ADENSAMENTO POR GRAVIDADE DE LODO DE ETA GERADO EM DECANTADOR CONVENCIONAL E DECANTADOR LAMINAR

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1 ADENSAMENTO POR GRAVIDADE DE LODO DE ETA GERADO EM DECANTADOR CONVENCIONAL E DECANTADOR LAMINAR Archimedes Pereira da Silva Junior (*) Faculdade de Engenharia Civil Universidade Estadual de Campinas UNICAMP Engenheiro Civil; Mestrando em Saneamento e Ambiente. Ricardo de Lima Isaac Departamento de Saneamento e Ambiente Faculdade de Engenharia Civil Universidade Estadual de Campinas UNICAMP Endereço (*): Avenida Nossa Senhora de Fátima, 1128 apto: R13 Taquaral Campinas São Paulo Brasil Tel:+55(19) archijr@ig.com.br RESUMO O lodo de decantador, em geral, contém a maior parte dos sólidos removidos no tratamento de água, cujo teor vai depender, fundamentalmente, da qualidade da água bruta, do tipo e dosagem de coagulante e dos produtos químicos ali empregados. E também, do tipo de decantador e do sistema de remoção de lodo. A parcela de lodo originária dos decantadores pode variar na faixa de 60-95% da quantidade total de resíduo produzido, enquanto que a água de lavagem dos filtros, na faixa de 5-40%. A remoção pode ser executada de forma mecanizada ou manual, dependendo do porte da ETA. As diferentes frações de água presente no lodo que podem ser ordenadas segundo sua dificuldade crescente de separação da fase sólida são: Água livre; Água intersticial; Água vicinal e Água de hidratação. Amostras de lodo foram coletadas semanalmente nas ETAs durante o verão (chuvas). Neste trabalho, o polímero foi aplicado nas amostras de lodo em uma concentração de 0,25% (w/w). Os polímeros testados no pré-condicionamento do lodo bruto eram todos de alto peso molecular para favorecer o adensamento por gravidade. Cinco polímeros foram testados e dentre eles foram escolhidos dois que melhor influenciaram o adensamento por gravidade do lodo. Escolhidos os dois melhores polímeros a próxima fase foi encontrar as condições ótimas para o adensamento do lodo por gravidade. Os ensaios constituíram basicamente em: a) fixar a rotação do agitador, fixar a dosagem de polímero e variar o tempo de mistura do condicionador; e b) com o melhor tempo de mistura, rotação fixa, variar a dosagem de polímero. A escolha do melhor polímero e dosagem ótima foi feita com base no fator de clarificação e espessamento, bem como na menor turbidez residual do sobrenadante e no máximo teor de sólidos do lodo adensado O teor de sólidos no lodo gerado no decantador convencional esteve na faixa de 0,28-1,28% enquanto que no decantador laminar esteve na faixa de 0,22-0,37% para o período de chuvas. Dos polímeros testados, o que acarretou melhores resultados foi do tipo aniônico, de alto peso molecular e alta densidade de carga. A dosagem ótima obtida foi de 1,0 mg/g SST para o lodo de decantador convencional e de 3,0 mg/g SST para o lodo de decantador laminar. Este estudo teve como objeto o lodo gerado em duas ETAs de ciclo completo, situadas lado a lado, recebendo a mesma água coagulada, uma porém com decantadores do tipo convencional e a outra do tipo laminar ou de alta taxa. Esses lodos assim adensados, nas suas respectivas condições ótimas, são objeto de um estudo em andamento na UNICAMP quanto à desidratação por centrífuga. Palavras-chave: Lodo de ETA, Decantador Convencional e Laminar, Adensamento, Condicionamento Químico, Polímeros Orgânicos Sintéticos. 1

2 INTRODUÇÃO Os dois principais tipos de resíduos gerados em ETAs convencionais ou de ciclo completo são lodo de decantador e água de lavagem de filtro. Tais resíduos, praticamente líquidos, necessitam tratamento e g. por adensamento e desidratação para adequado transporte e disposição final ou reuso benéfico. O lodo de decantador, em geral, contém a maior parte dos sólidos removidos no tratamento de água, cujo teor vai depender, fundamentalmente, da qualidade da água bruta, do tipo e dosagem de coagulante e demais produtos químicos ali empregados. E, por outro lado, do tipo de decantador e do sistema de remoção de lodo (Reali, 1999). Enquanto que em decantadores convencionais com limpeza manual e freqüência acima de 20 dias, o teor de sólidos, em geral, fica acima de 2,5% (Cordeiro, 1999), em decantadores com limpeza mecanizada, contínua ou semicontínua, o teor de sólidos pode ser tão baixo quanto 0,1%, mas com maior geração em volume de lodo. Os sistemas mecânicos de desidratação (isto é, centrífuga, filtro-prensa) requerem resíduos com teores de sólidos mais altos em sua entrada/alimentação, e g 3-4%, obtidos, para lodos contendo hidróxidos metálicos, através do adensamento com o auxílio de pré-condicionamento químico com polímeros orgânicos sintéticos (Isaac, 1999). No que se refere ao projeto e concepção da ETA, decantadores laminares têm como grande vantagem em relação aos decantadores convencionais a possibilidade de adoção de taxas de aplicação superficial mais elevadas e, conseqüentemente, de menores áreas para a mesma vazão tratada. Contudo, diante da necessidade de maior proteção ambiental e da imposição legal de se tratar e destinar adequadamente os resíduos das ETAs, faz-se necessário investigar melhor os lodos gerados em um tipo e outro de decantador, quanto às suas características qualitativas e quantitativas e, conseqüentemente, sua tratabilidade. OBJETIVO Avaliar comparativamente, através de estudo experimental em escala de laboratório, a adensabilidade de lodo de decantador convencional e decantador laminar, após condicionamento químico com polímeros orgânicos sintéticos. ORIGEM E CARACTERÍSTICAS DOS LODOS Como foi mencionado anteriormente, o lodo se acumula no fundo dos decantadores (ou eventualmente em floculadores com ar dissolvido) e na água de lavagem dos filtros e podem ser constituídos, principalmente, de partículas finas, ou colóides em suspensão, matéria orgânica e inorgânica e organismos microscópicos, como bactérias e vírus (Yuzhu, 1996). Qualquer tipo de resíduo de decantador consiste em uma combinação entre uma fase sólida com certa quantidade de líquido, o comportamento deste não deve ser erroneamente assumido como sendo igual ao da água em seu estado líquido natural (Reali, 1999). O lodo do decantador é caracterizado como sendo um fluido não Newtoniano, volumoso e tixotrópico, ou seja, apresenta-se no estado de gel quando em repouso, mas torna-se relativamente fluido quando agitado, além de ser de difícil sedimentação ou flotação (Yuzhu, 1996). De acordo com esta pesquisadora, a parcela de lodo originária dos decantadores pode variar na faixa de 60-95% da quantidade total de resíduo produzido, enquanto que a água de lavagem dos filtros, na faixa de 5-40%. No lodo os valores baixos de DBO 5, na faixa de 2-4 mg/l, e valores relativamente altos de DQO, da ordem de mg/l, são uma indicação da presença de pequena quantidade de matéria orgânica relativamente estável. Nas estações que utilizam sais de alumínio como coagulante, em geral, a quantidade de sólidos totais ( mg/l) e sólidos em suspensão ( mg/l) são baixos. Geralmente, a presença de sólidos em suspensão na água de lavagem de filtros esta em torno de 0,01%, conforme exposto por O Connor (1971). Os lodos de sedimentadores podem ser removidos continuamente ou periodicamente. A remoção pode ser executada de forma mecanizada ou manual, dependendo do porte da ETA. Quando se opta pela remoção mecanizada os equipamentos, normalmente, são projetados para operar em períodos que variam de uma vez por semana, ou por hora, ou mesmo com descargas contínuas. Em caso de remoção manual a freqüência, geralmente, é de duas vezes a cada três ou mais meses. Nos filtros os lodos são gerados por ocasião da sua lavagem que é feita, normalmente, em intervalos de 12 a 24 horas. Podendo chegar a ser feita a cada 2 u 6 horas (Reali, 1999). De acordo com aquele autor, há diferentes formas físicas da água no lodo, as quais exercem influência marcante na maior ou menor dificuldade de separação entre as fases. As diferentes frações de água presente no lodo, mostradas na figura 1, que podem ser ordenadas segundo sua dificuldade crescente de separação da fase sólida, segundo Vesilind (1994), são: 2

3 Água livre: é aquela não associada, nem influenciada, por partículas sólidas em suspensão. Pode ser removida por drenagem, adensamento e desidratação mecânica; Água intersticial: está retida nos interstícios dos flocos. Parte dela está presa no interior do floco, mas pode ser liberada se a estrutura do floco for destruída. Removível mecanicamente; Água vicinal: constituída por múltiplas camadas de moléculas de água fisicamente ligadas, as quais encontram-se firmemente presas à superfície da partícula por meio de pontes de hidrogênio. Sua diferença com a anterior é que aquela fica livre para se mover quando o confinamento é eliminado, e esta só pode ser removida pela diminuição da área superficial total de partículas sólidas a que ela pode se ligar. Removível por condicionamento químico e; Água de hidratação: quimicamente ligada à superfície da partícula, removível apenas pelo aumento da energia térmica. Fonte: Vesilind (1994) Figura 1: Distribuição da água no floco de lodo METODOLOGIA As amostras de lodo utilizadas neste trabalho eram provenientes das ETAs 3 e 4 da SANASA, na cidade de Campinas, Estado de São Paulo, Brasil (Figura 2). Estas duas ETAs, localizadas lado a lado, têm em comum a chegada de água bruta (rio Atibaia), pré-sedimentadores de CAP e unidade de mistura rápida (coagulante cloreto férrico). A partir desse ponto, o fluxo principal se divide entre uma e outra estação, sendo que a ETA 3 tem decantadores convencionais com raspadores de lodo circulares e a ETA 4 decantadores laminares e manifold de coleta de lodo. Figura 2: ETA 3/decantador convencional (em cima) e ETA 4/decantador laminar (embaixo) Amostras de lodo foram coletadas semanalmente nessas ETAs durante o verão (chuvas). No mesmo dia da coleta, as amostras eram caracterizadas quanto à série de sólidos e ph, segundo Standard Methods for Water and Wastewater Examination, 19ed. (1995). Todos os ensaios de condicionamento químico e adensamento por gravidade foram feitos na mesma semana de cada coleta, num prazo máximo de 5 dias. O trabalho experimental foi realizado no Laboratório de Protótipos do Departamento de Saneamento e Ambiente da Faculdade de Engenharia Civil da UNICAMP. Neste trabalho, o polímero foi aplicado nas amostras de lodo em uma concentração de 0,25% (w/w), a solução de polímero era preparada sempre no dia da aplicação. Os polímeros testados no pré-condicionamento do lodo bruto eram 3

4 todos de alto peso molecular ( 10 6 g), para favorecer o adensamento por gravidade. Na tabela 1 estão apresentadas as características dos polímeros utilizados nesta investigação experimental. TABELA 1: Características dos polímeros escolhidos POLÍMERO FABRICANTE CARGA APARÊNCIA COR 1 Praestol 2640 Stockhausen Médio Aniônico Granular Branco 2 Praestol 852 BC Stockhausen Médio Catiônico Granular Branco 3 G 999 Nalco Não Iônico Granular Branco 4 G 998 Nalco Alto Aniônico Granular Branco 5 G 9046 Nalco Alto Catiônico Granular Branco Os cinco polímeros apresentados na tabela 1 foram testados e dentre eles foram escolhidos dois que melhor influenciaram o adensamento por gravidade do lodo. A seleção foi feita a partir de testes preliminares em cones Imhoff e na instalação piloto (fase I). Os ensaios foram realizados aplicando-se a mesma dosagem (foram investigadas duas dosagens diferentes 2 e 4 mg/g SST) de cada um dos cinco polímeros a amostras de lodo, sob condições fixas de rotação e tempo de mistura, respectivamente, 645 rpm e 30s. A instalação piloto (figura 3) consistia de 6 colunas cilíndricas de acrílico, com diâmetro de 11 cm, altura de 75 cm e cerca de 6 L de capacidade cada uma. A aplicação do polímero à amostra (volume de 5 L) era feita numa caixa de acrílico, utilizando-se de um misturador de alta rotação (645 rpm). Cada ensaio de sedimentação era iniciado imediatamente após a introdução do lodo assim condicionado em cada coluna, e o tempo de sedimentação foi de 300 minutos. Figura 3: Instalação piloto para realização dos ensaios de adensamento por gravidade Escolhidos os dois melhores polímeros, na próxima fase (fase II) foram encontradas as condições ótimas (tempo de mistura e dosagem de polímero) para o adensamento do lodo por gravidade. Estes parâmetros foram determinados para o resíduo oriundo do decantador das duas ETAs, no período de chuvas, e para os dois polímeros escolhidos na fase anterior. Os ensaios constituíram basicamente em: a) fixar a rotação do agitador, fixar a dosagem de polímero e variar o tempo de mistura do condicionador; e b) com o melhor tempo de mistura, rotação fixa, variar a dosagem de polímero. Foram investigados tempos de mistura de 15, 30, 45, 60, 90, e 120 segundos e dosagens de 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 e 15 mg/g SST. Em cada ensaio o tempo total de sedimentação era de 300 segundos. A escolha do melhor polímero e dosagem ótima foi feita com base no fator de clarificação e espessamento, bem como na menor turbidez residual do sobrenadante e no máximo teor de sólidos do lodo adensado (Reali e Patrizzi, 1999). RESULTADOS O teor de sólidos no lodo gerado no decantador convencional esteve na faixa de 0,28-1,28% enquanto que no decantador laminar esteve na faixa de 0,22-0,37% para o período de amostragem (chuvas). No tocante as características químicas do lodo os parâmetros, sólidos totais e sólidos voláteis, ficaram dentro da faixa de valores, apresentados por YUZHU 4

5 (1996), que é de 0,1-2,0%, para lodo de decantador. Todavia os valores de ph encontrados foram maiores (8,4-8,9) do que os apresentados por aquela pesquisadora, que era da ordem de 6-8. Isto se deve ao fato da água a ser tratada ter o valor de seu ph aumentado (da ordem de 9) para que o coagulante utilizado (cloreto férrico) possa fazer a coagulação no mecanismo da varredura. Estação de Tratamento 3 Decantador Convencional Os ensaios realizados em cone Imhoff mostraram que os polímeros 2 e 5 foram os que obtiveram uma melhor captura dos sólidos em suspensão e portanto, apresentaram melhores resultados do valor da turbidez. Estes valores variam de 1,13 a 3,06 NTU para o polímero 2 e, ficam compreendidos entre 3,61-4,49 NTU para o polímero 5. Os ensaios em colunas de sedimentação, apenas vieram confirmar o bom desempenho dos polímeros 2 e 5 na captura dos sólidos em suspensão, resultando nos melhores valores para a turbidez do sobrenadante. Para o polímero 5 a turbidez foi de 1,8-2,49 NTU para a dosagem de polímero de 2 e 4 mg/g SST, respectivamente. O polímero 2 obteve os seguintes valores 0,93 e 2,8 NTU para dosagem de polímero de 2 e 4 mg/g SST, respectivamente. Ainda para o lodo da estação 3 os polímeros 2 e 5, tanto para os ensaios nos cone quanto para as colunas, apresentaram valores de teor de sólidos no lodo adensado bastante satisfatórios. O polímero 2 produziu resíduo espessado com teor de sólido que foi compreendido entre 1,39-4%. Por sua vez, o sedimento adensado com o polímero 5 atingiu valores de teor de sólido na faixa de 1,43 a 3,97%. Cabe ainda dizer que os polímeros 1 e 3, também tiveram um bom desempenho no tocante ao parâmetro teor de sólido no lodo adensado. Contudo, os valores da turbidez residual no sobrenadante depois de terminada a sedimentação, foi extremamente alta, chegando a valores da ordem de 9,48 e 12 NTU respectivamente para os polímeros 1 e 3. Para dosagem de 2 mg/g SST, os lodos condicionados com os polímeros 1, 3 e 4 foram os que resultaram em maiores valores para o fator de clarificação, isto é, 35,97 cm/min. Quando este parâmetro é combinado com o fator de espessamento, apenas os polímeros 3 e 4 se sobressaíram com valores de F e de 3,6 e 2,4 cm/min, respectivamente. No ensaio feito com dosagem de 4 mg/g SST para todos os polímeros testados foram obtidos os valores de F c de 35,97 cm/min. Quando analisados juntamente com os valores de F e os melhores condicionadores foram 3 e 4, respectivamente, com valores iguais a 3,6 e 2,77 cm/min. Para decidir quais os melhores polímeros foram combinados quatro parâmetros: menor valor da turbidez do sobrenadante; maior teor de sólidos no lodo adensado; e maiores valores dos fatores de clarificação e espessamento. Nos ensaios realizados, para determinação da condição ótima de adensamento, foi observado que o tempo de 45s foi o que produziu sobrenadante com menor valor de turbidez 0,76 NTU. O tempo de 30s foi o que atingiu o maior índice de teor de sólidos no lodo adensado 7,01%, isto para o polímero 2. No caso do polímero 4 o tempo de 15 s produziu sobrenadante com 2,07 NTU de turbidez e 30s de mistura foram suficientes para deixar o resíduo adensado com teor de 5,8%. Depois de encontrados os valores de F c e F e, verificou-se que os maiores valores destes foram atingidos com 30s de mistura para os dois polímeros em estudo. O valor de F c foi de 37,41 cm/min para os condicionadores 2 e 4. Para o primeiro o maior valor de F e foi 5,76 cm/min, e para o segundo não pôde ser determinado. Portanto, de acordo com os resultados obtidos, para a ETA 3, 30s mostrou ser o melhor tempo de mistura para o adensamento por gravidade. As melhores dosagens encontradas foram de 3mg/g SST para o polímero 2 e 1mg/g SST para o polímero 4. Para a primeira dosagem os parâmetros encontrados foram 9,37 e 37,41 cm/min para F e e F c, respectivamente, o valor da turbidez foi de 1,47 NTU e 3,55% de teor de sólidos no lodo adensado. A outra dosagem apresentou valor de turbidez de 3,70 NTU e 4,73% de teor de sólidos, os valores de F e e F c foram, respectivamente, 7,49 e 37,41 cm/min. Estação de Tratamento 4 Decantador Laminar Para o polímero 2 a turbidez residual do sobrenadante ficou compreendida entre 0,84 e 4,58 NTU, sendo que este último valor ficou muito acima da média que foi de 1,65 NTU. Os sobrenadantes de resíduos condicionados com polímero 5 apresentaram valores de turbidez que foram de 11,11 a 2,25 NTU. Referindo-se ao teor de sólido do lodo adensado os valores encontrados foram muito próximos para os ensaios realizados nos cones Imhoff assim como para aqueles feitos nas colunas de sedimentação, sendo a média dos valores de 1,27%. Quando o polímero foi dosado a 2 mg/g SST, os lodos condicionados com os produtos 1, 2 e 3 obtiveram os maiores valores para o fator de clarificação, isto é, 37,41 cm/min. Combinando este parâmetro com o fator de espessamento, apenas os polímeros 1 e 3 se mostraram com bom desempenho, com valores de F e de 2,34 e 2,67 cm/min, respectivamente. Para as análises feitas com dosagem de 4 mg/g SST todos os polímeros testados resultaram em 5

6 elevados valores de F c, de 37,41 cm/min. Quando combinados com os valores de F e os melhores condicionadores foram 3 e 4, respectivamente, iguais a 2,67 e 2,88 cm/min. Quando os quatro parâmetros foram combinados para se determinar qual seriam os dois polímeros escolhidos a serem utilizados na próxima fase, foi observado que os resíduos condicionados com os polímeros 2 e 5, mostraram um desempenho não muito inferior aos condicionadores 3 e 4, no tocante ao valor de F e. Todavia, estes tiveram um desempenho muito ruim no parâmetro turbidez, quando comparado com aqueles. Os polímeros 3 e 4 apresentaram valores de turbidez do sobrenadante, em torno de 6 a 7 vezes maiores que os condicionadores 2 e 5. Diante disto, os polímeros 2 e 5, catiônicos, foram os mais apropriados para os ensaios de adensamento nas colunas de sedimentação. Como o polímero 2 apresentou resultados melhores se comparado com o condicionador 5, este foi substituído pelo polímero 4, que mesmo não conseguindo bons valores na turbidez do sobrenadante (da ordem de 4,7 NTU), teve um desempenho melhor quando comparado com o polímero 3. Para a determinação das condições ótimas de adensamento, verificou-se que para o polímero 2, 60s de mistura produziu sobrenadante com valor de turbidez de 0,37 NTU e 15s de agitação gerou lodo adensado com teor de sólidos de 1,45%. Analisando agora o polímero 4. 45s de mistura produziu sobrenadante com 0,75 NTU de turbidez e 15s de mistura foram suficientes para originar sedimento com teor de 1,2% de sólidos. Definido os valores de F c e F e, concluiu-se que os maiores valores destes foram conseguidos com 15s de agitação para ambos polímeros investigados. O valor de Fc para o polímero 2 foi de 12,47 cm/min e para o polímero 4 foi de 37,41 cm/min. Já o fator de espessamento foi de 1,25 cm/min para o produto 2 e de 1,63 cm/min para o 4. Sendo assim, de acordo com os resultados encontrados, para a ETA 4, 15s revelou ser o melhor tempo de agitação para o adensamento por gravidade. A melhor dosagem encontrada foi de 3mg/g SST para o polímero 4, que obteve 1,97 e 37,41 cm/min para F e e F c, respectivamente, 1,11 NTU como valor da turbidez e 1,95% de teor de sólidos no lodo adensado. Para o polímero 2 os resultados não foram conclusivos. CONCLUSÃO Dos polímeros testados, o que acarretou melhores resultados foi do tipo aniônico, de alto peso molecular e alta densidade de carga. A dosagem ótima obtida foi de 1 mg/g SST e tempo de mistura de 30 segundos para o lodo de decantador convencional e de 3 mg/g SST e tempo de mistura de 15 segundos para o lodo de decantador laminar. Este estudo teve como objeto o lodo gerado em duas ETAs de ciclo completo, situadas lado a lado, recebendo a mesma água coagulada, uma porém com decantadores do tipo convencional e a outra do tipo laminar ou de alta taxa. No período de amostragem (chuva) o lodo gerado no decantador convencional apresentou teor de sólidos mais elevado e requereu menores dosagens de polímeros para o seu adensamento por gravidade em relação ao lodo gerado no decantador laminar. Esses lodos assim adensados, nas suas respectivas condições ótimas, são objeto de um estudo em andamento na UNICAMP quanto à desidratação por centrífuga. Agradecimentos À Direção e ao Corpo Técnico da Sociedade de Abastecimento de água e Saneamento/SA SANASA, pela autorização e auxílio, respectivamente, na coleta de amostras de lodo para a execução dos ensaios e; À FAPESP. pela concessão da bolsa de pesquisa que viabilizou a execução deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA / ASCE / AWWA Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, Nova Iorque. edição 19,1995. CORDEIRO, J. S. Importância do tratamento e disposição adequada dos lodos de ETAs. In: Noções Gerais de Tratamento e Disposição Final de Lodos de Estações de Tratamento de Água. Rio de Janeiro p O CONNOR, J.T. Management of water treatment plant residues. In: Water Quality and Treatment. 3 ed., p REALI, M. A. P. Principais características quantitativas e qualitativas do lodo de ETAs. In: Noções Gerais de Tratamento e Disposição Final de Lodos de Estações de Tratamento de Água. Rio de Janeiro p REALI, M. A. P.; PATRIZZI, L. J. Espessamento de lodos de ETAs. In: Noções Gerais de Tratamento e Disposição Final de Lodos de Estações de Tratamento de Água. Rio de Janeiro p

7 VESILIND, P. A. The role of water in sludge dewatering. Water Environment Research, v. 66, n. 1, p. 4-11, jan./fev YUZHU, W. Condicionamento de lodo de estação de tratamento de água: estudo de caso v. Dissertação (Mestrado em Engenharia Hidráulica e Sanitária) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, p