VIABILIDADE ECONÔMICA DA REGENERAÇÃO DO SULFATO DE ALUMÍNIO DE LODOS DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUAS

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1 VIABILIDADE ECONÔMICA DA REGENERAÇÃO DO SULFATO DE ALUMÍNIO DE LODOS DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUAS Ricardo Franci Gonçalves (1) Engenheiro Civil e Sanitarista - UERJ (1984), Pós graduado em Engª de Saúde Pública - ENSP / RJ (1985), DEA - Ciências do Meio Ambiente - Univ. Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990). Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Águas - INSA de Toulouse, França (1993). Professor Adjunto I do Departamento de Hidráulica e saneamento e do Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo. Janete Teixeira Brandão Engenheira Química - UFF/RJ (1980). Pós-graduada em Eng a de Meio Ambiente - UFES/ES (1993). Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo - UFES (1998). Eng a da Secretaria de Estado para Assuntos do Meio Ambiente do Estado Espírito Santo. Elsa Maria da Silva Barreto Engenheira Química - UFC/Ce (1983). Mestranda do Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Atualmente trabalhando no Laboratório de Hidráulica e Saneamento da UFES. Endereço (1) : Departamento de Hidráulica e Saneamento - Universidade Federal do Espírito Santo - Agência FCCA - Vitória - ES - Caixa Postal CEP: Brasil - Tel.: (027) Fax franci@npd1.ufes.br RESUMO Este trabalho apresenta um estudo realizado sobre a viabilidade econômica da regeneração do sulfato de alumínio existente nos lodos de decantadores de Estações de Tratamento de Águas e sua reutilização na própria ETA ou em Estações de Tratamento de Esgotos (ETE s). O modelo adotado para a avaliação da viabilidade econômica de utilização de regenerado de ETA s e sua aplicação na própria estação de tratamento ou em uma estação de tratamento de esgotos, foi baseado em dados teóricos de literatura e em dados experimentais obtidos em pesquisas de laboratório. Os resultados da aplicação do modelo econômico mostraram que no caso de cidades com populações de e habitantes, a regeneração do coagulante sulfato de alumínio de lodos de ETA s e sua posterior reutilização é economicamente viável, se considerarmos as premissas adotadas para o modelo estudado. O investimento deverá ser pago em poucos anos e a economia com coagulantes torna-se significativa diminuindo os custos operacionais e viabilizando a regeneração de coagulantes como alternativa para o tratamento e disposição destes resíduos. PALAVRAS CHAVES: ETAs, Lodos, Sulfato de Alumínio, Regeneração, Viabilidade Econômica. INTRODUÇÃO 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1298

2 O tratamento e disposição final dos lodos vem se tornando nos últimos anos uma etapa crucial no processo de tratamento de águas, consumindo uma significativa fração do orçamento da produção de água para abastecimento público. Estações de Tratamento de Água (ETA s) convencionais utilizam processos de coagulação e floculação para clarificação das águas, gerando como resíduo lodo contendo hidróxidos metálicos e impurezas retiradas da água bruta. Devido ao conteúdo elevado de metais e sólidos a disposição deste lodo tem se mostrado extremamente danosa ao meio ambiente e aos seres humanos, levando ao surgimento de legislações ambientais severas, exigindo práticas racionais para disposição deste tipo de resíduo. Dentre as alternativas racionais utilizadas para descarte de lodo de ETA s está a recuperação e reciclagem de coagulantes, com descarte do lodo excedente em aterro. Estudos recentes sugerem que a aplicação de coagulantes regenerados no tratamento físico químico de esgotos, sem a separação dos sólidos inertes, pode ser uma estratégia interessante para disposição deste tipo de resíduo (Piotto, Resende e Gonçalves, 1997). Esta prática reduz a quantidade de resíduos necessitando de disposição final em uma ETA e, além disso, o lodo será transferido para a ETE que normalmente dispõe de unidades específicas para seu tratamento. O método de regeneração do sulfato de alumínio utilizado nesta pesquisa é a regeneração ácida que consiste na solubilização dos hidróxidos metálicos em ph de aproximadamente 2 (Piotto,1995). O desempenho da regeneração varia em função das características do lodo e do tipo de solubilização praticada, podendo ser superior a 70 %. Uma vez que cerca de 35 a 50% dos sólidos presentes no lodo são hidróxidos, a recuperação dos coagulantes, além de diminuir o volume de lodo a ser descartado, promove o reciclo dos produtos químicos dosados no tratamento (AWWA, 1987), permitindo minimizar os custos e os problemas associados com a disposição final dos lodos gerados em ETAs. O volume de lodo excedente após a regeneração ácida pode ser reduzido em cerca de 45% (Bishop et al.,1987), o que é muito importante se considerarmos o alto custo de disposição deste tipo de resíduo. A disponibilidade de custos precisos sobre o gerenciamento de lodos são limitados, particularmente devido a falta de dados operacionais como também da dificuldade de separar custos operacionais de processos de gerenciamento de lodo do restante dos custos operacionais de uma ETA. Em alguns trabalhos os custos são relatados sem a descrição das condições específicas e hipóteses empregadas e são baseados em dados locais, nacionais ou de empresas de engenharia, que baseiam seus custos nos trabalhos por elas projetados (Hasit, 1981). Este trabalho teve por propósito o estudo da viabilidade econômica da recuperação de sulfato de alumínio a partir de lodos de ETA s, utilizando-os como possíveis insumos na potabilização de águas e na depuração de esgoto doméstico. As pesquisas sobre a regeneração de coagulantes na UFES foram iniciadas com o trabalho de Piotto (1995) e tiveram continuidade com os trabalhos de Brandão (1998) e Rocha et al (1998), parte integrante do Programa Nacional de Pesquisa e Saneamento Básico (PROSAB). 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1299

3 Foram desenvolvidos estudos sobre os mecanismos envolvidos na regeneração de lodos com características físico-químicas diferentes, sua aplicação em efluentes domésticos e industriais e na remoção de algas de lagoas facultativas. Os resultados destes trabalhos mostraram que o desempenho do regenerado é equivalente ao do coagulante comercial. Observou-se que variações na qualidade da água bruta, influenciaram significativamente nas características dos lodos produzidos. Os lodos provenientes de águas com elevado teor de matéria orgânica, formados possivelmente através do mecanismo de varredura, apresentaram percentual de regeneração superior ao do lodo gerado através do mecanismo de adsorsão/neutralização de cargas, sugerindo que apenas os lodos produzidos através dos mecanismos de varredura seriam passíveis de regeneração nas condições estudadas. MATERIAIS E MÉTODOS Foram consideradas Estações de Tratamento de Águas e Esgotos para populações de 5.000, , , habitantes, tendo a análise econômica levado em consideração tanto a redução na demanda de coagulantes quanto a redução no volume de lodo produzido. Estudos de viabilidade econômica da regeneração e da reutilização do coagulante regenerado no tratamento de águas e efluentes, indicaram que para as populações de e habitantes, a regeneração de coagulantes e sua reutilização na própria ETA ou em ETE s é economicamente viável, considerando-se as proposições definidas neste trabalho. Todo o estudo considerou a integração de um reator de solubilização no fluxograma de uma ETA completa e a reciclagem do coagulante em uma ETA, ou em ETE dotada de lagoas de estabilização. Com base nos dados produzidos nos estudos de Piotto (1995) e Brandão (1998), foi concebido um reator tipo batelada para regeneração de coagulantes. Este reator integrou no mesmo volume reacional as três fases fundamentais do processo de regeneração: adensamento dos lodos provenientes dos decantadores, reação de solubilização dos cátions metálicos e clarificação quando integrado a uma ETA e apenas as etapas de adensamento e solubilização quando utilizado em uma ETE. FLUXOGRAMA DAS ETAPAS DESENVOLVIDAS NO ESTUDO ECONÔMICO Escolha Determinação das Cálculo do Volume da População Proposições a Adotar de Lodo e Coagulante Dimensionamento das Unidades, Transporte, Cálculo dos Insumos Definição das Situações Tratamento e Disposição ( produtos químicos Adotadas para ETA's do Lodo e energia ) e ETE's Pesquisa de Preços de Mercado ( insumos, Cálculo dos Custos Projeções e Avaliação operação, manutenção, Envolvidos dos Resultados transporte e disposição ) ( investimento e operação ) 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1300

4 As principais proposições adotadas para o modelo teórico foram as listadas na tabela 1: Tabela 1 - Proposições do modelo de viabilidade econômica. Consumo Per capta 150 l / hab.dia Características da água bruta Turbidez - 10 UT Dosagem de sulfato - 40 mg/l Relação turbidez/dosagem - 0,25 Dosagem de sulfato para a ETE 100 mg/l (Rocha et al, 1998) Recuperação de coagulante 65,6 % (Brandão, 1998) Redução do volume de lodo após regeneração 37 % (Bishop et al, 1987) Lodo produzido na ETA Lodo produzido na ETE Unidades de desidratação de lodos Taxas de aplicação de lodo para os leitos de secagem Taxa de aplicação de polieletrólito Concentrações de sólidos Custo de produtos químicos Custo de transporte e disposição Custo da Estações de Tratamento Vida útil das instalações 1% do volume da água bruta (descarga diária) 35 ml/l com sulfato 56 ml/l com regenerado (Rocha et al, 1998) Leito de secagem e centrífuga 20 kg/m 2 para ETE s 35 kg/m 2 para ETA s 5 kg/ton. 2% para o lodo dos decantadores 6% para o lodo adensado 35% para o lodo disposto em aterro Sulfato - 0,55 R$/kg Ácido sulfúrico - 0,89 R$/ kg Polieletrólito - 10,00 R$/kg Lodo de ETA - 4,25 R$ m3/mês Lodo seco - 55,00 R$ ton./mês (já incluído custo de disposição em aterro classe 2) O custo das ETA s e ETE s foi admitido como zero, sendo computado apenas os custos das instalações de tratamento transporte e disposição de lodos 20 anos SITUAÇÕES ESTUDADAS: SITUAÇÃO 1: Não há regeneração de coagulantes na ETA e o lodo após adensamento é enviado a um leito de secagem para desidratação e posterior disposição em aterro ( Figura 1) Figura 1 - ETA sem regeneração de coagulantes. Lodo de ETA Adensador Transporte para aterro Aterro Leito de secagem 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1301

5 SITUAÇÃO 2: O lodo de ETA é enviado para um reator tipo batelada, onde as etapas de adensamento, solubilização e decantação irão se processar. Após a regeneração o sobrenadante é encaminhado para um tanque de estocagem/dosagem de regenerado para reutilização. O lodo remanescente após desidratação em leito de secagem ou centrífuga é em seguida disposto em aterro (figura 2). Figura 2 - ETA com regeneração de coagulantes e reciclagem na própria Estação de Tratamento. ETA Lodo de ETA Ácido Reator Regenerado Transporte para aterro Aterro Leito de secagem Figura 3 - ETA com regeneração de coagulantes e reciclagem na própria Estação de Tratamento. SITUAÇÃO 3 : O lodo de ETE após tratamento físico-químico com sulfato de alumínio é enviado para o leito de secagem onde será desidratado e encaminhado para aterro. Figura 3 - ETE com utilização de sulfato. Lodo de ETE Transporte para aterro Aterro Leito de secagem SITUAÇÃO 4 : O lodo após ser regenerado na ETA é transportado para a ETE e utilizado sem a separação dos sólidos no efluente da lagoa de tratamento de esgoto. O lodo produzido após adensamento e desidratação em leito de secagem é disposto em aterro (figura 4). 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1302

6 Figura 4 - Coagulante regenerado na Estação de Tratamento de Água e utilizado na ETE. Lodo de ETA Ácido Reator Transporte para ETE Regenerado Lagoa Aterro Transporte para aterro Leito de secagem RESULTADOS E DISCUSSÃO Para a análise de viabilidade econômica, conforme previsto neste estudo foi utilizado um modelo teórico, elaborado especificamente para a recuperação de coagulantes a partir de lodos de ETA s, utilizando-os como possíveis insumos na potabilização de águas e na depuração de esgoto doméstico. O projeto considerou Estações de Tratamento de Águas e Esgotos para populações de 5.000, , , habitantes, analisando a redução na demanda de coagulantes e o volume de lodo produzido. Nas tabelas 2 e 3 são mostradas as quantidades de lodo produzidos nas ETA s e ETE s, o consumo de produtos químicos e a produção de regenerado. Tabela 2 - Relações de consumo de produtos químicos para as ETA s e produção de Lodo. População (hab.) Lodo produzido com uso de sulfato (ton./dia) 0,18 0,36 0,72 1,80 Lodo após regeneração (ton./dia) 0,11 0,23 0,45 1,13 Consumo apenas de Sulfato / total (kg/dia) 36,00 72,00 144,00 360,00 Produção de regenerado (kg/dia) 23,59 47,18 94,36 235,90 Consumo de sulfato com regenerado (kg/dia) 12,41 24,82 49,64 124,10 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1303

7 Tabela 3 - Relações de consumo de produtos químicos e produção de lodo para as ETE s. População (hab.) Lodo produzido com uso de sulfato (ton./dia) 0,38 0,77 1,51 3,78 Lodo prod. com uso de sulf. e reg. (ton./dia) 0,56 1,13 2,42 5,62 Consumo apenas de Sulfato (kg/dia) 72,00 144,00 288,00 720,00 Consumo de Regenerado (kg/dia) (37%) 23,59 47,18 94,36 235,90 Consumo de Sulfato com reg. (kg/dia) (63%) 48,41 96,24 193,64 484,09 As tabelas 2 e 3 mostram os dados de consumo dos produtos químicos, no caso da utilização apenas de sulfato e de sulfato mais regenerado, quando a quantidade de coagulante recuperado não é suficiente para suprir a demanda necessária para o tratamento de água e efluente. A quantidade de lodo após a regeneração foi reduzida em 37%, fazendo com que o tamanho das unidades de tratamento, também, fossem reduzidas. O acréscimo na produção de lodo, no caso das ETE s, é compensado com os benefícios do tratamento físico-químico e com o fato da estação de tratamento de esgoto normalmente já dispor de um sistema de tratamento de lodo. A tabela 4 apresenta a análise do investimento para as situações consideradas. Tabela 4 - Análise de Investimento para as populações consideradas. População Custos (R$ / mês) Retorno do (habitantes) Investimento Operacional Sulfato Regenerado investimento S , ,95 594, S , ,57 204, ,48 5 anos e 3 meses S2* , ,80 204, ,81 14 anos e 10 meses S , , , S , ,47 798, ,52 10 anos e 8 meses S , , , S , ,46 409, ,42 4 anos e 3 meses S2* , ,71 409, ,13 8 anos S , , , S , , , ,72 9 anos e 2 meses S , , , S , ,67 819, ,36 3 anos e 7 meses S2* , ,36 819, ,60 4 anos e 4 meses S , , , S , , , ,67 8 anos e 2 meses S , , , S , , , ,95 3 anos S2* , , , ,67 2anos e 1 mês S , , , S , , , ,71 7 anos e 6 meses (S1) - Situação 1; (S2 ) - Situação 2 com leito de secagem; (S2*) - Situação 2 com centrífuga; (S3) - Situação 3; (S4) - Situação 4 Para as situações S1 e S3 não há retorno do investimento devido à consideração feita de que o custo para estes casos seria zero, já que não há regeneração de coagulantes e economia de sulfato, bem como, instalação de unidades ligadas ao processo de regeneração. O gráfico 1 mostra o retorno do investimento em anos, baseado no porte das estações e na situações estudadas. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1304

8 Gráfico 1 - Retorno do Investimento. Retorno do Investimento (anos) Anos População S1 S2 S2* S3 S4 Situações estudadas Legenda: (S1) - Situação 1; (S2 ) - Situação 2 com leito de secagem; (S2*) - Situação 2 com centrífuga; (S3) - Situação 3; (S4) - Situação 4 O estudo de viabilidade avaliou, conforme pode ser observado na tabela 4 e gráfico 1, que o custo do investimento e o custo operacional aumentaram com o tamanho das estações. No entanto, para estações maiores o retorno do investimento é mais rápido e os custos operacionais deverão diminuir a partir deste momento, baseados na economia de sulfato. Nas situações S1 e S3 não há retorno de investimento e o custo operacional não diminui, pois não há regeneração de coagulante e, portanto, não existe economia de sulfato, bem com, redução no tamanho das unidades de tratamento de lodo. Para estações de porte maior, o investimento inicial é maior para a situação S2* (centrífuga), do que para a S2 (leito de secagem), no entanto, o retorno é mais rápido em função da redução dos custos com a centrífuga, o que não ocorre no caso do leito de secagem. Os resultados da aplicação do modelo econômico mostraram que no caso de cidades com populações de e habitantes, a regeneração do coagulante sulfato de alumínio de lodos de ETA s e sua posterior reutilização é economicamente viável, se considerarmos as premissas adotadas para o modelo estudado. O investimento deverá ser pago em poucos anos e a economia com coagulantes torna-se significativa diminuindo os custos operacionais e viabilizando a regeneração de coagulantes como alternativa para o tratamento e disposição destes resíduos. Acredita-se que reatores em batelada não seriam ideais para estações de grande porte devido aos custos com manuseio do lodo e dimensões das unidades. Neste caso, processos de regeneração em regime contínuo deveriam ser avaliados. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1305

9 O modelo adotado para a avaliação da viabilidade econômica de utilização de regenerado de ETA s e sua aplicação na própria estação de tratamento ou em uma estação de tratamento de esgotos, foi baseado em dados teóricos de literatura e em dados experimentais obtidos em pesquisas de laboratório, uma vez que os dados econômicos disponíveis sobre gerenciamento de lodos são limitados e específicos para cada caso estudado. Nestas condições, estes resultados devem ser considerados como uma referência para outros estudos, onde as condições a serem estudadas deverão ser específicas para cada situação. Outro fator que deve ser levado em consideração são as legislações cada vez mais exigentes e restritivas, relativas ao gerenciamento deste tipo de resíduo, que fazem com que determinadas alternativas de tratamento e disposição sejam implementadas, independente dos custos a elas relacionados. CONCLUSÃO Os estudos de viabilidade econômica da regeneração e da reutilização do coagulante regenerado no tratamento de água e esgoto doméstico, indicaram que para as populações de e habitantes, a regeneração de coagulantes e sua reutilização na própria ETA ou em ETE é economicamente viável, considerando-se as proposições definidas neste estudo. Portanto, a regeneração e a reciclagem de coagulantes é uma possibilidade bastante atrativa, especialmente em situações onde existe proximidade geográfica entre as estações de tratamento de água e de esgoto, fazendo com que a co-disposição seja uma opção a ser considerado. Para ETA s de grande porte, devido aos custos de manuseio do lodo e dimensões das unidades, os processos de regeneração em reatores em batelada possivelmente não serão econômicos, devendo nestes casos ser avaliada a utilização de reatores em regime contínuo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AWWA Research Foundation. Water treatment plant waster management, Denver, c BISHOP, S. M. et al. Testing of alum recovery for solids reduction and reuse. Journal AWWA, Denver, p , jun BRANDÃO, J. T. Recuperação do coagulante sulfato de alumínio através de solubilização pela via ácida de lodos de diversas ETA s no ES com posterior reutilização no tratamento de águas para abastecimento e águas residuárias. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental) Universidade Federal do Espírito Santo, HASIT, Y.,VESILIND, P. A. Economics of sludger management. Journal WPCP, Virginia, v.53, n.5, ,may 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 em Engenharia Ambiental) Universidade Federal do Espírito Santo, PIOTTO, Z. C., RESENDE, M. B., GONÇALVES, R. F., Alternativas para tratamento e disposição final dos lodos químicos gerados na potabilização de águas. In: Assembléia Nacional da ASSEMAE. Brasília, PROSAB Núcleo Temático 4: Subprojeto 2 ES Brasília: FINEP - CNPq, ROCHA, M. L. de A. F. et al. Remoção de algas, DQO, fósforo e coliformes do efluente de lagoas facultativas através de coagulação, floculação e decantação. Vitória: UFES, Trabalho técnico aprovado para o 20º CONGRESSO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL promovido pela ABES em 1999, no Rio de Janeiro. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1306