V-Durante Ingunza-Brasil-1 USO DE LODO DE ETE COMO MATÉRIA PRIMA PARA FABRICAÇÃO DE TIJOLOS NA REGIÃO DE AÇU/RN/BRASIL

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1 V-Durante Ingunza-Brasil-1 USO DE LODO DE ETE COMO MATÉRIA PRIMA PARA FABRICAÇÃO DE TIJOLOS NA REGIÃO DE AÇU/RN/BRASIL Maria del Pílar Durante Ingunza (1) Geóloga pela UCM/Espanha. Mestre em Meio Ambiente pela UPM/Madrid/Espanha. Doutorado em Engenharia Sanitária e Ambiental pela UPM/Madrid/Espanha. Professora Adjunta da UFRN/Programa de Pós-graduação em Engenharia Sanitária. Juliana Delgado Tinôco Engenheira Civil pela Universidade Potiguar/Natal - Rio Grande do Norte. Mestre em Engenharia Sanitária pela UFRN. Pesquisadora bolsista da UFRN/FINEP-CNPq. Rubens Maribondo do Nascimento Engenheiro Mecânico pela UFRN. Mestre em Engenharia Mecânica pela UFSC. Doutorado em Ciências e Engenharia dos Materiais pela UFSC/Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule/Aachen, R.W.T.H.A., Alemanha. Professor Adjunto da UFRN/Departamento de Engenharia Mecânica. André Luís Calado Araújo Engenheiro Civil pela UFPA. Mestre em Engenharia Sanitária pela UFPB. PhD em Engenharia de Saúde Pública pela University of Leeds. Professor do Centro Federal de Educação Tecnológica do Rio Grande do Norte CEFET/RN. Professor do Programa de Pós-graduação em Engenharia Sanitária da UFRN (PPGES-UFRN). Luiz Pereira de Brito Engenheiro Civil pela UFRN. Mestre em Engenharia Química pela UFPB. Doutor em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade Politécnica de Madrid. Pós-Doutor em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade Politécnica da Catalunya. Professor Adjunto IV do Departamento de Engenharia Civil da UFRN/Programa de Pós-graduação em Engenharia Sanitária. Andressa Dantas de Lima Técnica em construção civil/cefet/rn. Engenheira civil/ufrn. Mestranda do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Sanitária da UFRN Bolsista CAPES. Endereço (1) : Rua Luiz Bernardo e Silva, 10 - Residencial Jardim Cotovelo/Praia de Cotovelo - CEP: Parnamirim/RN - Fone/Fax: (84) / durante@ct.ufrn.br. RESUMO O presente trabalho se enquadra dentro da Rede de pesquisa 4 do PROSAB, sobre alternativas de uso de lodo, tendo como objetivo a fabricação de tijolos cerâmicos com incorporação de lodo como matéria prima. A pesquisa foi realizada, utilizando-se lodo procedente da ETE CAMPUS UFRN, localizada no Campus Central da Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, zona sul da Cidade de Natal - RN e argila oriunda do município de Açú/RN, a 206 Km da Capital. Foram realizados ensaios de resistência à compressão, absorção d água, retração linear e perda de massa ao fogo nos tijolos confeccionados em escala real (com adição de lodo) e em tijolos de referência. Os resultados dos ensaios laboratoriais demonstraram que a incorporação de lodo na massa padrão não afetou significativamente as características de absorção d água, retração linear, perda de massa e resistência mecânica. Os tijolos não apresentaram mudança na tonalidade com a introdução do lodo. PALAVRAS-CHAVE: Lodo, matéria-prima, Açu, tijolo, PROSAB. INTRODUÇÃO As estações de tratamento de esgoto (ETEs) geram em seu processo o lodo. O destino final desse resíduo é um problema para qualquer municipalidade. Regulamentos ambientais cada vez mais rigorosos e o crescimento industrial aumentaram as exigências de sua disposição. 1

2 Existem várias formas de disposição do lodo, mas a escolha de uma delas é sempre uma difícil tarefa. Algumas cidades resolvem os seus problemas incinerando o lodo após processos de secagem, mas restam as cinzas para dispor. Além disso, se não forem operados adequadamente, os incineradores podem lançar no ar poluentes indesejáveis. A disposição em aterros e em solos cultivados são os métodos de disposição de lodo mais utilizados (BARUZZO et. al., 2006). Em geral, a disposição no solo é o modo mais barato de dispor o lodo, seja como simples disposição superficial, utilizando o solo apenas como substrato para sua depuração; seja na forma benéfica, como reúso, aproveitando os nutrientes contidos neste resíduo para fertilizar o solo. Devido às várias restrições para disposição final do lodo, sejam ambientalmente ou economicamente, muitos países têm adotado outras formas de dispor este resíduo tão indesejado. Então, foram experimentados modos alternativos para reusar ou incorporar vários tipos de resíduos em recentes décadas, inclusive incorporação em materiais de construção. Entre eles, tem-se a incorporação na matéria prima da indústria cerâmica para confecção de tijolos. Para Liew et. al. (2004), materiais cerâmicos produzidos com argila, tais como tijolos e telhas, geralmente são muito heterogêneos porque eles consistem em argilas naturais com uma larga variedade de composição global. Por isto, tais materiais podem tolerar a presença de tipos diferentes de resíduos, até mesmo em porcentagens consideráveis. No estudo realizado por Liew et. al. (2004), o qual envolveu a reutilização do lodo de esgoto em tijolos cerâmicos, foi constatado que o lodo pode ser incorporado com sucesso em tijolos com adições de lodo seco variando de 10 a 40%. Com relação aos resultados de absorção de água, resistência à compressão e lixiviação de metais pesados, pôde-se concluir que a incorporação de lodo até 40% em tijolos garante diferentes propósitos para sua aplicação, em todos os casos, os tijolos poderiam ser utilizados para alvenaria de vedação sem função estrutural. Baruzzo et. al. (2006) também investigou a utilização de diferentes tipos de resíduos, incluindo o lodo de esgoto, em materiais cerâmicos e foi concluído que os resíduos são capazes de imobilizar a maioria dos elementos perigosos contidos inicialmente nesses materiais. Além disso, as propriedades mecânicas dos materiais obtidos mostraram-se aceitáveis. Para Moreira et. al. (2001) é possível utilizar lodos gerados por ETE de indústrias têxteis para a fabricação de materiais de construção (cerâmica vermelha), desde que se utilize proporção adequada de argila-lodo, bem como argilas de natureza adequada e aplicação de tratamento térmico apropriado. O desenvolvimento de um trabalho que verifique a possibilidade de utilização do lodo como matéria prima alternativa na indústria cerâmica é uma pesquisa, pois, plausível, devido aos resultados de pesquisas anteriores com a reutilização do lodo em materiais de construção ter sido satisfatórios. Pretende-se, com a incorporação do lodo de ETE na matéria prima da indústria de cerâmica vermelha, contribuir com o desenvolvimento de tecnologias para o destino final produtivo e sanitariamente seguro dos lodos gerados no setor do saneamento e minimizar os possíveis impactos relacionados com o uso do solo como fonte de matéria-prima da cerâmica. O uso de lodos procedentes de ETE como matéria prima cerâmica pode ser uma alternativa viável, tanto econômica como técnica, reduzindo custos ambientais relacionados com a disposição final desses materiais. Além disso, as operações inerentes à indústria cerâmica (fornos com altas temperaturas) fazem com que os riscos sanitários se reduzam ao mínimo. As indústrias cerâmicas do estado do Rio Grande do Norte RN, salvo algumas exceções, utilizam processos tradicionais de queima dos produtos, tendo a lenha como principal fonte de calor. Neste aspecto, pode-se considerar a atividade cerâmica como potencialmente poluidora, pela possibilidade de emitir para a atmosfera: fumaça, material particulado, monóxido de carbono e 2

3 outros contaminantes citados na Resolução nº 03/90 do CONAMA. Por outro lado, sabe-se que a queima da argila também é uma fonte de poluição atmosférica, principalmente pela emissão de fluoretos. Portanto, a incorporação do lodo como matéria prima da indústria cerâmica em baixas proporções, não altera significativamente os danos ambientais já existentes próprios desta atividade produtiva. Neste sentido, como objetivo geral, este trabalho busca desenvolver tecnologia produtiva e sanitariamente segura para uso de lodo de estações de tratamento de esgoto mediante incorporação na matéria prima da indústria de cerâmica vermelha, mais especificamente para fabricação de tijolos. O objetivo específico seria adequar a tecnologia de produção de cerâmica com lodo incorporado à matéria prima e avaliar a qualidade das peças produzidas. METODOLOGIA A pesquisa foi realizada, utilizando-se lodo procedente da ETE CAMPUS UFRN (valo de oxidação), localizada no Campus Central da Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, zona sul da Cidade de Natal - RN e argila oriunda do município de Açú/RN, a 206 Km da Capital. Foram realizados ensaios de resistência à compressão (NBR-6461/1983), absorção de água (NBR- 8947/1985), retração linear e perda de massa ao fogo e lixiviação (NBR-10005/2004) nos tijolos confeccionados em escala real e em tijolos de referência. Na etapa de fabricação de tijolos, utilizou-se uma mistura de 90% (em volume) de argila da cidade de Açú/RN. Do percentual de argila, 75% correspondem a material plástico e 25% semi-plástico. A adoção de 10% (em volume) de lodo deve-se ao fato, de já se dispor, através de confecção de corpos de prova, de resultados satisfatórios com esta dosagem. Foram observados, através de testes preliminares em laboratório, os efeitos da adição de diversos percentuais de lodo em corpos de provas queimados nas temperaturas de 850 o C, 950 o C, 1050 o C sobre as propriedades absorção d água, retração linear, perda de massa e resistência mecânica, para definição de um percentual viável para a realização dos testes industriais iniciais. Cabe ressaltar que o percentual de lodo em peso foi de 6,55%, determinado através da densidade aparente do lodo. Os tijolos com incorporação de lodo foram confeccionados em agosto de 2005, em uma indústria cerâmica, localizada no município de Açú/RN, com temperatura ambiente em torno de 28 o C, dia ensolarado, descartando a possibilidade de interferências na umidade da mistura. Em primeiro lugar, preparou-se uma mistura em volume (de forma manual), a massa de argila e de lodo foi colocada dentro do misturador, seguindo o trajeto por esteiras até a extrusão (figura 1). Os tijolos foram secados em temperatura ambiente, protegidos de sol e de chuva, e queimados em fornos elétricos de laboratório nas temperaturas de 850 o C, 950 o C, 1050 o C. Adicionalmente alguns blocos foram queimados no forno da própria indústria cerâmica, utilizando lenha como fonte de energia. Para a análise da resistência à compressão foram realizados ensaios em uma amostra de 08 (oito) tijolos de referência da indústria cerâmica, bem como, ensaios em uma amostra de 22 (vinte e dois) tijolos cerâmicos com adição de lodo da ETE. Para a análise de absorção de água foram realizados ensaios em 06 (seis) amostras de tijolos da cerâmica e em uma amostra de 22 (vinte e dois) tijolos com adição de lodo da ETE. 3

4 (a) (b) (c) (d) Figura 1: Processo de fabricação dos tijolos. (a) mistura manual (lodo + argila); (b) misturador; (c) esteira e (d) tijolos após extrusão. RESULTADOS OBTIDOS Os resultados referentes aos ensaios de resistência à compressão, absorção de água, retração linear e perda de massa e lixiviação em função da temperatura de queima, para a formulação estudada, estão expressos nas tabelas 1, 2, 3 e 4, respectivamente. As figuras 2 a 5 ilustram esses resultados. Tabela 1: Características dimensionais e resistência à compressão dos tijolos sem e com adição de lodo, fabricados na indústria cerâmica. Resistência à Largura Comprimento Área Carga Descrição dos Nº Compressão Média Médio Média Média Tijolos Amostras (mm) (mm) (mm 2 Média ) (N) (MPa) Referência 01 a , ºC 01 a , ºC 01 a , ºC 01 a ,36 Queimados no forno à lenha 01 a ,60 4

5 3,4 Resistência (850ºC) mínimo 3,4 Resistência (950ºC) mínimo 3,2 3,2 3,0 3,0 2,8 2,8 Resistência à compressão (MPa) 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 Resistência à compressão (MPa) 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,2 1,0 1,0 0,8 0,8 (a) (b) 3,4 Resistência (1050ºC) mínimo 3,2 3,0 2,8 Resistência à compressão (MPa) 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 (c) Figura 2: Resistência à compressão dos tijolos com adição de lodo comparada com o limite estabelecido por norma. Temperaturas de queima: (a) 850 ºC; (b) 950 ºC e (c) 1050 ºC. De acordo com os resultados obtidos, pode-se constatar que tanto os tijolos de referência como os tijolos fabricados com adição de lodo apresentaram resistência à compressão em conformidade com a NBR 7171/92 Bloco cerâmico para alvenaria, resistência mínima = 1,0 MPa. Verificou-se uma pequena variação da resistência mecânica em função da temperatura e da atmosfera de queima: forno a lenha industrial e forno elétrico de laboratório. A temperatura de queima dos fornos de indústrias cerâmicas é difícil de controlar pelo seu caráter empírico, entretanto, a experiência tem demonstrado que a mesma dificilmente ultrapassa a casa dos 900 C. Desta forma, apesar de se ter ciclos de queima distintos, a temperatura deve ter ficado na ordem da 5

6 temperatura de 850 C utilizada no forno de laboratório. Sabe-se que a seleção do ciclo de queima para produtos cerâmicos estruturais, leva em consideração uma série de fatores, mas principalmente a resistência mecânica desejada e a absorção de água que se deve atingir no componente. Matérias-primas com elevados teores de óxido de ferro, não podem ser queimados em temperaturas muito elevadas, em função do surgimento de bolhas e outros defeitos de queima. Comparativamente aos resultados dos tijolos referência, os tijolos com adição de lodo apresentaram resultados de resistência satisfatórios. Para uma produção em escala real, a adição de lodo à massa cerâmica não compromete negativamente a resistência dos tijolos, além de minimizar um problema ambiental. Tabela 2: Absorção de água dos tijolos sem e com adição de lodo, fabricados na indústria cerâmica. Peso Úmido Peso Seco Peso de Água Descrição dos Nº Absorção Média Médio Médio Médio Tijolos Amostras % (grama) (grama) (grama) Referência 01 a , ºC 01 a , ºC 01 a , ºC 01 a ,37 Queimados no forno à lenha 01 a ,41 26 Absorção (850ºC) mínimo máximo 26 Absorção (950ºC) mínimo máximo Absorção de água (%) Absorção de água (%) (a) (b) 6

7 26 Absorção (1050ºC) mínimo máximo Absorção de água (%) (c) Figura 3: Absorção de água dos tijolos com adição de lodo comparada com os limites estabelecidos por norma. Temperaturas de queima: (a) 850 ºC; (b) 950 ºC e (c) 1050 ºC. De acordo com os resultados obtidos, pode-se constatar que tanto os tijolos de referência como aqueles com adição de lodo apresentaram absorção de água conforme o estabelecido na NBR 7171/92 Bloco cerâmico para alvenaria, não devendo ser inferior a 8% nem superior a 25%. Como esperado, a absorção de água de todas as formulações estudadas diminui com o aumento da temperatura. Tabela 3: Retração linear e perda de massa dos tijolos com adição de lodo, fabricados na indústria cerâmica. TEMPERATURA DE QUEIMA RETRAÇÃO LINEAR (%) PERDA DE MASSA (%) 850 ºC 0,61 5, ºC 0,85 5, ºC 1,09 6,28 Observa-se que a retração linear e perda de massa aumentam com o incremento da temperatura, como resultado do aumento do grau de densificação da massa. Isso pode ser explicado pelo fato do tijolo perder umidade com o aumento de temperatura, como também, pela volatilização da matéria orgânica contida no lodo. 7

8 % 13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0, ºC 950 ºC 1050 ºC Temperatura 2,50 2,40 2,30 2,20 2,10 2,00 1,90 1,80 1,70 1,60 1,50 1,40 1,30 1,20 MPa Absorção (%) Retração Linear de Queima (%) Perda de Massa (%) Resistência à Compressão (MPa) Figura 4: Curvas de absorção de água, retração linear de queima, perda de massa ao fogo e resistência à compressão, em função da temperatura de queima. Tabela 4: Metais nas amostras lixiviadas dos tijolos sem e com adição de lodo, fabricados na indústria cerâmica. Determinação Unidade Tijolo de referência Tijolo com adição de lodo queimado a diferentes temperaturas Forno à lenha 850 ºC 950 ºC 1050 ºC Ferro mg/l Fe 0,58 0,38 0,50 0,31 0,35 Cobre mg/l Cu 0,05 0,03 0,10 0,065 0,24 Manganês mg/l Mn 0,32 0,21 0,48 0,14 0,12 Zinco mg/l Zn 0,29 0,13 0,30 0,18 0,31 Chumbo mg/l Pb 0,09 0,06 0,09 0,11 0,11 Níquel mg/l Ni 0,04 0,03 0,04 0,031 0,02 Cádmio mg/l Cd 0,01 0,046 0,01 0,008 0,008 Cromo mg/l Cr 0,007 0,02 0,001 0,00 0,00 8

9 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 mg/l 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00-0,05 Fe Cu Mn Zn Pb Ni Cd Cr Metais Testemunha Forno à lenha 850 ºC 950 ºC 1050 ºC Figura 5: Metais em amostras provenientes da lixiviação dos tijolos cerâmicos da indústria cerâmica queimados a diferentes temperaturas. Os resultados obtidos através da lixiviação dos tijolos demonstraram que é possível a utilização dos mesmos, pois os valores de metais encontram-se abaixo de limites estabelecidos pela NBR / CONCLUSÕES Os resultados dos ensaios laboratoriais demonstraram que a incorporação de lodo na massa padrão não afetou significativamente as características de absorção d água, retração linear, perda de massa e resistência mecânica. Os tijolos não apresentaram mudança na tonalidade com a introdução do lodo. Em relação à resistência mecânica, os resultados apresentaram em média, com exceção dos tijolos queimados na própria indústria, um percentual de redução de 25% em relação aos tijolos de referência, no entanto, estão em conformidade com a NBR 7171/92 (mínimo = 1 MPa). Cabe destacar que, apesar dos tijolos queimados na indústria apresentarem uma redução de 50 % de resistência em relação aos tijolos de referência, também se enquadra dentro da norma citada. Estes valores podem ser explicados pela existência de trincas ocorridas nos tijolos durante o transporte. Como esperado, a absorção d água de todas as formulações estudadas diminuiu com o aumento da temperatura. Para os ensaios de absorção de água a faixa de variação foi entre (-2,7)% e (+ 14,17)%. Todos os tijolos apresentaram absorção de água conforme o estabelecido na NBR 7171/92. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6461/83 Bloco cerâmico para alvenaria resistência à compressão Brasília - DF. 2. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 8947/85 Telha cerâmica determinação da massa e da absorção de água. Brasília DF. 9

10 3. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7171/92 Blocos cerâmicos para alvenaria - especificação. Brasília DF. 4. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 10004/2004 Resíduos sólidos - classificação. Brasília DF. 5. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 10005/2004 Procedimento para obtenção de extrato lixiviado de resíduos sólidos. Brasília DF. 6. BARUZZO, D.; MINICHELLI, D.; BRUCKNER, S.; FEDRIZZI, L.; BACHIORRINI, A.; MASCHIO, S. Possible production of ceramic tiles from marine dredging spoils alone and mixed with other waste materials. Journal of Hazardous Materials B134, p , CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE (CONAMA). Resolução no 003/90. Disponível em: Acesso em: LIEW, A. G.; IDRIS, A.; SAMAD, A. A.; WONG, C. H. K.; JAAFAR, M. S.; BAKI, A. M. Reusability of sewage sludge in clay bricks. J Mater Cycles Waste Manag, n. 6, p , MOREIRA, A. H.; OLIVEIRA, R. M.; LIMA, P. D. S. Efeito da adição do lodo de águas residuais da indústria têxtil nas propriedades de materiais de construção. Cerâmica, n. 303, v. 47, p ,