I ESTUDO DA RECUPERAÇÃO DE LODO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA CONSIDERANDO OS MECANISMOS DE COAGULAÇÃO E DIVERSOS COAGULANTES

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1 I ESTUDO DA RECUPERAÇÃO DE LODO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA CONSIDERANDO OS MECANISMOS DE COAGULAÇÃO E DIVERSOS COAGULANTES Elizabeth Regina Halfeld da Costa (1) Doutora e Mestre em Hidráulica e Saneamento pela EESC-USP. Professora adjunta do Departamento de Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo. José Henrique Silvério Viana Engenheiro Civil pela UFMG e mestrando em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo. Edumar Ramos Cabral Coelho Doutora e Mestre em Hidráulica e Saneamento pela EESC-USP. Professora do Departamento de Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo. Endereço (1) : Rua Passa Tempo, Carmo-Sion - Belo Horizonte - MG - CEP: Brasil - Tel: +55 (1) elizabethhalfeld@ig.com.br/elizabethhalfeld@ambiental.ufes.br RESUMO A maior parte das Estações de Tratamento de Água utiliza a coagulação química no processo de potabilização, sendo que dentre as tecnologias de tratamento existentes, a filtração direta e o tratamento convencional são as mais utilizadas. Sabe-se que no tratamento convencional o mecanismo de coagulação mais adequado é o da varredura, enquanto que o mecanismo da adsorção-neutralização é mais recomendado para filtração direta. Em função dos diferentes mecanismos de coagulação, os lodos gerados no tratamento convencional e na filtração direta possuem características físico-químicas diferentes. Os dois coagulantes que são usualmente utilizados nas Estações de Tratamento de Água são o cloreto férrico e o sulfato de alumínio. Tais coagulantes geram lodos que contêm as impurezas associadas aos elementos oriundos dos sais utilizados como coagulantes. Pesquisas sobre a recuperação e regeneração dos coagulantes nos lodos têm sido realizadas, porém não se tem notícia de um estudo mais criterioso que enfoque a recuperação de coagulantes correlacionada com os mecanismos de coagulação. O trabalho proposto sugere estudar comparativamente a recuperação dos lodos gerados nas estações, utilizando-se o cloreto férrico e o sulfato de alumínio como coagulantes, considerando cada mecanismo de coagulação (adsorção e varredura), abordando desta forma tanto o tratamento convencional quanto o tratamento conhecido como filtração direta. O presente trabalho tem o apoio técnico da Companhia Espírito Santense de Saneamento (CESAN). PALAVRAS-CHAVE: Regeneração de Coagulantes, Mecanismos de Coagulação, Tratamento Convencional, Filtração Direta. INTRODUÇÃO A maior parte das Estações de Tratamento de Água utiliza a coagulação química no processo de potabilização, sendo que dentre as tecnologias de tratamento existentes, a filtração direta e o tratamento convencional são as mais utilizadas. Das estações que abastecem o município de Vitória-ES, algumas trabalham como convencional e outras como filtração direta, sendo que a estação Vale Esperança tem a possibilidade de trabalhar com as duas tecnologias. Sabe-se que no tratamento convencional o mecanismo de coagulação mais adequado é o da varredura, ao passo que o mecanismo da adsorção-neutralização é mais recomendado para filtração direta. Em função dos diferentes mecanismos de coagulação, os lodos gerados no tratamento convencional e na filtração direta possuem características diferentes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Pesquisas sobre a recuperação e regeneração do sulfato de alumínio têm sido realizadas, porém não se tem notícia de um estudo mais criterioso que enfoque a recuperação de coagulantes correlacionada com os mecanismos de coagulação. Até pouco tempo atrás, a forma mais corriqueira da disposição final para o lodo produzido nas estações de tratamento de água era o simples despejo nos corpos d água. Atualmente, as empresas responsáveis pelas estações de tratamento de água têm tido uma constante preocupação com o destino final do lodo gerado nas mesmas. Além disso, as cobranças por parte dos órgãos ambientais têm sido grandes. Os dois coagulantes que são usualmente utilizados nas Estações de Tratamento de Água (ETA s) são o cloreto férrico e o sulfato de alumínio, tais coagulantes geram lodos que contêm as impurezas as quais estão associadas aos elementos oriundos dos sais utilizados como coagulantes. Na natureza, a concentração de alumínio pode aumentar a quantidade de metais tóxicos nos bentos prejudicando a cadeia alimentar e provocando o desequilíbrio ecológico. Poucas são as informações a respeito dos inconvenientes causados pelo ferro, porém imagina-se que concentrações inadequadas de qualquer elemento podem provocar alterações na natureza. Estudos relacionados à recuperação e à regeneração do lodo de ETA s têm revelado resultados favoráveis no que diz respeito à redução do volume de lodo, diminuindo o impacto ambiental e favorecendo a economia de coagulantes. O presente trabalho visa estudar comparativamente a recuperação dos lodos gerados nas estações, utilizandose o cloreto férrico e o sulfato de alumínio como coagulantes, considerando cada mecanismo de coagulação (adsorção e varredura), abordando desta forma tanto o tratamento convencional quanto o tratamento conhecido como filtração direta. OBJETIVOS Esta pesquisa visa estudar a recuperação por via ácida do lodo gerado tanto pelo mecanismo de varredura como pelo mecanismo de adsorção-neutralização, utilizando-se como coagulante o cloreto férrico e o sulfato de alumínio, em um dos mananciais que abastecem o município de Vitória-ES, a fim de quantificar a porcentagem de coagulante que pode ser aproveitado do lodo, verificando-se a influência dos mecanismos de coagulação nas propriedades físico-químicas dos lodos gerados, e como estas propriedades são determinantes na recuperação do lodo. Desenvolver uma metodologia para recuperação de lodos de estações de tratamento de água, a partir do estudo realizado, a qual poderá ser aplicada a qualquer outra estação. METODOLOGIA O presente trabalho consiste em estudar a recuperação dos lodos gerados pelos processos de coagulação floculação - decantação, considerando os mecanismos de coagulação (adsorção e varredura), abordando, desta forma, as duas tecnologias de tratamento mais utilizadas: o tratamento convencional e a filtração direta. No estudo da recuperação do lodo foi utilizada água do manancial que abastece uma estação de tratamento de água que tem a possibilidade de operar tanto com a filtração direta quanto com o tratamento convencional. No desenvolvimento do trabalho, são utilizados como coagulantes o cloreto férrico e o sulfato de alumínio. Para a execução do trabalho deverão ser desenvolvidas quatro etapas: PRIMEIRA ETAPA: DEFINIÇÃO DA ÁGUA A SER ESTUDADA (JÁ EXECUTADA) A água estudada foi captada em um dos mananciais que abastece a cidade de Vitória (Rio Jucu). Foram coletados 500 litros de água diretamente no duto de chegada da água bruta na Estação de Tratamento Vale Esperança, em Cariacica - ES, e armazenados em uma caixa d água. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 A água bruta foi devidamente caracterizada em termos de turbidez, cor aparente, e alcalinidade, no momento do armazenamento da água e durante a execução dos ensaios. No começo de cada dia em que esta etapa e a seguinte foram desenvolvidas, a água armazenada na caixa d água era agitada para que as condições de turbidez inicial não se alterassem, uma vez que o confinamento da água por muito tempo propicia a sedimentação natural das partículas presentes na água. O controle do ph da água bruta também foi importante, uma vez que a água bruta deveria ter aproximadamente as mesmas características durante todo o período dos ensaios. SEGUNDA ETAPA: DESENVOLVIMENTO DE ENSAIOS EM LABORATÓRIO (JÁ EXECUTADA) Desenvolvimento de ensaios em laboratório, para determinação das dosagens de coagulantes e dos valores de ph de coagulação que possibilitam a melhor remoção de turbidez. Os 500 litros de água coletados e armazenados conforme descrição da primeira etapa foram utilizados na realização dos ensaios programados na segunda etapa. Os ensaios de coagulação, floculação e sedimentação, foram realizados em laboratório utilizando-se equipamentos de reatores estáticos tipo jarteste. Para cada uma das seis cubas (recipiente de 2 l) do jarteste foi especificada uma dosagem de coagulante, na proporção 1:5 (para cada um mg/l de coagulante, foi dosado 0,2 ml do coagulante, diluído a 1%). Para o controle do ph de coagulação, uma vez que com a adição do coagulante na água esta aumenta sua acidez, anteriormente à execução dos ensaios foram realizados testes preliminares com adição de hidróxido de sódio 0,1 N ou de ácido clorídrico 0,1 N, dependendo da finalidade (aumentar ou reduzir o ph), até que fossem encontrados os valores de ph de coagulação esperados. Os valores obtidos foram empregados nos ensaios. Na execução dos ensaios de coagulação, floculação e sedimentação com o jarteste e foram adotados os valores de gradientes de velocidade na mistura rápida (G mr ) e na floculação (G f ), o tempo de detenção na mistura rápida (T mr ) e na floculação (T f ), bem como a velocidade de sedimentação (V s ) descritos na Tabela 1: Tabela 1: Valores de G mr, T mr, G f, T f e V s adotados Parâmetros utilizados nos ensaios para levantamento dos diagramas G mr 700 s -1 T mr 20 s G f 15 s -1 T f 20 min 2 cm/min V s Nas vezes em que foi necessário empregar o alcalinizante ou o acidulante, este era despejado nas cubas assim que a começasse a agitação, antes de iniciada a contagem do tempo. O tempo de mistura rápida iniciava-se no momento em que o coagulante era despejado na água. Após o tempo de mistura rápida a rotação do jarteste era reduzida, e decorrido o tempo de floculação, a agitação era finalizada e esperava-se um intervalo de,5 minutos para a coleta nas seis cubetas posicionadas à frente do jarteste. Antes da coleta era efetuado o descarte (em torno de 0 ml). As amostras de água coagulada nas cubetas (aproximadamente 50 ml) foram então levadas para o potenciômetro, para leitura do ph de coagulação, e para leitura de turbidez remanescente no turbidímetro. O sulfato de alumínio e o cloreto férrico foram investigados como coagulantes. Para cada um deles foi construído um diagrama referente à água bruta em estudo, para localizar as regiões de melhor remoção de turbidez, tanto no mecanismo da varredura, como no mecanismo da adsorção-neutralização. No diagrama, no eixo das abscissas foram anotados os valores de ph de coagulação, e no eixo das coordenadas os valores das ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

4 dosagens de coagulante empregadas. Os valores correspondentes de turbidez remanescentes são anotados e são delimitadas as regiões com os valores mais baixos de turbidez remanescente. Para a determinação do diagrama de coagulação da água bruta em estudo, com o cloreto férrico, foram necessários 25 ensaios de coagulação, floculação e sedimentação, aproximadamente, enquanto que para o diagrama com o sulfato de alumínio foram realizados em torno de 18 ensaios. RESULTADOS Após a realização da primeira e segunda etapa do trabalho, foram obtidos os diagramas de coagulação do sulfato de alumínio e do cloreto férrico. O levantamento de cada diagrama proporcionou evidenciar as regiões ótimas de coagulação para os dois mecanismos de coagulação. Diariamente, antes da execução dos ensaios, a água bruta foi devidamente caracterizada em termos de turbidez, cor aparente e alcalinidade. Os valores máximos e mínimos obtidos encontram-se na Tabela 2. Tabela 2: Características da água em estudo: Características da água bruta em estudo Turbidez (ut) Cor aparente (uh) Cor real (uh) 41-5 Alcalinidade (mg/l de CaCO ) 19-2 Temperatura 25º C Nas figuras 1 e 2 são apresentados os diagramas de coagulação para o sulfato de alumínio e para o cloreto férrico, respectivamente. Nos diagramas estão representados os valores de turbidez remanescente (ut) após os ensaios de coagulação, floculação e sedimentação, referentes ao ph de coagulação (eixo das abscissas) e à dosagem de coagulante (em ordenadas) em cada ensaio. Também são apresentadas as curvas de mesma remoção de turbidez obtidas, para os valores de ut, 2 ut e 1 ut na região da varredura, e de ut na região da adsorção dos dois diagramas (figuras 1 e 2), sendo que no diagrama da figura 1 também foi evidenciado a curva de mesma remoção de turbidez no valor igual a 2 ut. Percebem-se, nas figuras 1 e 2, duas regiões distintas para valores de turbidez remanescente inferiores a ut, caracterizadas por possuírem valores distintos de ph de coagulação e dosagens de coagulantes. Na figura 1 (diagrama de coagulação para o sulfato de alumínio) a região de adsorção-neutralização está localizada entre as dosagens de 12,0 mg/l a 7,0 mg/l, aproximadamente, numa faixa de ph de coagulação entre 4,5 e 5,. A varredura está localizada entre as dosagens de 16 mg/l a 6 mg/l numa faixa de ph de coagulação de 5,5 a 7,, sendo que a região de melhor remoção de turbidez (turbidez < 1 ut) localiza-se entre as dosagens de 25 mg/l e 5 mg/l na faixa de ph de coagulação de 6,2 a 6.6. Já no diagrama de coagulação para o cloreto férrico (figura 2) a adsorção-neutralização localiza-se entre as dosagens de 8 mg/l a 18 mg/l numa faixa de ph de coagulação que vai de,8 a 4,5, enquanto que a varredura ocorre entre as dosagens de 11 mg/l a 5 mg/l na faixa de ph de coagulação situada entre 5,2 e 7,7. Duas curvas de melhor remoção de turbidez (turbidez < 1 ut) evidenciaram-se no diagrama de coagulação da figura 2. Uma localizada entre as dosagens de coagulante de 20 mg/l e 25 mg/l e ph coagulação de 6,4 a 6,7, e outra situada entre as dosagens de 28 mg/l e mg/l e ph de coagulação de 6,8 a 7,4. Esta segunda curva, devido a sua faixa de dosagem, não é economicamente interessante. Os valores acima reforçam o que citado em AWWA (1990) sobre a faixa mais ampla de atuação do cloreto férrico na remoção de turbidez. As regiões de adsorção - neutralização e varredura, obtidas nos diagramas das figuras 1 e 2, serão consideradas na terceira e quarta etapas, quando serão obtidas quantidades adequadas de lodo para análises físico-químicas e verificação do potencial de regeneração do mesmo em cada região. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Dosagem de sulfato de alumínio (mg/l) ,56 11,1 11 6,61 6,21 6,56 2,49 6,58 6,56 2,5 6,87,07 2,28 8, 1,91 2,66 7,27 2,42,91 9,1 1,87 2 adsorção 5,7 5,51 6,5 2, 2,62 ut 4,91 6,68 2,85,84 1,75 5,24 2,07 2 ut 2,2 2 2,44 2,77 1,77 2,84 varredura 2,12 6,16 0,98 1,25 1,58 1,2 1,15 1,25 1,6 1,56 11,5 1,52 1,52 0,99 14,1,76 8,55 4 4,5 5 5,5 6 ph 6,5 7 7,5 8 1 ut 2 Características da água bruta em estudo: Turbidez: ut Cor aparente: uh ph: 6,67-7,07 Alcalinidade: 19-2 mg/l CaCO Temperatura: 25º C 8,67 Vs = 2 cm/min Gmr = 700 s-1; Tmr = 20 s 1,08 10,4 1,16 12,5 5,65 9,1 4,87 10,1 Figura 1: Diagrama de coagulação do sulfato de alumínio, contendo as curvas de mesma turbidez remanescente, Vs = 2,0 cm/min. 5 21,4 0,8 0 18,5 18,7 2uT 1,12 2,18 2,17 1uT 0,89 2,11 Dosagem de cloreto férrico (mg/l) ,9 1,7 0,99 1,11 1,56 6,86 1,8 1,4 5,45 1,47 0,75 1,9 1,2 1,82 1 1, 6,48 2,56 1,88 1,16 2 ut 2,8 1,7 1,6 0,95 10,4,0 2,8 1,20 2,2 2,29 4,1 2,02,11 1,2 1,59,29 2,75 1,82 2,4 2 1,58 4, 10,9 2,48 2,86 2,11 2,68 4,6 6,72 1,91 1,56 1,67,94 14,,64 2,18 2,88 5,0 11,0 2,46 5,66 1,92 5,47 1,8 5,74 2,4.,15 6,15 1,41,41 1,89 2,5 1,6 4,64 2,15 4,14 20,9 2,08 2,11 2,5 4,9 9,89 7,85 12,9 ut 2,4 6,7 7,76 16,8 4,15 24,2 15. Características da água bruta em estudo: Turbidez: ut 10 Cor aparente: uh ph: 6,67-7,07 Alcalinidade: 19-2 mg/l 5 CaCO 24,0 Temperatura: 25º C adsorção varredura 2,8 Vs = 2 cm/min ph de coagulação 6,5 8,77 7,28 Figura 2: Diagrama de coagulação do cloreto férrico, contendo curvas de mesma turbidez remanescente, Vs = 2,0 cm/min. TERCEIRA ETAPA: ENSAIOS EM LABORATÓRIO, PARA OBTENÇÃO DO LODO A SER RECUPERADO Levando-se em conta os diagramas de coagulação levantados na segunda etapa, ensaios de coagulação, floculação e sedimentação em laboratório serão novamente realizados. A água bruta para realização destes ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 ensaios será capitada no mesmo manancial (Rio Jucu). Antes da realização dos ensaios, a água será caracterizada em termos de turbidez, cor aparente e real, ph e alcalinidade. Tais ensaios visam otimizar a dosagem de coagulante e o ph de coagulação, tanto na varredura quanto na adsorção - neutralização, com o intuito de se obter o lodo necessário para o estudo da recuperação do mesmo por via ácida. Uma vez que o volume de lodo obtido nos ensaios de jarteste é pequeno para a caracterização, estudo da recuperação de coagulante e desidratação do lodo, será necessária a construção de um sistema que permita a geração de uma quantidade maior de lodo (aproximadamente 800 ml). Sendo assim, para obtenção do volume de lodo necessário serão realizadas uma série de ensaios de coagulação, floculação e sedimentação, em um sistema constituído de agitador mecanizado, acoplado a um tanque de fibra de vidro, com seção circular e volume de 425 l, que reproduza as mesmas condições hidráulicas estudadas nos ensaios de jarteste. Nestes tanques, as condições ótimas de dosagem de coagulante e ph de coagulação serão reproduzidas, tanto na varredura quanto na adsorção-neutralização. Com o objetivo de se obter o volume mínimo de lodo de 800 ml, prevê-se um número de ensaios de 5 para o mecanismo da varredura e de 10 para o da adsorção. O volume de lodo obtido nestes ensaios será caracterizado e utilizado no estudo da aptidão de lodo à desidratação e na recuperação do coagulante por via ácida. QUARTA ETAPA: ESTUDO DA RECUPERAÇÃO DO LODO A recuperação do lodo será por via ácida. O lodo gerado nos ensaios de jarteste será retirado e submetido a um processo de desidratação. Posteriormente, serão adicionadas quantidades de ácido sulfúrico de forma a obter o ph necessário para que os hidróxidos presentes no lodo sejam transformados em espécies solúveis (ph em torno de 2,0). A separação dos compostos indesejáveis presentes no lodo, tais como sólidos inertes e compostos orgânicos responsáveis pela cor é realizada mediante filtração. Pela membrana passam apenas as espécies inorgânicas solúveis e água. Este processo tem um rendimento de regeneração entre 50% e 75%. Nesta etapa, o lodo obtido nos ensaios será caracterizado e submetido à recuperação por via ácida (Processo Fulton: adensamento do lodo, precedido por acidificação com ácido sulfúrico a um ph igual a 2,0; desidratação do sobrenadante e recuperação do coagulante), uma vez que estudos anteriores demonstraram que a solubilização por esse meio apresentou resultados mais satisfatórios. O lodo gerado nos ensaios será submetido a ensaios de drenabilidade (teste de tempo de sucção capilar, resistência específica à filtração e tempo de filtração) e de recuperação dos coagulantes. CONCLUSÃO Espera-se com o trabalho, comprovar a natureza distinta dos lodos formados pelos mecanismos de varredura e adsorção, e de que forma essas diferenças interferem na recuperação de ambos. Não se tem notícia de trabalho sobre recuperação de lodo de Estações de Tratamento de Água que tenha controlado o processo de formação do lodo, quanto ao mecanismo de coagulação empregado. Sendo o mecanismo de coagulação um dos fatores na escolha da tecnologia de tratamento de água adotada na ETA, espera-se desenvolver uma metodologia para recuperação do lodo que possa ser empregada em qualquer Estação de Tratamento de Água. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. Water quality and treatment a handbook of community water suplies. 4. ed. USA: Mcgraw-Hill Inc., AMIRTHARAJAH, A.; MILLS, K. M. Rapid-mix design for mechanisms of alum coagulation. JAWWA, v. 74, n. 4, p , apr ANDREOLI. C. V.; SPERLING. M.V.; FERNANDES. F. Lodo de esgoto: tratamento e disposição final. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG; Companhia de Saneamento do Paraná BRANDÃO, J.T. Recuperação de coagulantes através de solubilização pela via ácida de lodos de diversas ETAs no ES com posterior reutilização no tratamento de águas para abastecimento e águas residuárias Dissertação (Mestrado). Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, COSTA, E. R. H. Estudo do uso de polímeros naturais como auxiliares de floculação com base no diagrama de coagulação do sulfato de alumínio Dissertação (Mestrado). Universidade de São Paulo, São Carlos, DI BERNARDO, L.; DI BERNARDO, A.; CENTURIONE FILHO, P. L. Ensaios de Tratabilidade de Água e dos Resíduos Gerados em ETAs. Ed. Rima. São Carlos, GONÇALVES, R. F. Projeto de pesquisa realizado pelo Departamento de Hidráulica e Saneamento da UFES Programa Nacional de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB) da Finep / CNPq (edital 01/96), núcleo temático nº 4: Subprojeto 2: Recuperação de coagulantes de lodos de ETAs para reutilização no tratamento de águas e efluentes GONÇALVES, R.F., PIOTTO, Z.C., REZENDE, M.B. Influência dos mecanismos de coagulação da água bruta na reciclagem de coagulantes em lodos de estações de tratamento de água. In: Congresso de Engenharia Sanitária e Ambiental, 19., Foz do Iguaçu, Anais. Foz do Iguaçu, ABES. P PIOTTO, Z.C. Regeneração do potencial de coagulação de lodos químicos de estações de tratamento de águas para reutilização no tratamento físico-químico de diferentes tipos de águas residuárias Dissertação (Mestrado). Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, PROSAB, Noções Gerais de tratamento e disposição final de lodo de estações de tratamento de água. Rio de Janeiro, REALI, M. A. P. Noções gerais de tratamento de disposição final de lodos de estações de tratamento de água, Rio de Janeiro, RICHTER, C. A. Tratamento de lodos de estações de tratamento de água. São Paulo: E. Blücher, VIANNA, MARCOS ROCHA. Hidráulica Aplicada às Estações de Tratamento de Água.. ed., ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7