrência muitas vezes de acréscimo em seus valores, ao final do tratamento. A remoção de sólidos suspensos foi elevada (acima de 85%). A remoção de sólidos dissolvidos apresenta-se de forma tênue, com acréscimos acentuados em seus valores. Conc (mg/l) ETA São Carlos SDT SST BR COAG DEC FILT TRAT Tipos de água Conc (mg/l) ETA Fonte SDT SST BR COAG DEC FILT TRAT Tipos de água Figura 2 - Valores médios de sólidos (totais, suspensos e dissolvidos) ao longo das ETAs. Ressalta-se, que para ETA/São Carlos (convencional de ciclo completo) houve acréscimo mais acentuado nos valores de sólidos totais e sólidos dissolvidos. Estes acréscimos podem ser explicados pela adição de sólidos, na forma de produtos químicos, e liberação ou ressolubilização de compostos dissolvidos, no fundo dos decantadores e nos filtros. Este último aspecto (ressolubilização) pode estar associado às características operacionais dos decantadores, em função do volume e tempo (idade) dos resíduos retidos. Embora percentualmente a concentração de sólidos suspensos seja pequena em relação à presença de sólidos dissolvidos, há maior preocupação na remoção da fração suspensa devido à possibilidade de serem veículos de agentes patogênicos. Produção de sólidos Os resultados apresentados na TABELA 1 exemplificam os procedimento para obtenção da carga de sólidos produzida diariamente na ETA São Carlos. Vale ressaltar que a contribuição proveniente da adição de produtos químicos foi estimada em aproximadamente 37 % do total de sólidos produzidos na ETA.

6 Tabela 1 Carga de sólidos produzida diariamente na ETA-São Carlos. (I) Água bruta [SSxQab] {kg/dia) (II) MPQ [coef.x adição] (kg/dia) (III) Água tratada [SSxQat] (kg/dia) (IV) = (I)+(II)-(III) Produção total de sólidos (kg/dia) Massa grama de sólidos/m 3 água tratada Vazão Coletas (L/s) Média * MPQ = massa devido adição de produtos químicos A Figura 3 ilustra a produção diária de sólidos na ETA São Carlos e ETA Fonte Luminosa. kg/dia Decantadores Filtros Total ETA F - Eq ETA F - Medido ETA SC - Eq Figura 3 Carga diária de sólidos produzida nas ETAs São Carlos e ETA Fonte Luminosa. A carga de sólidos produzida diariamente na ETA São Carlos corresponde a aproximadamente 970 kg, sendo 765 kg/dia nos decantadores e 211 kg/dia nos filtros. Na ETA Fonte Luminosa, a produção diária estimada e a produção diária medida foi de 540 kg, aproximadamente, sendo 390 kg/dia nos decantadores e 200 kg/dia nos filtros. Convém observar que a produção de sólidos nos filtros apresentam valores muito próximos, muito embora sejam distintas os valores de cargas diárias globais de produção de sólidos entre as duas ETAs estudadas. Vale salientar, que os aspectos operacionais relacionados com a infraestrutura e recursos humanos podem influenciar na comparação entre ETAs, assim como no desempenho esperado na concepção de projeto, tais como; eficiência de tratamento, gasto energético, consumo de produtos químicos e geração de resíduos. CONCLUSÕES A principal diferença entre estações de tratamento de água com decantadores de alta taxa e estações com decantadores convencionais é o tempo de retenção ou idade de sólidos sedimentados. Esse aspecto influencia diretamente na qualidade destes resíduos. ETAs com decantadores convencionais acumulam resíduos por dias ou meses, enquanto ETAs com decantadores de alta taxa retêm os sólidos por questão de horas.

7 Houve acréscimo nos valores de sólidos totais e mais intensamente sólidos dissolvidos, tanto para ETA São Carlos, quanto para a ETA Fonte Luminosa. Tais 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. A ocorrência de ressolubilização nos resíduos contidos no fundo dos decantadores pôde ser evidenciada, mais destacadamente para a ETA São Carlos, pelas alterações de proporção das frações dissolvidas dos metais e sólidos na água decantada. Observou-se que a ETA Fonte Luminosa produz menos sólidos que a ETA São Carlos. Porém, esta carga é descartada todos os dias pela ETA Fonte Luminosa, despendendo grandes volumes de água tratada. Em compensação, a qualidade deste grande volume descartado diariamente é bem superior a qualidade do volume descartado na ETA São Carlos, em termos de reaproveitamento, devido à baixa concentração de sólidos e ao coagulante que é menos agressivo ao meio ambiente. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS American Society of Civil Engineers; American Water Works Association (1996). Technology Transfer Handbook: management of Water Treatment Plant Residuals. New York. 294p. Barroso, M. M. (2002). Problemática dos metais e sólidos no tratamento de água (estação convencional de ciclo completo). São Carlos. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. Cordeiro, J.S. (1993). O problema dos lodos gerados nos decantadores em estações de tratamento de águas. 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. Reali, M.A.P (Coord.) (1999). Noções gerais de tratamento e disposição final de lodos de estações de tratamento de água. Projeto PROSAB, Rio de Janeiro: ABES, 250p. Saron, A.; Leite, V.M.B. (2001). Quantificação de lodo em estação de tratamento de água. In: XXI Congresso Brasileiro de Eng. Sanitária e Ambiental. Anais. Tomo I 075.