Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo XVI Audiência de Inovação Alternativas para a Reciclagem do Lodo de Estações de Tratamento de Água Concreto Leve produzido com Compósito Manufaturado à base de Lodo de Estação de Tratamento de Água e Serragem de Madeira Universidade de São Paulo Interunidades Ciência e Engenharia de Materiais Av. Trabalhador São Carlense, 400. Parque Arnold Schimidt São Carlos / São Paulo Francis Rodrigues de Souza (16) 97027975 Universidade Federal de São Carlos Departamento de Engenharia Civil Rodovia Washington Luiz, Km 235 São Carlos / São Paulo Almir Sales (16) 33518262 ramal 231
Introdução Escassez de água que hoje afeta 400 milhões de pessoas, afetará 4 bilhões de pessoas até 2050. USA Today, Nation, 1/26/2003. Todas as ETAs produzem resíduos durante o processo de purificação da água para o consumo humano. Os quais são compostos de Água, Matéria orgânica e inorgânica no estado sólido, líquido e gasoso. Water Research, 38 (2004) 1173 1182. Os coagulantes utilizados durante o tratamento da água podem resultar em lodos ricos em Fe e/ou Al. Os lodos de estações de tratamento de água também podem conter outros metais pesados provenientes da água bruta ou de contaminantes da adição dos coagulantes. Chemosphere 68 (2007) 628-636. No Brasil, 7.500 ETAs geram seus resíduos nos decantadores e filtros e os lançam na mesma fonte de onde é retirada a água para o tratamento. RIMA / ABES / PROSAB (2001) cap. 5, 121-142.
O hidróxido de alumínio presente no lodo de estação de tratamento de água é insolúvel e pode ser utilizado como coagulante no tratamento primário de esgoto. Water Research 39 (2005) 3433-3440. Em um típico sistema primário de tratamento de esgoto, a eficiência na remoção dos sólidos suspensos e na demanda química de oxigênio é de aproximadamente 50% e 30% respectivamente. Mc-Graw Hill Book Company. Singapore, (1985) 207-228. O Al presente no LETA pode ser recuperado por acidificação. A recuperação do alumínio por acidificação torna o lodo mais concentrado. O Al (III) recuperado pode ser utilizado para a remoção do fósforo no tratamento de efluentes domésticos, mas não pode ser reutilizado como um coagulante em estações de tratamento de água porque, em condições extremamente ácidas, a matéria orgânica coloidal e alguns metais pesados são recuperados juntos. Journal, American Water Works Association. Lancaster, Oct. 1992, v.64, n.10, p.96-103.
Os resíduos de estação de tratamento de água podem ser substitutos efetivos e de baixo custo para os hidróxidos naturais de Fe e Al no tratamento de solos degradados pelo uso intensivo de pesticidas e fertilizantes. Environmental Pollution 146 (2007) 414-419. O LETA pode ser utilizado na produção de tijolos, telhas e blocos cerâmicos, dependendo da temperatura de queima e da concentração da mistura. Cerâmica 52 (2006) 215-220. O LETA também pode ser utilizado como material para o retardo de pega e aumento da trabalhabilidade de argamassas plásticas. Construction and Building Materials 21 (2007) 646-653. Outra opção, é na produção de concreto de média resistência com substituição total da brita por RCD e substituição parcial da areia pelo lodo (5% em massa). Ambiente Construído, abr/jun 2004, v.4, n.2, p.33-42.
Outro problema ambiental está relacionado à deposição irregular de resíduos de madeira. Aproximadamente 50% do volume original das toras tornam-se resíduos. Os resíduos de madeira quando depostos e misturados com outros resíduos são facilmente contaminados e dificilmente reciclados. São alternativas para reciclagem dos resíduos de madeira: Utilização destes resíduos na fabricação de painéis de madeira como MDF e aglomerados. BNDES Setorial. Rio de Janeiro n.6, p. 117-132, set. 1997. Produção de wood pellets que podem ser usados como combustíveis de caldeiras, fogões domésticos, etc. Biomass & Bioenergy 32 (2008) 90-93. Produção de etanol celulósico. Oil and Gas Jounal, 2 Jun 2008, 106 (21), 54-59. Produção de concreto leve de baixa condutividade térmica. Construction and Building Materials 21 (2007) 662-668.
Objetivos Desenvolver um compósito à base de LETA e serragem de madeira. Tornar o compósito uma opção para a substituição da pedra britada natural em aplicações na construção civil. Diminuir o impacto ambiental causado pela deposição irregular destes resíduos.
Procedimento Experimental Inicialmente foram determinadas as propriedades físico-químicas dos lodos das Estações de Tratamento de Água de Araraquara, São Carlos e Rio Claro. O lodo escolhido para a produção do compósito foi coletado na ETA de São Carlos no dia de limpeza de um de seus decantadores. A ETA de São Carlos trata atualmente 650 l/s de água bruta em sistema convencional e usa sulfato de alumínio como coagulante. O lodo da ETA de São Carlos é depositado de forma irregular no Córrego Monjolinho. A limpeza de cada decantador é trimestral e dura aproximadamente 4 horas.
Figura 1 - A ETA de São Carlos.
Figura 2 Deposição irregular no Córrego Monjolinho.
Figura 3 Momento de coleta do lodo.
Figura 4 Entrada dos funcionários no interior do decantador com jatos de água para forçar o escoamento do lodo.
Figura 5 Leito de drenagem de manta geotêxtil.
Tabela 1 Características das Mantas Geotêxteis Características Unidades OP-15 OP-20 OP-50 OP-60 Espessura Mm 1,5 2,0 4,1 4,5 Densidade Superficial g/m 2 150 200 300 600 Porosidade % > 90 > 90 > 90 > 90 Permeabilidade normal cm/s 3 x 10-1 3 x 10-1 3 x 10-1 3 x 10-1 Abertura µm 150 130 70 60 Peso Kg/m 2 0,15 0,20 0,50 0,40
Tabela 2 Características da Água Drenada ETA São Carlos Manta OP-60 Lodo bruto Água drenada Concentração sólidos (%) Sólidos totais (mg/l) Cor (uc) Turbidez (ut) Sólidos totais (mg/l) 1,79 14.700 790 70 190 2,97 26.300 650 45 60 4,38 31.270 380 50 50
Figura 6 Lodo seco em estufa a temperatura de 105 ± 05 o C.
Figura 7 Moedor de agregados graúdos.
Figura 8 Lodo seco e moído.
Figura 9 Serragem de madeira do gênero Pinus, seca a temperatura ambiente (dimensão máxima 3,64 mm).
Figura 10 Dosagem dos materiais e produção do compósito. Relação em massa Serragem:Lodo:Água (1:6:4,5)
Figura 11 Compósito de forma arredondada e dimensão 12 ± 2 mm.
Figura 12 Compósitos imersos por 1 min em óleo de linhaça.
Figura 13 Os materiais utilizados na produção do concreto.
Figura 14 Mistura dos materiais em betoneira.
Figura 15 Determinação da consistência e trabalhabilidade do concreto pelo processo de abatimento do tronco de cone. ABNT / NBR 7223 Concreto: Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone.
Figura 16 Preparo de corpos de prova cilíndricos e adensamento do concreto com vibrador mecânico. ABNT / NBR 5738 - Moldagem e cura de corpos de prova cilíndricos ou prismáticos de concreto.
Figura 17 Determinação da resistência à compressão áxial. ABNT / NBR 5739 Concreto: Ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos
Figura 18 Determinação da resistência à tração por compressão diamentral. ABNT / NBR 7222 Concreto: Determinação da resistência a tração por compressão diametral.
Figura 18 Determinação do módulo de elasticidade e deformação. ABNT / NBR 8522 Concreto: Determinação dos módulos de elasticidade e deformação.
Figura 19 Determinação da absorção de água, massa específica e índice de vazios. ABNT / NBR 9778 Concreto: Determinação da massa específica, absorção de água e índice de vazios.
Figura 20 Determinação das propriedades térmicas pelo método do fio quente paralelo. SANTOS W. N. (2002) Método do fio quente. Cerâmica 48 (306) Abr/Mai/Jun 86-91
Figura 21 Seção de um corpo de prova cilíndrico utilizada para micrografica óptica
Resultados Na Estação de Tratamento de Água de Araraquara, o lodo é removido até três vezes ao dia. Na Estação de Tratamento de Água de Rio Claro e na Estação de Tratamento Água de São Carlos, a remoção do lodo é trimestral. Quanto maior o acúmulo de lodo nos tanques de decantação, maior será a concentração de metais no resíduo e, conseqüentemente, maior será o impacto ambiental causado pela deposição irregular do mesmo.
Tabela 3 Propriedades físico-químicas do lodo das Estações de Tratamento de Água de Araraquara, São Carlos e Rio Claro. Physicochemical characteristics of sludge Concentration of solid (%) ph Color (uc) Turbidity (ut) Chemical oxigen demand (mg/l) Sludge from the water treatment plants in the Araraquara Rio Claro São Carlos 0.14 5.49 4.68 8.93 7.35 7.2 10,650 - - 924 - - 140 5,450 4,800 Total solids (mg/l) 1,620 57,400 58,630 Suspended solids (mg/l) 775 15,330 26,520 Dissolved solids (mg/l) 845 42,070 32,110 Aluminum (mg/l) 2.16 30 11,100 Zinc (mg/l) 0.1 48.53 4.25 Lead (mg/l) 0 1.06 1.6 Cadmium (mg/l) 0 0.27 0.02
Tabela 4 Análise comparativa das propriedades do compósito e da pedra britada 1. Propriedades Relação serragem:lodo:água (kg) Forma geométrica Massa específica (kg/dm 3 ) Dimensão máxima característica (mm) Massa unitária no estado seco e solto (kg/m 3 ) Absorção de água (%) Agregado Graúdo Compósito Pedra britada 1 1:6:4,5 _ Arredondada Angulosa 1,82 2,93 12 19 672 1.440 24 1,12 De acordo com o método ASTM C 330 [33], os agregados leves graúdos não devem ter massa unitária no estado seco e solto maior do que 880 Kg/m3.
Tabela 5 Análise comparativa dos valores médios das propriedades físicas e mecânicas dos concretos estudados. Propriedades Relação em massa cimento : areia : agregado graúdo : água Slump test (mm) Massa específica real (Kg/m 3 ) Massa específica aparente (Kg/m 3 ) Absorção de água (%) Índice de vazios (%) Resistência à compressão (MPa) Módulo de elasticidade (GPa) Módulo de deformação secante à tensão de ruptura (GPa) Resistência à tração (MPa) Concreto com o Compósito 1:2,5:0,67:0,6 70 ± 10 2.200 1.847 8,8 16,2 11,1 15,9 9,9 1,2 Concreto Referência 1:4,8:5,8:0,8 40 ± 10 2.699 2.373 5,1 12,1 20,9 27,9 7,3 2,2
Figura 23 Comportamento Tensão x Deformação dos concretos em estudo. 25 20 Tensão (MPa) 15 10 5 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Deformação (µε) Concreto Referência Concreto Produzido com o Compósito
Figura 23 Superfície de ruptura do concreto produzido com o compósito.
Figura 24 Micrografica óptica (400x) da área de transição compósito / argamassa matriz.
Conclusões O compósito produzido a base de lodo de estação de tratamento de água e serragem de madeira pode ser aplicado em concreto como agregado graúdo de peso leve. O concreto produzido com o compósito apresentou massa específica aparente de 1.847 Kg/m3 e resistência a compressão axial média de 11,1 MPa, caracterizando-se como concreto não estrutural de peso leve. A alta porosidade e o potencial de absorção de água do compósito exigiram elevada quantidade de água para o amassamento do concreto.
O concreto apresentaria melhores propriedades mecânicas com um compósito de maior resistência a compressão, menor potencial de absorção de água, menor dimensão e maior variabilidade granulométrica. O compósito apresentou boa aderência à matriz de argamassa e fissurou junto com esta durante a ruptura do concreto submetido a compressão e a tração por compressão diametral. Uma maior impermeabilização do compósito pode ser conseguida com o aumento do tempo de imersão do compósito no óleo de linhaça e com o aumento da pressão mecânica utilizada no seu processo de produção.
O concreto produzido com o compósito apresentou propriedades mecânicas adequadas à aplicação em elementos construtivos não estruturais. Esta pesquisa se caracteriza como um estudo pioneiro para o uso destes dois resíduos na produção de um compósito a base de estação de tratamento de água e serragem de madeira para aplicação como agregado graúdo na produção de concreto leve.
Agradecimentos Os autores agradecem: As instituições brasileiras, CAPES, MCT/CNPQ, USP e UFSCar, pelo suporte dado durante a pesquisa. A SABESP pelo convite e oportunidade de divulgação do trabalho científico e tecnológico. A todos os presentes. Muito Obrigado.