I PROBLEMÁTICA DOS METAIS NOS RESÍDUOS GERADOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA

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1 I-65 - PROBLEMÁTICA DOS METAIS NOS RESÍDUOS GERADOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA Marcelo Melo Barroso (1) Engenheiro Civil pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais/ PUC-MG. Mestrando em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Dr. João Sérgio Cordeiro Eng. Civil/Doutor em Hidráulica e Saneamento. Prof. do Departamento de Engenharia Civil da UFSCar. Prof. convidado do Programa de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP. Diretor Financeiro da ABENGE. Coordenador do Comitê de Ensino, Pesquisa e Desenvolvimento da ABES Nacional FOTO NÃO DISPONIVEL Endereço (1) : Av. dos Trabalhadores São-Carlenses, 4 - Centro - São Carlos - SP - CEP: Brasil - Tel:(16) mbarroso@sc.usp.br RESUMO O crescente aumento da demanda de água potável e por conseqüência dos resíduos gerados durante a sua produção, tem levado a indústria da água no Brasil, representado por aproximadamente 75 ETAs, a deparar-se com dispendiosos ônus técnicos, financeiros e administrativos no gerenciamento destes resíduos. O potencial tóxico dos resíduos de estações de tratamento de água, para o homem e meio ambiente, dependerá principalmente do teor de metais presente, além da composição (plâncton, microrganismos, sais diversos etc.), características físico-químicas e das condições em que estes resíduos são dispostos. Entretanto pouco se conhece e é praticamente inexistente, no Brasil estudos quanto a dinâmica, forma e concentração dos metais nas diversas etapas do tratamento de água, e em particular nos resíduos gerados. O presente trabalho consiste de uma avaliação preliminar da presença dos metais Al, Cu, Cr, Fe, Mn, Cd, Ni, Zn e Pb em uma estação de tratamento de água de ciclo completo, com destaque para seus resíduos. A sistemática adotada enfatizou a avaliação dos mecanismos de transportes, forma e concentração destes metais em cada etapa do tratamento (água bruta, coagulação/floculação, decantação, filtração e estabilização final da água tratada) de forma que se permita, ao curso de trabalhos mais aprofundados, inferir medidas para minimização, reutilização, reciclagem e disposição dos resíduos gerados em estações de tratamento de água. PALAVRAS-CHAVE: Indústria, Estação de tratamento, Metais, Água, Resíduos, Lodo. INTRODUÇÃO Mundialmente, em particular no Brasil, faz-se necessário cada vez mais aumentar o volume de água potável produzido e compatibilizar estações de tratamento de água já instaladas com a qualidade de água dos mananciais que, em contrapartida vêem sofrendo intensa degradação. Essa contradição resulta da visão pontual que historicamente conduziu a indústria da água no Brasil, acarretando num dispendioso ônus administrativo e financeiro passível de redução por ações implementadas a partir de uma visão holística. No Brasil a indústria da água é representada por aproximadamente 75 estações de tratamento de água de abastecimento completas (PARSEKIAN,1998), nessa indústria a matéria prima (água bruta) recebe produtos químicos (coagulantes, cal, cloro etc.) e através de operações e processos se transforma em água potabilizada.inevitavelmente, como em todo processo industrial de transformação da matéria prima, há geração de resíduos (nos decantadores, água de lavagem dos filtros e lavagem da casa de química), muitas vezes tóxicos ao homem e ao meio ambiente, devido à presença de metais. Contudo somente nos últimos anos o tratamento e disposição desses resíduos, têm recebido a devida atenção. ABES Trabalhos Técnicos 1

2 OBJETIVO O propósito deste trabalho é apresentar e discutir sistematicamente a presença dos metais em uma estação de tratamento de água, com destaque para seus resíduos. É apresentado o atual estágio de conhecimento, aspectos relevantes e a situação deste problema no Brasil e no mundo. ANÁLISE DO PROBLEMA As águas superficiais utilizadas como mananciais estão sujeitas à contaminação (p.e metais) por formas naturais, decorrentes da ação da água sobre as rochas e por ações antrópicas, tais como: aplicação de fertilizantes, pesticidas, lançamento de efluentes domésticos e industriais e, descarga de águas pluviais urbanas urban runoff. Deve-se ressaltar que essas descargas de águas pluviais urbanas são consideradas atualmente uma das maiores fontes de metais pesados para as águas superficiais (DAVIS & BURNS, 1999). Ao efetuarmos o tratamento de água essas substâncias, destacadamente os metais, poderão estar presentes de forma concentrada nos seus resíduos gerados e até mesmo, apresentar níveis residuais elevados na água tratada dependendo das condições operacionais e, dosagem e qualidade de produtos químicos utilizados. O potencial tóxico dos resíduos de estações de tratamento de água para o homem, plantas e organismos aquáticos é ou deveria ser de interesse das agências regulamentadoras e da indústria da água. A extensão na qual esses resíduos impactam o meio ambiente e as mais diversas formas de vida dependerá de suas características físico-químicas e das condições como este é disposto. A produção de sólidos e de metais (dissolvidos, adsorvidos à fase sólida, complexados etc.) em uma ETA se dá em função; das características da água afluente, da qualidade, tipo e dosagem de coagulante e de outros produtos químicos, ph de coagulação e o tipo de tecnologia de tratamento (operações e processos). Na composição desses resíduos pode-se encontrar plâncton, metais, sais diversos, e microrganismos entre outras substâncias orgânicas e inorgânicas. Os metais, e em especial o alumínio, exercem papel de destaque face às suas potenciais ações tóxicas, além de seus possíveis efeitos positivos e negativos nas técnicas de tratamento, disposição e reutilização desses resíduos. Entretanto pouco se conhece e são praticamente inexistentes no Brasil estudos quanto ao caminhamento, forma e concentração dos metais nas diversas etapas do tratamento de água. Além da presença desses contaminantes, contribuem com o potencial tóxico dos resíduos; as reações sofridas durante o processo; forma e tempo de retenção; as características físicas, químicas e biológicas do curso d água receptor das descargas de ETAs; e a introdução de metais presentes na composição e nas impurezas dos coagulantes primários e em outros produtos químicos empregados no tratamento da água. Muitas vezes os valores de concentração de metais presentes nos resíduos de ETAs estão acima do permitido pela legislação. A TABELA 1 apresenta as características dos resíduos de decantadores de três ETAs do estado de São Paulo e os respectivos parâmetros de lançamento estabelecidos pela Resolução CONAMA 2/86. 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 Tabela 1: Características dos resíduos de decantadores de diferentes ETAs do estado de São Paulo Parâmetros Unidade CONAMA 2/86 ETA São Carlos a ETA Rio Claro b ETA Araraquara c ph DQO mg/l sólidos ml/l sedimentáveis sólidos suspensos mg/l Alumínio mg/l Arsênio mg/l Cádmio mg/l ND Chumbo mg/l ND Cobalto mg/l Cobre mg/l Cromo VI mg/l *.86*.19* Cromo III mg/l 2 Ferro solúvel mg/l Mercúrio mg/l Molibdênio mg/l Níquel mg/l ND Prata mg/l Selênio mg/l Zinco mg/l *Cromo Total; Ferro Total; Manganês Total a: Lodo de decantador convencional, utiliza sulfato de alumínio como coagulante b: Lodo de decantador convencional, utiliza cloreto férrico como coagulante c: Lodo de decantador de alta taxa, utiliza cloreto férrico como coagulante (descarga periódica) Fonte: PROSAB (2) A química e toxicidade do alumínio são de grande importância na compreensão dos efeitos causados pelas descargas de resíduos de ETAs. DRISCOLL et al (1987) citam que em diversas pesquisas, níveis elevados de alumínio tem sido associados a várias doenças neurológicas, tais como mal de Alzheimers, demência présenil e outros. No entanto estas pesquisas sobre o alumínio ainda não são conclusivas. LAMB & BAILEY (1981) estudando os efeitos agudos e crônicos dos lodos de sulfato de alumínio em espécies que compõem a camada (significativa na alimentação de peixes) bentônica, verificaram que a taxa de mortalidade das espécies aumenta com o aumento das dosagens de lodo. Como agravante, as descargas de resíduos em corpos d água estacionários ou de baixa velocidade, podem desenvolver condições anaeróbias e promover a ressolubilização de metais presentes no solo e nos resíduos. Os efeitos sinergísticos, aditivos ou antagônicos entre os diversos metais, subprodutos de pesticidas, fertilizantes e outros compostos químicos encontrados nos resíduos de ETAs são complexos e ainda pouco conhecidos. Com relação à introdução de metais nos resíduos pela aplicação de produtos químicos no tratamento de água. Vale ainda ressaltar que a aplicação de coagulantes pode também influenciar na atividade mutagênica da água (contaminantes orgânicos), através da liberação de compostos mutagênicos pela interação de metais (cátions), principalmente Al 3+ e Fe 3+ com ácidos fúlvicos presentes na água (ZHANG, 2). METODOLOGIA O desenvolvimento do estudo da problemática dos metais nos resíduos gerados no tratamento de água foi centrado num estudo de caso considerando a produção de água tratada e conseqüente geração de resíduos em ABES Trabalhos Técnicos 3

4 uma estação de tratamento de água convencional de ciclo completo constando das etapas de coagulação, floculação, decantação convencional, filtração e desinfecção. Inicialmente caracterizou-se a estação de tratamento de água de São Carlos, fornecedora das amostras, quanto às características físicas, tecnologia de tratamento empregada, identificação do método e freqüência de limpeza dos decantadores e dos filtros e os produtos químicos utilizados Adicionalmente foi realizado levantamento histórico dos valores de vazão, de consumo de produtos químicos e por fim das características da água nas diversas etapas do tratamento de água. O TRABALHO DESENVOLVIDO FOI DIVIDIDO NAS SEGUINTES ETAPAS: I Determinação de metais e sólidos em ppm (mg/l), nas amostras de água bruta, floculada, decantada, filtrada, tratada e água de lavagem dos filtros, a fim de obter indicações de particularidades envolvidas na produção de metais e sólidos. Diante destas análises preliminares foi constatada a necessidade de melhoria da técnica analítica de determinação de metais em ppb (mg/ml), com uso de colunas de resina (resina catiônica fortemente ácida), a fim de confirmar indicações e tendências indicadas preliminarmente. II Coleta de amostras de resíduos gerados nos decantadores e filtros e caracterização físico-química, incluindo principalmente a determinação da fração dissolvida e partículada dos metais presentes nas amostras. III - Desenvolvimento do balanço de massa (metais-sólidos), avaliação e análise dos resultados. O locais de coleta de amostras foram definidos levando em consideração a inexistência de zonas mortas, correntes preferenciais e de qualquer outro tipo de perturbação hidráulica. e que representasse os pontos de adição de produtos químicos e de entrada e saída de cada etapa do tratamento, conforme demonstra a FIGURA 1. Figura 1: Diagrama esquemático dos pontos de coleta 1 Coagulante + Cal 2 3 Água Bruta Água Coagulada Água Floculada Mistura Rápida 4 Floculador 5 Produtos químicos 6 Água Decantada Água Filtrada Água Tratada Lodo Decantador Filtros As amostras de água foram caracterizados quanto aos parâmetros físico-químicos cor, turbidez, ph, sólidos totais e sólidos suspensos, segundo procedimentos estabelecidos pela APHA (1995). Inicialmente foi determinado à fração total dos metais Al, Zn, Pb, Cu, Cd, Cr, Mn, Fe e Ni. Posteriormente com o uso da coluna de troca iônica foram determinadas as frações dissolvidas e particuladas para os metais Zn, Pb, Cu, Cd, Cr, Mn, Fe e Ni. 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Todos os ensaios e análises foram efetuados nos laboratórios de Saneamento da UFSCar e de Instalações Hidráulico-Sanitários do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC USP Os metais Cu, Ni, Zn, Pb, Cd e Cr foram analisados utilizando espectrofotômetro de absorção atômica modelo Intralab AA 1275, localizado nas dependências do laboratório de saneamento da USP/São Carlos e para Alumínio foi utilizado o espectrofotômetro de absorção atômica Hach, modelo DR/21, nas dependências do laboratório de saneamento da UFSCar DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A ETA - São Carlos utiliza tratamento completo do tipo convencional (Coagulação/mistura rápida, Floculação, Decantação, Filtração, Fluoretação e estabilização final da água tratada) operando aproximadamente com vazão de 54 L/s. A unidade de tratamento consta 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. A realização do levantamento histórico permitiu caracterizar a operação da ETA e a variação das características da água da água bruta ao longo de um ano. A FIGURA 1 apresenta, como já esperado, a relação direta entre a qualidade de água e o consumo de coagulante. A FIGURA 2 demonstra a variação anual de consumo de coagulante por volume de água tratada. 16, Sulfato de alumínio-1% (L/min) 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2, ,, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, Turbidez (ut) Figura 1 Variação do consumo de coagulante em função da turbidez da água bruta ABES Trabalhos Técnicos 5

6 ,7 Sulfato de alumínio-1% (L)/vazão de água tratada (m 3 ),6, (L/m 3 ),4,3,2,1 Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembr Outubro Novembr Dezembr Figura 2 Variação anual de consumo de coagulante por volume de água tratada Mês Figura 3 - Presença de impurezas (metais) nos produtos químicos (mg/l) ,35 2,5 1,5,78,58,55,65,44,44,43,28,38,8,3,16,13,17,3 Sulfato de Alumínio Ortopolifosfato Cal Zn (mg/l) Pb (mg/l) Cd (mg/l) Ni (mg/l) Mn (mg/l) Cu (mg/l) Cr (mg/l) 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 ,6 Figura 4 - Caminhamento dos Metais - ETA/São Carlos (sem Al) (mg/l),5,4,3,2,1,48,46,42,4,25,18,18,13,8,9,1,5,5,3,2 I - Água Bruta III-Água Floculada IV - Água Decantada V - Água Filtrada VI - Água Tratada Etapas Zn Pb Cd Ni Fe Mn Cu Cr Foram realizadas análises dos produtos químicos utilizados no tratamento de água. Tais análises indicaram a presença de impurezas (metais), destacadamente Ni presente no ortopolifosfato, conforme observado na FIGURA 3. Numa avaliação preliminar foram verificados diferentes comportamentos para cada metal em estudo, que no entanto estão de acordo com a literatura levantada sobre o comportamento dos metais na água. A FIGURA 4 referente à coleta realizada no dia 4/7/ mostra o comportamento típico dos metais nas diversas etapas do tratamento de água. Nota-se que a despeito dos outros metais, a concentração de zinco aumenta após o decantador, indicando possível ressolubilização deste metal em função das condições anaeróbias e de baixos valores de ph 4-5 apresentadas no fundo dos decantadores. Contribui para isto a própria tendência do zinco em permanecer na forma solúvel (LESTER, 1987). Deve-se ressaltar que AWWARF & KIWA (199). desenvolvendo estudos sobre a remobilização e ressolubilização de metais nos lodos de ETAs sugeriram aumento na concentração dos metais Zn, Cd e Ni devido redução dos valores de ph. Por outro lado a remoção efetiva dos metais Pb, Mn e Fe principalmente no decantador confirmou a tendência que estes metais apresentam em permanecer adsorvidos ou complexados a fração particulada da água sujeitas a remoção por coagulação/sedimentação. Outro aspecto levantado refere-se a ocorrência repentina de níquel, mesmo a baixas concentrações. Tal ocorrência pode estar associada à presença de níquel no ortopolifosfato aplicado para estabilização final da água tratada. CONSIDERAÇÕES FINAIS As indicações obtidas neste estudo permitiram identificar preliminarmente o roteiro dos metais durante o tratamento de água e conseqüente contribuição na produção dos resíduos gerados em uma ETA convencional. Uma vez que estudos mais detalhados ainda estão em andamento e sendo realizados com utilização de coluna de troca iônica (coluna concentradora de metais). Contudo, vale salientar que há necessidade de desenvolvimento de mais pesquisas que confirme tais indicações. ABES Trabalhos Técnicos 7

8 Outro aspecto importante a ser levantado é a ação dos coagulantes (sais metálicos de Al e Fe) não só na geração de resíduos como também na qualidade final da água tratada conforme sugerem os estudos conduzidos por ZHANG (2). Deve-se ressaltar portanto que o conhecimento completo, sob a realidade brasileira, das propriedades e características físico-químicas, principalmente quanto aos metais, e mecanismos de geração dos resíduos pode contribuir para a redução na produção de resíduos assim como para a qualidade da água tratada, através de modificações implementadas desde a fase de concepção de projeto até a otimização operacional das ETAs. Possibilitando também avaliar as implicações decorrentes da recirculação da fração líquida obtida com a desidratação dos resíduos e da recuperação dos produtos químicos (metais). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: 1. AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION (1995). Standard Methods for The Examination of Water and Wastewater. 19.ed. Washington DC, USA. 2. AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS; AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION (1996). Technology Transfer Handbook: Management of Water Treatment Plant Residuals. New York. 294p. 3. AWWARF-AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION RESEARCH FOUDATION, KIWA- KEURINGSINSTITUUT VOOR WATERLEIDINGARTIKELEN. (199). Slib, Schlamm, Sludge. Denver, USA. 4. BRASIL. Leis (1986). Resolução CONAMA N.º 2 de 18 de junho de Classificação das águas doces, salobras e salinas do território nacional. 5. CORDEIRO, J.S. (1993). O Problema dos Lodos Gerados nos Decantadores em Estações de Tratamento de Água. São Carlos. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 6. 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. 7. DAVIS, A.P.; BURNS, M. (1999). Evaluation of lead concentration in runoff from painted structures. Water Research, v.33, n.13, pp DRISCOLL Jr. T. C; LETTERMAN D. R.; FITCH E. D. (1987). Residual Aluminum in Filtered Water. AWWARF, USA. 9. LAMB, D.S. & BAILEY, G. (1981). Acute and Chronic Effects of Alum to Midge Larva. Bull, Environ. Contam. Toxicol., 27: LESTER, J. N. (1987). Heavy metals in wastewater and sludge treatment processes. Vol (II). Treatment and disposal, Boca Ranton, Florida. CRC Press. 11. PARSEKIAN, M. P. S. (1998). Análise e proposta de formas de gerenciamento de estações de tratamento de águas de abastecimento completo em cidades de porte médio do estado de São Paulo. São Carlos. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 12. PROSAB (2). Gerenciamento de lodos de ETAs Remoção de água através de leitos de secagem e condisposição da fase sólida em matrizes de cimento e resíduos de construção civil. Relatório PROSAB 2 TEMA 4: Aproveitamento de lodo gerado em estações de tratamento de água e esgoto sanitários, inclusive com a utilização de técnicas consorciadas com resíduos sólidos urbanos. 13. ZHANG, G.; WANG, Z. (2). Mechanism study of the coagulant impact on mutagenic activity in water. Water Research, v.34, n. 6, p ABES Trabalhos Técnicos