ENSAIOS DE PRÉ-ADENSAMENTO EM BATELADA E SEMI- CONTÍNUO DE LODOS GERADOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA

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1 ENSAIOS DE PRÉ-ADENSAMENTO EM BATELADA E SEMI- CONTÍNUO DE LODOS GERADOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA Luiza Carla Girard Mendes Teixeira (1) Engenheira Civil pela Universidade Federal do Pará. Mestranda em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Professora e Coordenadora do Curso de Saneamento da Escola Técnica Federal do Pará. Sidney Seckler Ferreira Filho Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP. Professor Assistente Doutor do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em Regime de Dedicação Exclusiva à Docência e Pesquisa. FOTOGRAFIA NÃO DISPONÍVEL Endereço (1) : Av. Governador Magalhães Barata, 84 - apto Nazaré - Belém - PA - CEP: Brasil - Tel: (091) Fax: (091) girard.bel@zaz.com.br RESUMO A maioria das Estações de Tratamento de Água (ETA) no Brasil normalmente dispõe os resíduos gerados durante o processo diretamente em rios ou lagos. Essa prática pode causar uma série de danos as populações aquáticas e ao meio ambiente. O alumínio, principal substância usada como coagulante, pode causar toxicidade a diversas espécies de peixes, bactérias, algas e invertebrados. Procurando atender a necessidade de tratamento destes resíduos, faz-se necessária a investigação de tecnologias apropriadas para este fim. Este trabalho apresenta duas metodologias distintas visando a obtenção de parâmetros de projeto para o dimensionamento de adensadores por gravidade, tendo sido realizados ensaios experimentais de adensamento em batelada e semi-contínuos com o lodo gerado nos decantadores da Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (São Paulo), operada pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP). Dos estudos realizados concluiu-se que o ensaio em batelada é rápido e fornece uma boa indicação do tipo e da dosagem de polímero a ser utilizada. Já os ensaios semi-contínuos, apesar do custo mais elevado e do maior espaço físico requerido, simulam melhor o processo que ocorre em um adensador por gravidade e, devem ser sempre que possível, utilizados para a obtenção de parâmetros de projeto mais confiáveis. PALAVRAS-CHAVE: Adensamento, Tratamento de Água, Polímeros, Resíduos Sólidos. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1039

2 INTRODUÇÃO A operação unitária de adensamento é uma das mais importantes no processo de tratamento de lodos gerados em estações de tratamento de água (ETA s) e estações de tratamento de esgotos (ETE s). O adensamento é uma das primeiras unidades do tratamento, e tem por finalidade aumentar o teor de sólidos do lodo gerado. A redução de volume obtido pelo adensamento do lodo é de fundamental importância para as unidades de tratamento posteriores, especialmente a desidratação. O adensamento pode ser feito por gravidade, por flotação ou mecanicamente através de centrífugas ou filtros prensa de esteira ( belt-press ). Essas alternativas apresentam vantagens e desvantagens, e a sua seleção depende de estudo técnico e econômico. Sendo o adensamento por gravidade uma das alternativas de projeto, torna-se necessário realizar estudos para determinar as variáveis intervenientes na operação unitária e os valores de parâmetros de projeto adequados para o melhor desempenho desta unidade. A obtenção de parâmetros de projeto deve ser feita preferencialmente através de ensaios de adensamento para o lodo em estudo. OBJETIVO O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados experimentais de ensaios de adensamento por gravidade conduzidos em regime de operação em batelada e semicontínuo, tendo-se por propósito comparar ambas as metodologias no que diz respeito à obtenção de parâmetros para o dimensionamento de adensadores por gravidade. METODOLOGIA O lodo utilizado foi proveniente de decantadores da ETA do Alto da Boa Vista (ETA- ABV), operada pela Companhia de Saneamento do Estado de São Paulo - SABESP. A concepção do processo de tratamento de água realizado na estação é o convencional, com a aplicação de sulfato férrico clorado e cloreto férrico como coagulantes a uma dosagem de 18 a 22 mg/l dependendo da qualidade da água bruta. As principais características da água bruta estão apresentadas na Tabela 1. Tabela 1- Características da água bruta afluente a ETA-ABV. Parâmetro Unidade Valores médios (faixa de variação) ph - 6,70 (6,48-6,86) Turbidez UNT 4,0 (3,0-6,0) Cor aparente UC 30,0 (19-37) Alcalinidade Total mg/l CaCO 3 19,0 (15-29) Dureza Total mg/l CaCO 3 23,0 (20-33) Cálcio mg/l CaCO 3 22,0 Cloretos mg/l Cl - 16,0 Sólidos Dissolvidos Totais mg/l 75,0 Sólidos Dissolvidos Fixos mg/l 50,0 Cloro Residual Livre mg/l 1,5 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1040

3 Ensaio de adensamento em batelada Os ensaios foram conduzidos em coluna de adensamento com 1,00 m de altura e 17 cm de diâmetro, onde o lodo foi pré-condicionado com polímeros através da utilização de um agitador mecânico de palhetas (Figura 1). Tendo por propósito evitar comparações entre polímeros fabricados por diferentes fornecedores, todos os selecionados para a condução da investigação experimental foram solicitados de um único fabricante. Devido a grande variedade de polímeros fabricados e disponíveis no mercado nacional, escolheu-se a BETZDEARBORN como fornecedora principal. Estes foram selecionados de acordo com sugestões do fabricante, de tal forma a se obter variações no que diz respeito à carga e ao peso molecular. Assim sendo, foram testados polímeros catiônicos, aniônicos e não iônicos, de baixo, médio e alto peso molecular. Os polímeros escolhidos e suas características estão apresentados na Tabela 2. Tabela 2 - Características dos polímeros utilizados nos ensaios de adensamento. Fabricante: BETZDEARBORN. Nomenclatura Forma Carga Densidade de carga Peso molecular D140 Cristais Catiônico Baixa Alto D91 Emulsão Catiônico Alta Alto F52 Emulsão Não iônico - Médio F18 Emulsão Aniônico Baixa Alto F33 Emulsão Aniônico Média Alto O volume útil da coluna foi fixado em 20 litros, o que fez com que a altura do nível d água fosse de 88 cm. A coluna foi graduada com a utilização de uma trena metálica que foi fixada à sua superfície externa. Devido a necessidade de ser realizado pré-condicionamento do lodo em estudo foram testados cinco tipos de polímeros tendo-se aplicado em dosagens iguais a 1, 2, 4 e 6 g/kg. Para cada dosagem de polímero foram realizados ensaios variando-se o teor de sólidos do lodo na coluna. A faixa de variação do teor de sólidos compreendeu valores de 0,2% a 2%. Para teores de sólidos iniciais de lodo superiores a 1%, houve dificuldade em se proceder a mistura do lodo no interior da coluna com a solução de polímero uma vez que a solução de polímero foi injetada pela parte superior da coluna. Este procedimento não permitiu uma perfeita homogeneização ao longo da altura da coluna, sendo que os flocos formados na parte superior da coluna eram maiores do que aqueles formados na parte central e inferior. Foi feita uma tentativa de se injetar o polímero na parte central da coluna com o auxílio de uma mangueira de silicone, que ficava presa ao orifício situado na tampa da coluna. Quando o agitador era colocado em funcionamento, a mangueira se enroscava na sua haste, e não era possível inserir a solução de polímero no lodo. No intuito de minimizar este problema, sugere-se a utilização de uma mangueira de silicone que tenha origem no orifício da tampa de coluna e, cuja extremidade inferior 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1041

4 esteja localizada abaixo da metade da altura útil da coluna. Esta mangueira deverá ainda estar fixada às paredes internas da coluna. Foi adotado um valor médio do parâmetro G.T (gradiente de velocidade vezes tempo de mistura) igual a 3000, de modo a se evitar a quebra dos flocos previamente formados durante o pré-condicionamento, conforme reportado por FERREIRA FILHO (1997). Figura 1 - Esquema e dimensões da coluna e do agitador para os ensaios em batelada m 0.88 m 1 - Agitador mecânico de palhetas; 2 - Orifício para injeção da sol. de polímero; 3 - Registro para descarga de fundo; 4 - Coluna de acrílico; 5- Janela para inserir tacômetro ótico m Procedimento:! Ajustar a rotação com o auxílio de um tacômetro ótico;! Inserir, com o auxílio de uma seringa, o volume de polímero calculado de acordo com a dosagem desejada.! Imediatamente após a adição do polímero, deixar em mistura rápida por um tempo de um minuto.! Parar a agitação, ligar o cronômetro e anotar a posição da interface no cilindro a medida que esta desce, em intervalos de tempos regulares de 30 segundos, até que tenham decorrido dez minutos.! Retirar uma amostra de lodo do fundo da coluna para determinação do teor de sólidos totais. Ensaios de adensamento semi-contínuos Os ensaios de adensamento semi-contínuos foram executados em coluna de 2 metros de altura e 19 cm de diâmetro. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1042

5 A instalação montada era constituída de uma caixa d água com capacidade para 250 litros dotada de um agitador de palhetas, que se destinava ao preparo e homogeneização do lodo. Esse lodo era recalcado por uma bomba centrífuga (1 CV) até a coluna de adensamento. Ainda na linha de recalque era realizada a dosagem da solução de polímero, com o auxílio de uma bomba dosadora. O esquema da instalação montada está apresentada na Figura 3. Figura 3 - Instalação montada para a execução dos ensaios de adensamento semicontínuos. O valor máximo utilizado como parâmetro de projeto para a carga de sólidos aplicada ao adensador foi de 50 Kg/m 2.dia (KAWAMURA,1991). A AWWA (1996) cita valores médios de 20 Kg/m 2.dia. Por essa razão, as cargas de sólidos aplicadas à coluna situaramse entre 25 e 50 Kg/m 2.dia. O tipo e a dosagem de polímero utilizada foram baseados nos resultados dos ensaios de adensamento em batelada. O polímero que apresentou melhores resultados foi o D91 (catiônico) a uma dosagem de 2g/Kg. A vazão utilizada foi calculada a partir da carga de sólidos aplicada e foi de 1 litro/min. A instalação operou de forma semi-contínua, em ciclos de 60 minutos, sendo que os primeiros 15 minutos foram para o bombeamento do lodo até a coluna, e o tempo restante para o adensamento. Quando da montagem da instalação pretendia-se injetar a solução de polímero na tubulação de recalque da bomba centrífuga antes do registro de aferição de vazão. Durante os pré-testes realizados esta solução não mostrou-se adequada, uma vez que a bomba dosadora de polímero não conseguia injetar o polímero na tubulação de recalque, possivelmente pela grande carga hidráulica que o lodo adquiria após passar pela bomba 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1043

6 centrífuga. Pensou-se então em fazer a dosagem de polímero na tubulação de sucção da bomba. Essa segunda alternativa também não se mostrou adequada, já que não havia a formação de flocos na coluna, podendo ter ocorrida a ruptura dos flocos no rotor da bomba. A solução desse problema foi então obtida com a dosagem do polímero na tubulação de recalque após o registro de aferição de vazão. Houve uma grande dificuldade em manter constante a vazão de lodo. A vazão de trabalho de 1 litro/min era muita reduzida em relação a potência da bomba centrífuga (1CV). Assim, o registro de controle de vazão permanecia quase que totalmente fechado, e isso acarretava no aquecimento do rotor da bomba e, consequentemente, no lodo que era bombeado para a coluna. Este fato fazia com que a vazão diminuísse ao longo do ensaio, sendo necessária a sua constante correção, a qual era feita diretamente no registro de aferição de vazão. Recomenda-se que estudos futuros sejam realizados com bombas adequadas para a vazão de operação selecionada. Procedimento:! Despejar o volume de lodo calculado na caixa d água e preencher o restante do volume com água (o teor de sólidos no interior da caixa foi fixado entre 0,25% e 0,5%, que é aproximadamente o teor de sólidos do lodo descarregado pelo decantador);! Homogeneizar o lodo com o agitador e retirar uma amostra;! Aferir a vazão da bomba centrífuga com uma proveta e um cronômetro;! Aferir a bomba dosadora, de acordo com a dosagem de polímero desejada, com o auxílio de uma proveta e um cronômetro;! Ligar simultaneamente as duas bombas por um período de 15 minutos;! Anotar a descida da interface ao longo do tempo até que complete os 60 minutos;! Coletar amostras do sobrenadante e nos pontos ao longo do manto de lodo;! Efetuar um descarte no fundo da coluna, de tal modo que permaneça um manto de lodo de aproximadamente 40 cm no fundo da coluna.! Ligar novamente as bombas e repetir todo o procedimento. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS Todos os ensaios de pré-adensamento por gravidade em batelada foram realizados tendose utilizado todos os polímeros selecionados. Foram obtidas curvas de altura da interface sólido-líquido ao longo do tempo, e calculadas as equações de velocidades de sedimentação em zona para cada polímero e dosagem. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1044

7 Esses resultados forneceram uma boa indicação do tipo de polímero e dosagem mais adequados pré-condicionamento do lodo em estudo visando o seu adensamento por gravidade. O polímero que apresentou melhores resultados foi o D-91 (catiônico). Através destes ensaios foi possível a utilização do método proposto por COE E CLEVENGER (WPCF,1985; METCALF & EDDY,1995; AWWA,1991; MASINI, 1996), que fornece parâmetros de projeto (fluxo de sólidos limitante, teor de sólidos no lodo adensado, etc.) necessários para o dimensionamento do adensador por gravidade, sendo portanto de grande importância para o estudo do adensamento do lodo em análise. Uma vez obtida a velocidade de sedimentação em zona para diferentes teores de sólidos, foi possível a obtenção de parâmetros de projeto para o dimensionamento de adensadores por gravidade tendo-se utilizado a metodologia proposta por COE e CLEVENGER. A Figura 3 apresenta o fluxo de sólidos limitante em função do teor de sólidos no lodo adensado. Figura 3 - Fluxo de sólidos limitante em função da concentração de sólidos no lodo adensado - Polímero D91. FS (kg/m2.h) g/kg 50 2g/kg 45 4g/kg 40 6g/kg C U (m g /l) Esta Figura foi obtida variando-se o teor de sólidos no lodo adensado até o valor máximo de mg/l. Pode-se observar que, quando se pretende obter concentrações de sólidos mais elevadas no lodo adensado, mais restritivo é o valor do fluxo de sólidos limitante, ou seja, caso deseje-se um determinado teor de sólidos no lodo adensado, deve-se aplicar mais ou menos sólidos no adensador. O fluxo de sólidos limitante sofre também influência da dosagem de polímero utilizada. Para um mesmo teor de sólidos no lodo adensado, quanto maior a dosagem de polímero, maior será o teor de sólidos no fundo do adensador. A utilização do método de COE e CLEVENGER pressupõe a variação do teor de sólidos do lodo no interior da coluna, que na realidade pode ou não ser obtida. Para o lodo em estudo, de acordo com a Tabela 3, para teores de sólidos teóricos de 0,4 a 0,6% (aproximadamente o valor do lodo descarregado no decantador obtêm-se um teor de sólidos no fundo da coluna na faixa de 1 a 1,2%, atingindo um valor máximo de 1,6. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1045

8 Tabela 3 - Teores de sólidos do lodo no fundo da coluna de adensamento (T.S.F.C) após o término dos ensaios em batelada. Lodo pré-condicionado com o polímero D91. Dosagem 1g/Kg 2g/Kg 4g/Kg 6g/Kg T.S.T. 1 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 1,500 1,800 2,000 T.S.O. 2 0,227 0,572 0,817 1,086 1,269 1,452 1,681 1,979 2,072 T.S.F.C. 3 0,862 1,044 1,616 1,360 1,544 1,572 1,817 2,024 2,120 T.S.O. 0,281 0,572 0,838 1,113 1,292 1,486 1,737 2,085 2,297 T.S.F.C. 0,821 1,253 1,402 1,450 1,479 1,649 1,805 2,129 2,338 1 T.S.T. - Teor de sólidos teórico; 2 T.S.O - Teor de sólidos observado; 3 T.S.F.C. - Teor de sólidos no fundo da coluna de adensamento; T.S.O. 0,258 0,504 0,873 1,076 1,138 1,447 1,617 1,955 2,015 T.S.F.C. 0,722 0,966 1,110 1,228 1,290 1,545 1,681 2,009 2,148 T.S.O. 0,274 0,534 0,615 0,780 1,099 1,268 1,557 1,818 1,972 T.S.F.C. 0,966 1,050 0,811 0,955 1,206 1,429 1,646 1,932 2,026 Melhores resultados poderiam ter sido obtidos para um tempo de adensamento superior a 10 minutos. Para uma análise mais segura destes dados, as amostras de lodo deveriam ser retiradas da coluna com um tempo de permanência mais elevado do que o utilizado neste ensaio. Se as amostras fossem tomadas na coluna com um tempo de detenção próximo ao de um adensador por gravidade, em torno de 2 a 4 horas, o ensaio realizado simularia de forma mais adequada o comportamento do lodo no interior do adensador. No entanto, nos ensaios semi-contínuos, este comportamento não foi verificado. Teores de sólidos superiores a 1% só foram obtidos quando o lodo pré-condicionado permaneceu na coluna por intervalos de tempo superiores a 14 horas, para qualquer dosagem utilizada. A seguir estão apresentados alguns resultados típicos dos ensaios semi-contínuos. A Tabela 4 apresenta os resultados de teores de sólidos ao longo da coluna de adensamento para carga de sólidos aplicada de 50 Kg/m 2.dia e dosagem de polímero (D91) de 2 g/kg, sendo o ponto 1 situado no fundo da coluna. Tabela 4 - Teores de sólidos ao longo da coluna de adensamento para carga de sólidos aplicada de 50 Kg/m 2.dia e dosagem de polímero (D91) de 2 g/kg. Ensaio T.P.L.C. Teor de Sólidos ao Longo da Coluna de Adensamento *(h) Pt. 1 Pt. 2 Pt. 3 Pt. 4 Pt. 5 Pt. 6 Pt. 7 Pt. 8 Pt. 9 S ** 16 1,094 0,960 0,770 0,782 0,757 0,727 0, ,086 0,819 0,750 0,755 0,633 0,648 0,615 0,494 0,498 0, ,742 0,685 0,653 0,576 0,550 0,530 0,466 0,441 0,388 0,051 *** 60 1,129 1,018 0,919 0, ,090 0,602 0, , ,989 0,642 0, , ,629 0,485 0,316 0,441 0, * Tempo de permanência do lodo na coluna; ** Teores de sólidos na coluna preenchida com lodo 16 horas antes do ensaio 1; *** Teores de sólidos na coluna após 60 horas da realização do ensaio 2 e antes do ensaio o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1046

9 Na Figura 4 está apresentada a variação do teor de sólidos ao longo da altura da coluna, após o término do ensaio 1. Figura 4- Variação do teor de sólidos ao longo da coluna de adensamento. Dados provenientes do ensaio 1 (Tabela 4). Altura (m) 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, ,25 0,5 0,75 1 1,25 Teor de sólidos Através de uma análise dos resultados da Fase II (Tabela 4), pode-se observar que o teor de sólidos é máximo no fundo da coluna e decresce ao longo de sua altura. Este fato demonstra que as partículas formadoras do lodo da ETA em estudo são floculentas e, consequentemente, o lodo é compressível, uma vez que a sua concentração não é igual em toda a altura. Esse comportamento é evidenciado na Figura 3. Os resultados de teores de sólidos no fundo da coluna não sofreram grande mudança quando da variação da dosagem de polímero. Este fato pode estar relacionado com a dificuldade de controle da vazão, que deve ter prejudicado o controle da dosagem de polímero. Com estes resultados pode-se avaliar que o método proposto por COE e CLEVENGER pode ser utilizado para a obtenção de parâmetros de projeto, desde que sejam feitos prétestes em batelada de forma a determinar qual o máximo teor de sólidos atingido no fundo da coluna. Desta forma, a faixa de variação do teor de sólidos no interior da coluna assumirá este valor como máximo. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Em relação aos ensaios de adensamento em batelada, foi verificado que: São rápidos, necessitam de pouco espaço e fornecem uma boa indicação do tipo de polímero e dosagem a ser utilizado no pré-condicionamento do lodo. Têm a vantagem de serem rápidos, de necessitarem de pouco espaço e apenas alguns equipamentos e materiais (principalmente uma coluna de adensamento e um agitador mecânico) com custo reduzido. Através destes ensaios é possível a obtenção de parâmetros de projeto para o dimensionamento de adensadores por gravidade de acordo com o método proposto por COE E CLEVENGER (WPCF,1985; METCALF & EDDY,1995 ; AWWA,1991; 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1047

10 MASINI, 1996). No entanto, o método deve ser modificado levando em conta a capacidade de adensamento do lodo. Para minimizar o problema de homogeneização deficiente, sugere-se a utilização de uma mangueira de silicone que tenha origem no orifício de injeção de polímero e sua extremidade inferior esteja localizada abaixo da metade da altura útil da coluna. Esta mangueira deverá ficar aderida as paredes da coluna. Em relação aos ensaios de adensamento semi-contínuos, foi verificado que: As instalações montadas requerem um maior espaço físico e maiores custos de aquisição de equipamentos. Através da variação da carga de sólidos aplicada a coluna de adensamento é possível definir aquela que proporciona melhores resultados e que será usada para o dimensionamento do adensador. Representa de maneira mais próxima a realidade o processo que ocorre em um adensador por gravidade. AGRADECIMENTOS Agradecimentos ao Corpo Técnico da Companhia de Saneamento do Estado de São Paulo -SABESP pelo auxílio na montagem das instalações e na execução dos ensaios. Agradecimentos à BETZDEARBORN, pela cessão dos polímeros utilizados nos ensaios de pré-condicionamento. Agradecimentos à CAPES pela concessão da bolsa de pesquisa que viabilizou a execução deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. Water Quality and Treatment. 4.ed.New York, McGraw Hill, AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION; AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS; U. S. ENVIROMENTAL PROTECTION AGENCY.Manegement of Water Treatment Plant Residuals. American Society of Civil Engennering. New York, FERREIRA FILHO, S.S. Pré-condicionamento de lodos de estações de trataemnto de água visando o seu adensamento por gravidade. 19º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, pg Foz do Iguaçu, KAWAMURA, S. Integrated Design of Water Treatment Facilities. 658p. New York. John Wiley & Sons,Inc MASINI,E.A. Efeitos das dimensões de provetas no dimensionamento de espessadores. São Paulo, Tese. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 6. METCALF & EDDY. Water Engennering: Treatment, Disposal, reuse. 3 Ed. Mc Graw Hill, WATER POLLUTION CONTROL FEDERATION. Clarifier Design.USA. Lancaster Press, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1048