II-154 PROCESSO ELETROLÍTICO APLICADO AO POLIMENTO DE EFLUENTE DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO

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1 II-154 PROCESSO ELETROLÍTICO APLICADO AO POLIMENTO DE EFLUENTE DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO Wesley Garieli de Souza Engenheiro Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (22) Aluno de Mestrado do Programa de Pós Graduação em Engenharia Amiental UFES. Letícia Silveira Cruz Bióloga pela Escola Superior São Francisco de Assis ESFA (23) Aluna de Mestrado do Programa de Pós Graduação em Engenharia Amiental UFES. Regina de Pinho Keller Bióloga pela Universidade Estadual do Rio de Janeiro. Mestre em Bioquímica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro. Doutora em Microiologia com especialização em Virologia pela Universidade Paris VII, França. Profª. Visitante do Programa de Pós Graduação em Engenharia Amiental UFES. Sérvio Túlio Alves Cassini Biólogo pela Universidade Federal de Minas Gerais (1975). PhD em Microiologia pela Universidade Estadual da Carolina do Norte (NCSU) EUA (1988). Pós-Doutorado em Microiologia Amiental pela Universidade do Tennessee EUA Prof. Adjunto do DEA e do Programa de Pós Graduação em Engenharia Amiental UFES. Ricardo Franci Gonçalves (1) Engenheiro Civil e Sanitarista pela Universidade Estadual do Rio de Janeiro (1984). Pós-graduado em Engenharia de Saúde Púlica - ENSP/RJ (1985). DEA - Ciências do Meio Amiente - Universidade Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (199). Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Água INSA de Toulouse, França (1993). Prof. Adjunto do DEA e do Programa de Pós Graduação em Engenharia Amiental UFES. Endereço (1) : Av. Fernando Ferrari, s/n Goiaeiras Vitória ES Brasil - CEP.: Caixa Postal: franci@npd.ufes.r - Telefax.: (27) / Tel: (27) RESUMO Emora as lagoas de estalização apresentem eficiente remoção da matéria orgânica, constatou-se, ao longo dos anos, que a pequena eficiência na remoção de nutrientes e sólidos em suspensão pode ser um fator crítico caso o corpo receptor seja sensível à eutrofização, e sugere a revisão desse tipo de tecnologia. Como alternativa para se corrgir o prolema, o processo eletrolítico pode constituir uma alternativa interessante, devido à ocorrência simultânea dos processos de coagulação, floculação, flotação e sedimentação, além de facilitar a automação da unidade de tratamento. Com o ojetivo de avaliar a viailidade técnico-econômica da implantação do polimento eletrolítico do efluente de lagoas, foram conduzidos testes em células eletrolíticas de 2L operando em atelada, variando-se diversas configurações, tais como tipo de eletrodo (Fe ou Al), espaçamento entre eletrodos (1,5cm; 2,3cm e 3,cm) e tensão aplicada (3V, 6V, 9V e 12V). Com ase na eficiência de remoção de turidez, no consumo de eletrodos e no consumo energético, foram determinadas configurações ótimas para eletrodos de Al e Fe. Oservou-se que as configurações ótimas para eletrodos de Al foram 4 eletrodos espaçados de 3 cm, tensão aplicada de 3V e TDH = 1 min, enquanto que para eletrodos de Fe foram 4 eletrodos espaçados de 3 cm, tensão aplicada de 6V e TDH = 25 min. Em amas as condições foram otidos efluentes com valores de turidez inferiores a 1 NTU e ph superior a 9, condição essencial à volatilização da amônia e precipitação de fosfatos. No tocante à produção de lodo nas configurações ótimas, em ml por litro tratado, foram oservados 5 ml/ (flotado) para eletrodos de Al; para eletrodos de Fe verificou-se 15 ml/l (flotado) e 132 ml/l (sedimentado). Apesar da elevada eficência na remoção de turidez, o processo eletrolítico revelou-se mais oneroso que o tratamento físicoquímico via adição de produtos químicos, podendo ser viável somente quando se usca realizar a remoção concomitante de poluentes específicos, tais como corantes e metais pesados. PALAVRAS-CHAVE: Processo Eletrolítico, Lagoas de Estailização, Remoção de Turidez

2 INTRODUÇÃO O tratamento de esgotos em nível adequado constitui condição essencial para mitigar o efeito do lançamento de dejetos em corpos receptores, evitando o comprometimento de um possível manancial de aastecimento de água para consumo humano. Nesse contexto, o tratamento por lagoas de estailização vem sendo amplamente empregado em nosso país desde os anos 7 por sua simplicidade, uma vez que não se oserva a necessidade de equipamentos caros e tampouco de pessoal especializado, sendo muito adequado onde o clima é favorável e os recursos são escassos (VON SPERLING, 1996). Apesar de apresentar-se como opção tecnológica viável quanto à remoção da matéria orgânica, constatou-se nos últimos anos que as lagoas facultativas apresentam pequena eficiência na remoção de nutrientes e sólidos em suspensão, representados pelas iomassas acteriana e algal, o que pode ser crítico caso o corpo receptor seja sensível à eutrofização, como lagos e estuários. Emora o polimento do efluente possa ser realizado por diversas vias, a única que promove a remoção efetiva do fósforo, nutriente limitante do processo de eutrofização, é a via físico-química (OLIVEIRA E GONÇALVES, 1999). O tratamento físico-químico de efluentes de lagoas geralmente envolve uma etapa de coagulação-floculação, seguida por decantação ou flotação (FRIEDMAN et al, 1977), que podem ser realizadas em unidades específicas, inseridas a jusante dos reatores iológicos ou dentro da própria lagoa. Suas principais vantagens são a excelente qualidade do efluente produzido e o aixo custo de implantação das unidades de tratamento. Segundo Aguilar et al. (21), a remoção de fósforo dos esgotos pela via físico-química deve-se principalmente à remoção de sólidos em suspensão que possuem fosfato incorporado, adsorção direta íons fosfato pelo íon metálico lierado pelo coagulante e formação de precipitados fosfatados com o sal metálico usado como coagulante. O mecanismo de remoção de fósforo por processo físico-químico pode ser resumido pela seguinte equação química: Me 3+ n H npo4 MePO4 + nh Dentre os processos físico-químicos, o processo eletrolítico apresenta-se como uma alternativa interessante, devido à possiilidade de ocorrência simultânea dos processos de coagulação, floculação, flotação e sedimentação, além de facilitar a automação da unidade de tratamento (WIENDL, 1998). Ademais, a evolução de olhas de gases gerados nos eletrodos promove ainda a eletroflotação, isto é, a ascensão dos flocos formados por eletrocoagulação. Uma vez que apresentam pequenas densidades, as microalgas poderão ser mais facilmente removidas por flotação que por decantação (DI BERNARDO, 1995). Baseado no simples efeito eletrolítico, ou seja, a quera de moléculas pela ação de corrente elétrica e campo elétrico (BOTARI, BRITO e CIAMPI, 22), o processo eletrolítico tem sido largamente aplicado na remoção diversos poluentes de efluentes domésticos e industriais, como metais pesados (BERTAZZOLI e LANZA, 2), surfactantes (CIORBA et al., 2), óleos e graxas (CHEN, CHEN E YUE, 2), compostos odorantes, sólidos dissolvidos (MOLLAH et al., 21), patógenos (RODRIGUES et al., 21), matéria orgânica (BEJANKIWAR, 22), nutrientes (VLYSSIDES et al., 22) e microalgas (DAE-CETESB, 1981; CAVALCANTI, LUCENA e WIENDL, 1997). Considerando que países em desenvolvimento necessitam de tecnologias amientais eficientes e economicamente viáveis, o presente traalho avaliou o desempenho de diversos reatores eletrolíticos operando em atelada no polimento do efluente de uma lagoa facultativa piloto, em termos de remoção de turidez, o que propiciou uma estimativa dos custos ásicos do tratamento e gerou susídios para discussões futuras acerca da viailidade de implementação do processo em escala real. MATERIAL E MÉTODOS A pesquisa foi desenvolvida em uma estação experimental de tratamento de esgotos localizada em Vitória-ES. O tratamento eletrolítico foi conduzido com o efluente de um reator simulando uma lagoa de estailização facultativa operando em atelada, cujo tempo de detenção hidráulico variou entre 15 e 45 dias. O reator consistiu de

3 recipiente de polietileno de cor ranca, com diâmetro de 54 cm, área de,229 m 2, altura de 87 cm e capacidade de 2 L, e foi alimentado com efluente anaeróio proveniente de um reator UASB. A condutividade desse efluente pouco variou ao longo do tempo de detenção, situando-se entre 11 e 12 μs/cm. O polimento eletrolítico foi avaliado em escala de ancada, em reatores de acrílico (11,5 x 11,5 x 21 cm) operando em atelada, conforme Figuras 1e 2. Uma fonte de corrente contínua garantiu o fornecimento da corrente aplicada às placas retangulares (11cm x 16 cm x 2 mm) que constituíram os eletrodos, por meio de ligações efetuadas com caos do tipo anana-jacaré. A leitura da intensidade de corrente foi tomada através de um multímetro conectado em série ao circuito de alimentação da célula eletrolítica. A diferença de potencial aplicada foi medida pelo medidor interno da própria fonte. O desgaste das placas em cada ensaio foi determinado por gravimetria. Figura 1 Célula eletrolítica Figura 2 Efluente eletrolítico Afim de garantir ocorrência da eletrocoagulação, foram utilizados eletrodos de alumínio e de ferro, uma vez que os sais desses metais são usualmente utilizados como coagulantes no tratamento terciário de esgotos em geral. A otimização das condições operacionais foi otida através da execução dos ensaios em protótipos com configurações diversas. Para cada tipo de material de eletrodo testado, foram aplicadas tensões elétricas de 3, 6, 9 e 12 V por períodos de 5, 1, 15, 2, 25 e 3 min. Os efeitos de diferentes afastamentos entre eletrodos foram tamém avaliados: 1,5 cm (3 pares de eletrodos); 2,3 cm (2 pares de eletrodos) e 3, cm (2 pares de eletrodos). Após a aplicação da corrente, o efluente foi sumetido a repouso de 1h, quando utilizados eletrodos de alumínio. Quando eletrodos de ferro eram utilizados, houve a necessidade de elevar esse tempo para 2h. A eficiência do tratamento foi determinada em termos do parâmetro turidez e o ph do efluente líquido foi controlado durante as eletrólises. Foi tamém estimada a produção de lodo de cada configuração avaliada. RESULTADOS E DISCUSSÃO A remoção de turidez para as diferentes condições operacionais de célula eletrolítica pode ser oservada através dos gráficos da Figura 3, referentes a ensaios com células eletrolíticas de configurações diversas.

4 a c d 3V 6V 9V ' e f Figura 3 Remoção de turidez para diversas configurações da célula eletrolítica (tipo de eletrodo espaçamento): (a) Al 1,5 cm; () Al 2,3 cm; (c) Al 3, cm; (d) Fe 1,5 cm; (e) Fe 2,3 cm; Fe 3, cm Oserva-se que, de maneira geral, o processo eletrolítico foi astante eficiente na remoção de algas suspensas, em termos de turidez, uma vez que valores de turidez inferiores a 1 NTU foram otidos em praticamente todas as configurações avaliadas. As configurações ótimas do reator eletrolítico para os dois tipos de eletrodos avaliados, isto é, aquelas que geraram efluentes com valores de turidez inferiores a 5 NTU, apresentando menor custo, encontram-se descritas na Taela 1. Em termos de densidade de corrente, foram aplicadas densidades de corrente iguais a 7,5 A/m 2 e 21 A/m 2 para as configurações ótimas de Al e Fe, respectivamente.

5 Taela 1 Configurações ótimas das células eletrolíticas Eletrodos de Al Eletrodos de Fe Número de Eletrodos 4 4 Espaçamento entre Eletrodos 3 cm 3 cm Tensão Aplicada ao Conjunto 3 V 6 V Tempo de Detenção 1 min 25 min Custo "A" - Eletricidade (*) R$,2 / m 3 R$,29 / m 3 Custo "B" - Desgaste dos Eletrodos (**) R$,2 / m 3 R$,56 / m 3 Custo Total - "A" + "B" R$,22 / m 3 R$,84 / m 3 (*) Considerando custo energético igual a R$,15/KW*h (**) Considerando custo com eletrodos igual a R$ 2,5 Kg Al e R$,75 Kg Fe Os gráficos da Figura 4 ilustram o consumo de eletrodo para as configurações ótimas das células eletrolíticas. Oserva-se que as massas lieradas dos anodos, sejam estes de Al ou Fe, são sempre maiores do que as massas teóricas calculadas palas leis de Faraday. Isto indica que além da dissolução por eletrólise ocorreu dissolução química dos anodos de alumínio e ferro. O fenômeno de dissolução química tamém provocou a perda de peso dos catodos, em concordância com os resultados otidos por Will (1999). Verifica-se que o aumento do potencial causou o aumento da dissolução de amos os tipos de eletrodo. Pode-se, ainda, constatar que a massa de ferro lierada foi maior que a de alumínio, uma vez que, para condições otimizadas, a corrente elétrica atuante na célula composta por eletrodos de Fe foi superior à célula composta por eletrodos de Al. Ademais, como o Fe apresenta massa atômica cerca de 2,5 vezes superior à massa atômica do Al, é de se esperar, à luz das leis de Faraday, que haja maior perda de massa quando este tipo de eletrodo é utilizado. a m teórica m anodo m anodo + catodo m teórica m anodo m anodo + catodo massa (mg) massa (mg) Figura 4 Perda de massa para os eletrodos das configurações ótimas das células eletrolíticas: (a) Al 3 cm 3 V; () Fe 3 cm 6V Os gráficos da Figura 5 ilustram a variação do ph do efluente eletrolítico em função do tempo de detenção. Podese oservar que, quando o efluente apresentou ph inicial próximo de 1, este se manteve aproximadamente constante ao longo do tempo de eletrólise. Para efluentes com ph inicial aaixo de 8, oserva-se elevação do mesmo durante o tratamento eletrolítico a valores superiores a 9. De acordo com Chen (23), quando o esgoto a ser tratado apresenta ph inicial ácido ou levemente alcalino, o aumento de ph ocorre devido à evolução catódica de gás hidrogênio, ou seja, ocorre redução da concentração de íons H +. A redução ou estailização do ph para afluentes alcalinos pode resultar da formação de precipitados hidróxidos com outros cátions, formando Al(OH) 4 -, de acordo com a seguinte equação: Al( OH ) + OH Al( OH ) 3 4

6 A elevação do ph é um fenômeno importante no contexto do tratamento eletrolítico, uma vez que valores superiore a 9 são condicionantes para a ocorrência dos principais processos de remoção de nitrogênio e fósforo, respectivamente volatilização da amônia e precipitação de fósforo solúvel. a ph 1, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,, ph 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2,, Figura 5 Evolução do ph do efluente das células eletrolíticas operando em condições ótimas: (a) Al 3 cm; () Fe 3 cm A Figura 6 apresenta a produção de lodo para as configurações ótimas para eletrodos de Fe e Al. Oservou-se produção superior quando eletrodos de ferro foram utilizados, devido à maior quantidade de material lierado dos eletrodos de ferro para as configurações ótimas das células eletrolíticas. Nessas condições, a produção para eletrodos de ferro foi de 15 ml/l (flotado) e 132 ml/l (sedimentado), enquanto que para eletrodos de alumínio houve produção de 5 ml/l de lodo flotado e não se oservou a formação de lodo sedimentado. O lodo proveniente do tratamento com eletrodos de alumínio apresentou, portanto, maior tendência à flotação que o lodo proveniente do tratamento com eletrodos de ferro, o que estar relacionado ao fato de o alumínio ser menos denso que o ferro Produção de lodo - Alumínio - 3V sedimentado flotado volume de lodo (ml/l) Produção de lodo - Ferro - 6V sedimentado flotado Figura 6 Produção de lodo para as configurações ótimas das células eletrolíticas: (a) Al 3 cm 3 V; () Fe 3 cm 6V. CONCLUSÕES Os resultados otidos indicaram que o processo eletrolítico, nas condições operacionais estudadas, é uma alternativa eficiente na remoção de microalgas do efluente de lagoas de estailização, visto que o efluente eletrolítico apresentou valores inferiores a 1 NTU na grande maioria das configurações analisadas. Tendo em vista que a turidez inicial média em todos os ensaios situou-se na faixa de 1 NTU, eficiências de remoção superiores a 9 % foram freqüentemente alcançadas.

7 Apesar da elevada eficiência verificada na remoção de turidez, sendo freqüentemente oservados valores inferiores a 1 NTU em poucos minutos de detenção para a maioria das condições operacionais avaliadas, cae ressaltar que os custos do processo foram astante superiores aos otidos por Gonçalves et al. (1999), que a partir de uma unidade físico-química de polimento composta por unidade de mistura rápida + floculador granular + decantador lamelar polindo efluente de lagoas de estailização, otiveram custo completo de R$,2/m 3 (valor atualizado). No entanto, o processo eletrolítico ainda poderá constituir-se em uma alternativa interessante de tratamento terciário quando se deseja realizara remoção de sólidos em suspensão, matéria orgânica e nutrientes simultâneamente à remoção de contaminantes específicos, tais como micropoluentes orgânicos, corantes e metais pesados. REFERÊNCIAS 1. APHA. Satandard Methodas for the Examination of Water And Wastewater. 19 th edition:. AWWA. WPC, BEJANKIWAR, R. S. Electrochemical treatment of cigarette industry wastewater: feasiility study. Water Research, v. 36, p , 22 Disponível em < Acesso em 15 mai BERTAZZOLI, R.; LANZA, M. R. V. Tratamento eletrolítico de efluentes aquosos: Remoção de íons de metais pesados. In: IX SIMPÓSIO LUSO-BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 2, Vitória. Anais eletrônicos. 4. BOTARI, A.; BRITO, C. R.; CIAMPI, M. M. Aplicação do tratamento eletrolítico a efluente petroquímico. Santos, 22. Disponível em < Acesso em 6 jun CHEN, G. Electrochemical Technologies in wastewater treatment. Separation Purification Technology, 23. Disponível em < Acesso em 15 maio CIORBA, G. A. et al. Correlation etween organic component and electrode material: consequences on removal of surfactants from wastewater. Electrochimica Acta, v. 46, p , 2. Disponível em < Acesso em 9 ar DAEE; CETESB. DTD Superintendência de Pesquisa. Processo físico-químico e iológico para o tratamento de águas residuárias: utilização de eletroflotação para remoção de algas de efluentes de lagoas de estailização aceleradas e para o tratamento de esgotos domésticos. São Paulo, p. 8. DI BERNARDO, L. Algas e suas influências na qualidade das águas e nas tecnologias de tratamento. Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Amiental, Rio de Janeiro: ABES, p 9. FRIEDMAN, A. A; PEAKS, D. A.; NICHOLS, R. L. Algae separation from oxidation pounds. Journal Water Pollution Control Federation, n. 1, p , GONÇALVES et al. Processo físio-químico compacto para readaptação de ETE s em lagoas de estailização inseridas em áreas sensíveis à eutrofização. In: XXII CONGRESSO INTERAMERICANO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, Anais eletrônicos. 11. MOLLAH, M. Y. A. et al. Electrocoagulation (EC) science and applications. Journal of Hazardous Materials, v. 84, p , 21. Disponível em < Acesso em 15 maio OLIVEIRA, F. F. e GONÇALVES, R. F. Principais tecnologias empregadas no polimento do efluente de lagoas de estailização. In: XX CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 1999, Rio de Janeiro. Anais eletrônicos. 13. RODRIGUES, M. C. et al. Tratamento eletrolítico de efluentes de reatores anaeróios. In: XXI CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 21, João Pessoa. Anais eletrônicos. 14. WILL, I. B. S.Tratamento de Efluentes da Indústria de Laticínios Utiliza.ndo o Processo Eletrolítico. Dissertação de Mestrado. Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais e Metalurgia da Pontífice Universidade Católica do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, WIENDL, W. G. Processos eletrolíticos no tratamento de esgotos sanitários. Rio de Janeiro: ABES, 1999.