Concreto Leve produzido com Compósito Manufaturado à base de Lodo. de Estação de Tratamento de Água e Serragem de Madeira

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1 Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo XVI Audiência de Inovação Alternativas para a Reciclagem do Lodo de Estações de Tratamento de Água Concreto Leve produzido com Compósito Manufaturado à base de Lodo de Estação de Tratamento de Água e Serragem de Madeira Universidade de São Paulo Interunidades Ciência e Engenharia de Materiais Av. Trabalhador São Carlense, 400. Parque Arnold Schimidt São Carlos / São Paulo Francis Rodrigues de Souza (16) Universidade Federal de São Carlos Departamento de Engenharia Civil Rodovia Washington Luiz, Km 235 São Carlos / São Paulo Almir Sales (16) ramal 231

2 Introdução Escassez de água que hoje afeta 400 milhões de pessoas, afetará 4 bilhões de pessoas até USA Today, Nation, 1/26/2003. Todas as ETAs produzem resíduos durante o processo de purificação da água para o consumo humano. Os quais são compostos de Água, Matéria orgânica e inorgânica no estado sólido, líquido e gasoso. Water Research, 38 (2004) Os coagulantes utilizados durante o tratamento da água podem resultar em lodos ricos em Fe e/ou Al. Os lodos de estações de tratamento de água também podem conter outros metais pesados provenientes da água bruta ou de contaminantes da adição dos coagulantes. Chemosphere 68 (2007) No Brasil, ETAs geram seus resíduos nos decantadores e filtros e os lançam na mesma fonte de onde é retirada a água para o tratamento. RIMA / ABES / PROSAB (2001) cap. 5,

3 O hidróxido de alumínio presente no lodo de estação de tratamento de água é insolúvel e pode ser utilizado como coagulante no tratamento primário de esgoto. Water Research 39 (2005) Em um típico sistema primário de tratamento de esgoto, a eficiência na remoção dos sólidos suspensos e na demanda química de oxigênio é de aproximadamente 50% e 30% respectivamente. Mc-Graw Hill Book Company. Singapore, (1985) O Al presente no LETA pode ser recuperado por acidificação. A recuperação do alumínio por acidificação torna o lodo mais concentrado. O Al (III) recuperado pode ser utilizado para a remoção do fósforo no tratamento de efluentes domésticos, mas não pode ser reutilizado como um coagulante em estações de tratamento de água porque, em condições extremamente ácidas, a matéria orgânica coloidal e alguns metais pesados são recuperados juntos. Journal, American Water Works Association. Lancaster, Oct. 1992, v.64, n.10, p

4 Os resíduos de estação de tratamento de água podem ser substitutos efetivos e de baixo custo para os hidróxidos naturais de Fe e Al no tratamento de solos degradados pelo uso intensivo de pesticidas e fertilizantes. Environmental Pollution 146 (2007) O LETA pode ser utilizado na produção de tijolos, telhas e blocos cerâmicos, dependendo da temperatura de queima e da concentração da mistura. Cerâmica 52 (2006) O LETA também pode ser utilizado como material para o retardo de pega e aumento da trabalhabilidade de argamassas plásticas. Construction and Building Materials 21 (2007) Outra opção, é na produção de concreto de média resistência com substituição total da brita por RCD e substituição parcial da areia pelo lodo (5% em massa). Ambiente Construído, abr/jun 2004, v.4, n.2, p

5 Outro problema ambiental está relacionado à deposição irregular de resíduos de madeira. Aproximadamente 50% do volume original das toras tornam-se resíduos. Os resíduos de madeira quando depostos e misturados com outros resíduos são facilmente contaminados e dificilmente reciclados. São alternativas para reciclagem dos resíduos de madeira: Utilização destes resíduos na fabricação de painéis de madeira como MDF e aglomerados. BNDES Setorial. Rio de Janeiro n.6, p , set Produção de wood pellets que podem ser usados como combustíveis de caldeiras, fogões domésticos, etc. Biomass & Bioenergy 32 (2008) Produção de etanol celulósico. Oil and Gas Jounal, 2 Jun 2008, 106 (21), Produção de concreto leve de baixa condutividade térmica. Construction and Building Materials 21 (2007)

6 Objetivos Desenvolver um compósito à base de LETA e serragem de madeira. Tornar o compósito uma opção para a substituição da pedra britada natural em aplicações na construção civil. Diminuir o impacto ambiental causado pela deposição irregular destes resíduos.

7 Procedimento Experimental Inicialmente foram determinadas as propriedades físico-químicas dos lodos das Estações de Tratamento de Água de Araraquara, São Carlos e Rio Claro. O lodo escolhido para a produção do compósito foi coletado na ETA de São Carlos no dia de limpeza de um de seus decantadores. A ETA de São Carlos trata atualmente 650 l/s de água bruta em sistema convencional e usa sulfato de alumínio como coagulante. O lodo da ETA de São Carlos é depositado de forma irregular no Córrego Monjolinho. A limpeza de cada decantador é trimestral e dura aproximadamente 4 horas.

8 Figura 1 - A ETA de São Carlos.

9 Figura 2 Deposição irregular no Córrego Monjolinho.

10 Figura 3 Momento de coleta do lodo.

11 Figura 4 Entrada dos funcionários no interior do decantador com jatos de água para forçar o escoamento do lodo.

12 Figura 5 Leito de drenagem de manta geotêxtil.

13 Tabela 1 Características das Mantas Geotêxteis Características Unidades OP-15 OP-20 OP-50 OP-60 Espessura Mm 1,5 2,0 4,1 4,5 Densidade Superficial g/m Porosidade % > 90 > 90 > 90 > 90 Permeabilidade normal cm/s 3 x x x x 10-1 Abertura µm Peso Kg/m 2 0,15 0,20 0,50 0,40

14 Tabela 2 Características da Água Drenada ETA São Carlos Manta OP-60 Lodo bruto Água drenada Concentração sólidos (%) Sólidos totais (mg/l) Cor (uc) Turbidez (ut) Sólidos totais (mg/l) 1, , ,

15 Figura 6 Lodo seco em estufa a temperatura de 105 ± 05 o C.

16 Figura 7 Moedor de agregados graúdos.

17 Figura 8 Lodo seco e moído.

18 Figura 9 Serragem de madeira do gênero Pinus, seca a temperatura ambiente (dimensão máxima 3,64 mm).

19 Figura 10 Dosagem dos materiais e produção do compósito. Relação em massa Serragem:Lodo:Água (1:6:4,5)

20 Figura 11 Compósito de forma arredondada e dimensão 12 ± 2 mm.

21 Figura 12 Compósitos imersos por 1 min em óleo de linhaça.

22 Figura 13 Os materiais utilizados na produção do concreto.

23 Figura 14 Mistura dos materiais em betoneira.

24 Figura 15 Determinação da consistência e trabalhabilidade do concreto pelo processo de abatimento do tronco de cone. ABNT / NBR 7223 Concreto: Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone.

25 Figura 16 Preparo de corpos de prova cilíndricos e adensamento do concreto com vibrador mecânico. ABNT / NBR Moldagem e cura de corpos de prova cilíndricos ou prismáticos de concreto.

26 Figura 17 Determinação da resistência à compressão áxial. ABNT / NBR 5739 Concreto: Ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos

27 Figura 18 Determinação da resistência à tração por compressão diamentral. ABNT / NBR 7222 Concreto: Determinação da resistência a tração por compressão diametral.

28 Figura 18 Determinação do módulo de elasticidade e deformação. ABNT / NBR 8522 Concreto: Determinação dos módulos de elasticidade e deformação.

29 Figura 19 Determinação da absorção de água, massa específica e índice de vazios. ABNT / NBR 9778 Concreto: Determinação da massa específica, absorção de água e índice de vazios.

30 Figura 20 Determinação das propriedades térmicas pelo método do fio quente paralelo. SANTOS W. N. (2002) Método do fio quente. Cerâmica 48 (306) Abr/Mai/Jun 86-91

31 Figura 21 Seção de um corpo de prova cilíndrico utilizada para micrografica óptica

32 Resultados Na Estação de Tratamento de Água de Araraquara, o lodo é removido até três vezes ao dia. Na Estação de Tratamento de Água de Rio Claro e na Estação de Tratamento Água de São Carlos, a remoção do lodo é trimestral. Quanto maior o acúmulo de lodo nos tanques de decantação, maior será a concentração de metais no resíduo e, conseqüentemente, maior será o impacto ambiental causado pela deposição irregular do mesmo.

33 Tabela 3 Propriedades físico-químicas do lodo das Estações de Tratamento de Água de Araraquara, São Carlos e Rio Claro. Physicochemical characteristics of sludge Concentration of solid (%) ph Color (uc) Turbidity (ut) Chemical oxigen demand (mg/l) Sludge from the water treatment plants in the Araraquara Rio Claro São Carlos , ,450 4,800 Total solids (mg/l) 1,620 57,400 58,630 Suspended solids (mg/l) ,330 26,520 Dissolved solids (mg/l) ,070 32,110 Aluminum (mg/l) ,100 Zinc (mg/l) Lead (mg/l) Cadmium (mg/l)

34 Tabela 4 Análise comparativa das propriedades do compósito e da pedra britada 1. Propriedades Relação serragem:lodo:água (kg) Forma geométrica Massa específica (kg/dm 3 ) Dimensão máxima característica (mm) Massa unitária no estado seco e solto (kg/m 3 ) Absorção de água (%) Agregado Graúdo Compósito Pedra britada 1 1:6:4,5 _ Arredondada Angulosa 1,82 2, ,12 De acordo com o método ASTM C 330 [33], os agregados leves graúdos não devem ter massa unitária no estado seco e solto maior do que 880 Kg/m3.

35 Tabela 5 Análise comparativa dos valores médios das propriedades físicas e mecânicas dos concretos estudados. Propriedades Relação em massa cimento : areia : agregado graúdo : água Slump test (mm) Massa específica real (Kg/m 3 ) Massa específica aparente (Kg/m 3 ) Absorção de água (%) Índice de vazios (%) Resistência à compressão (MPa) Módulo de elasticidade (GPa) Módulo de deformação secante à tensão de ruptura (GPa) Resistência à tração (MPa) Concreto com o Compósito 1:2,5:0,67:0,6 70 ± ,8 16,2 11,1 15,9 9,9 1,2 Concreto Referência 1:4,8:5,8:0,8 40 ± ,1 12,1 20,9 27,9 7,3 2,2

36 Figura 23 Comportamento Tensão x Deformação dos concretos em estudo Tensão (MPa) Deformação (µε) Concreto Referência Concreto Produzido com o Compósito

37 Figura 23 Superfície de ruptura do concreto produzido com o compósito.

38 Figura 24 Micrografica óptica (400x) da área de transição compósito / argamassa matriz.

39 Conclusões O compósito produzido a base de lodo de estação de tratamento de água e serragem de madeira pode ser aplicado em concreto como agregado graúdo de peso leve. O concreto produzido com o compósito apresentou massa específica aparente de Kg/m3 e resistência a compressão axial média de 11,1 MPa, caracterizando-se como concreto não estrutural de peso leve. A alta porosidade e o potencial de absorção de água do compósito exigiram elevada quantidade de água para o amassamento do concreto.

40 O concreto apresentaria melhores propriedades mecânicas com um compósito de maior resistência a compressão, menor potencial de absorção de água, menor dimensão e maior variabilidade granulométrica. O compósito apresentou boa aderência à matriz de argamassa e fissurou junto com esta durante a ruptura do concreto submetido a compressão e a tração por compressão diametral. Uma maior impermeabilização do compósito pode ser conseguida com o aumento do tempo de imersão do compósito no óleo de linhaça e com o aumento da pressão mecânica utilizada no seu processo de produção.

41 O concreto produzido com o compósito apresentou propriedades mecânicas adequadas à aplicação em elementos construtivos não estruturais. Esta pesquisa se caracteriza como um estudo pioneiro para o uso destes dois resíduos na produção de um compósito a base de estação de tratamento de água e serragem de madeira para aplicação como agregado graúdo na produção de concreto leve.

42 Agradecimentos Os autores agradecem: As instituições brasileiras, CAPES, MCT/CNPQ, USP e UFSCar, pelo suporte dado durante a pesquisa. A SABESP pelo convite e oportunidade de divulgação do trabalho científico e tecnológico. A todos os presentes. Muito Obrigado.