TRATAMENTO DE LÍQUIDO PERCOLADO GERADO EM ATERRO SANITÁRIO POR PROCESSO OXIDATIVO AVANÇADO PROCESSO FOTO-FENTON COMBINADO AO PROCESSO BIOLÓGICO ANAERÓBIO: EFICIÊNCIA DO REATOR CPC COMPOUND PARABOLIC CONCENTRATOR 1 Arthur Bernardes dos Santos, 2 Arinan Dourado Guerra Silva, 3 Márcia Gonçalves Coelho, 3 Vicelma Luiz Cardoso 1 Discente do curso de Engenharia Química da UFU/MG. 2 Bolsista de Iniciação Científica PIBIC/CNPq/UFU, discente do curso de Engenharia Química da UFU/MG. 3 Professora da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG. 1, 2, 3 Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av. João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia MG, CEP 38408-100. e-mail: mgcoelho@ufu.br RESUMO - Este trabalho teve por objetivo avaliar a eficiência do processo Foto-Fenton no tratamento dos líquidos percolados provenientes do aterro sanitário de Uberlândia MG. As amostras dos líquidos percolados foram coletadas entre junho/2006 e dezembro/2007, utilizando um reator CPC ( COMPOUND PARABOLIC CONCENTRATOR ). Os parâmetros de caracterização indicaram que as características dos líquidos percolados variam ao longo do tempo, sofrendo alternância entre a estação seca e a estação chuvosa. No estudo do tratamento foram utilizados H 2 O 2 e FeSO 4.7H 2 O, em concentrações calculadas com bases estequiométricas em relação à DQO do efluente. Observou-se que o processo Foto-Fenton alcançou eficiência de remoção percentual de DQO de até 88 %, com razão H 2 O 2 /Fe = 10 e razão estequiométrica H 2 O 2 /DQO = 1. Observou-se também, após o tratamento com o processo Foto-Fenton, que a da biodegradabilidade (DBO 5 /DQO) aumentou após tratamento em todos os ensaios realizados, ficando acima de 0,4 para a maioria das amostras. Palavras-chave: aterro sanitário, líquido percolado, processo Foto-Fenton. INTRODUÇÃO O crescimento populacional, acompanhado do desenvolvimento industrial e dos elevados padrões de consumo, vem provocando o aumento da geração de resíduos sólidos. Nos aterros sanitários, estes resíduos passam por processos físicos, químicos e biológicos de decomposição, gerando uma fração gasosa composta principalmente por CO 2 e CH 4 e uma fase líquida, comumente chamada de chorume (ou líquidos percolados de aterro sanitário). Este líquido apresenta alto poder de poluição e toxicidade e necessita de um tratamento adequado antes de ser descartado em um corpo receptor evitando-se assim maiores riscos de contaminação do solo, das águas subterrâneas e superficiais. O aterro sanitário de Uberlândia está em fase de envelhecimento, com tendência à estabilização da matéria orgânica e conseqüente diminuição da biodegradabilidade (DBO 5 /DQO) dos líquidos percolados gerados (Coelho et al., 2002). Geralmente, o tratamento de líquidos percolados de aterro mais antigos necessita de metodologias mais avançadas para remoção de compostos de difícil biodegradação (Ince,1988). Andrade (2002) observou que o tratamento biológico anaeróbio existente para tratamento dos líquidos que percolam pelo aterro sanitário de Uberlândia - MG não apresentava boa eficiência na remoção de DQO. Nos últimos anos, os Processos Oxidativos Avançados (POAs) têm sido considerados como uma excelente alternativa para o tratamento desse efluente. Estes processos são baseados na geração de radicais hidroxila OH que são espécies altamente oxidantes, em quantidade suficiente para provocar a mineralização da matéria orgânica em dióxido de carbono, água e íons inorgânicos. Os radicais hidroxila OH são espécies extraordinariamente reativas e atacam a maior parte das moléculas com taxas na ordem de 10 6 a 10 9 mol L -1 s -1 (EPA, 1998). Dentre os POAs existe o processo Foto- Fenton que consiste na adição de peróxido de hidrogênio H 2 O 2 que atua como agente oxidante e íons ferrosos Fe +2 (catalisador), na presença de radiação ultravioleta (UV), que no caso deste estudo foi utilizado os raios do sol. O processo Foto-Fenton tem sido aplicado à degradação de pesticidas (Pignatello e Sun, 1995), VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil
clorofenol (Ruppert et al., 1994; Montaser et al., 2000) e nitrofenol (Goi e Trapido, 2002), no tratamento de efluentes de indústria têxtil (Rodriguez et al., 2002; Kang et al., 2002; Araújo, 2002) e também no tratamento de líquidos percolados de aterro sanitário (Kim et al., 1997). Além disso, o processo Foto-Fenton pode também ser usado apenas para aumentar a biodegradabilidade DBO 5 /DQO do efluente, visando um posterior tratamento biológico (Jardim e Teixeira, 2004). Os reatores CPC ( COMPOUND PARABOLIC CONCENTRATOR ) são exemplos de reatores tubulares, onde as superfícies refletoras são moldadas no formato de involuta, posicionadas ao redor de tubos cilíndricos de vidro borossilicato (Figuras 1 e 2), por onde circula o efluente a ser tratado. Embora não concentrem a radiação solar incidente, esses reatores sobressaem-se pelo seu baixo custo, por não necessitarem de partes móveis, serem de fácil instalação e manutenção, e apresentarem bom aproveitamento da radiação solar incidente, inclusive das componentes difusas (Machado et al., 2005). MATERIAL E MÉTODOS Os testes oxidativos foram realizados em reator CPC. A Figura 3 apresenta a montagem da unidade experimental que consiste de um reator tubular. O reator solar foi construído de acordo com estudos realizados por Machado et al. (2005). A estrutura do reator foi construída empregando-se ferro chato e na forma de cantoneira, ambos com 3,18 cm de largura e 0,25 cm de espessura. A base para a superfície refletora foi montada com uma inclinação de 19 o referente à latitude da cidade de Uberlândia, garantindo-se, assim, um melhor aproveitamento da radiação incidente. A superfície refletora foi construída empregando-se chapas de alumínio anodizado de 0,8 mm de espessura, 1,25 m de comprimento, e 0,11 m de largura, curvadas no formato de involutas, como representado nas Figuras 1 e 2. Figura 1 - Representação em perfil mostrando o formato de involuta dos refletores de um reator CPC e as diversas formas de captação da radiação incidente (Machado et al., 2005). Figura 3 - Representação esquemática de um reator CPC: (a) tubos de vidro dispostos em série; (b) medidor de vazão; (c) bomba centrífuga; (d) sistema by-pass ; (e) registro de gaveta; (f) reservatório. Figura 2 - Detalhe da superfície refletora de um reator CPC (Machado et al., 2005). Este estudo tem como objetivos montar uma unidade experimental do processo Foto-Fenton utilizando o reator solar tipo CPC e avaliar a eficiência para o tratamento dos líquidos percolados gerados do aterro sanitário de Uberlândia - MG, utilizando o reator solar tipo CPC. As involutas foram fixadas sobre a estrutura metálica, empregando-se rebites. Sobre as mesmas, foram suportados os tubos de vidro borossilicato. Estes tubos, de 32 mm de diâmetro externo, 29,2 mm de diâmetro interno, e 1,50 m de comprimento, foram conectados em série. A área da superfície coletora era igual a 1,62 m 2 e o volume efetivo de reação foi de 12 L. O processo de tratamento constou também de um reservatório para o efluente a ser tratado, com capacidade máxima de 50 L. O volume total de operação foi de 140 L. Uma bomba centrífuga de 0,50 CV, com rotor e carcaça confeccionados em material inerte, viabilizou a circulação do efluente, com vazão máxima de 2 m 3 /h. As medidas da dose de radiação UV-A incidente foram feitas empregandose um Radiômetro Solar Light, PMA-2100, equipado com detector de UV-A. O estudo foi conduzido com líquidos percolados gerados no aterro sanitário de Uberlândia-MG, coletados nos meses de junho a
dezembro de 2007. As amostras foram coletadas a jusante da estação de tratamento biológico do aterro sanitário e armazenadas a 4 ± 1 o C, protegidas da luz. Após a montagem da unidade experimental foram realizados vários testes visando verificar a funcionalidade do sistema e a retirada dos vazamentos. Peróxido de hidrogênio (VETEC 30% v/v), sulfato ferroso hepta-hidratado (VETEC), ácido sulfúrico (ISOFAR), hidróxido de sódio (VETEC) foram utilizados. Antes de iniciar o processo oxidativo, era feita uma filtragem do líquido percolado bruto para retirada de sólidos grosseiros. O efluente a ser tratado era colocado no reservatório, onde o ph era ajustado para o valor de 3,0 ± 0,10, com a adição de H 2 SO 4 concentrado. Em seguida eram adicionados sulfato ferroso hepta-hidratado e peróxido de hidrogênio. Encerrado o tempo reacional, ajustava-se o ph para faixa de 7,0, com a adição de NaOH 6M. Interrompida a reação com a elevação do ph, aguardava-se a sedimentação do lodo por 18 horas. Uma alíquota de sobrenadante era filtrada através de uma bomba a vácuo e submetida às análises físico-químicas, feitas utilizando-se metodologia constante em APHA (1998). As dosagens de peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) foram calculadas estequiometricamente em relação à DQO, utilizando-se razão H 2 O 2 / DQO = 1 e a dosagem de ferro foi feita pela razão H 2 O 2 /Fe = 10 (Petean, 2005). RESULTADOS E DISCUSSÕES Os ensaios preliminares com a unidade experimental mostraram que o sistema não apresentava vazamentos. A Tabela 1 apresenta a caracterização do efluente após processo oxidativo, em reator solar. Tabela 1 Caracterização do Efluente após Processo Oxidativo utilizando o Reator CPC. Condições: Energia acumulada de 600 kj/m 2, para amostras (de A a G) com razão H 2 O 2 /Fe = 10, ph =3,0±0,10. Parâmetros A B C D E F DBO 5/DQO 0,46 0,24 0,15 0,37 0,65 0,65 0,38 (DBO 5/DQO) final 0,54 0,35 0,29 0,62 0,65 0,65 0,50 DQO inicial (mg O 2/L) 4756 4156 3710 5400 2184 1498 5105 DQO final (mgo 2/L) 570 831 482 900 500 413 1000 DBO 5 inicial (mg O 2/L) 2184 1032 563 2004 1419 974 1907 DBO final (mg 2/L) 308 290 140 560 313 268 500 CT inicial (mg/l) 1800 1300 1200 1704 1500 1696 1600 CT final (mg/l) 150 260 240 137 100 174 120 COT inicial (mg/l) 250 280 150 227 260 296 280 COT final (mg/l) 145 250 233 133 80 152 114 CI Iinicial (mg/l) 1550 1020 1050 1478 1240 1394 1220 CI final (mg/l) 5 10 7 4 20 22 6 Eficiência Remoção (DQO) (%) 88 80 87 83 77 73 80 Eficiência de Remoção (CI) (%) 83 80 80 92 94 90 93 DBO 5 Demanda biológica de oxigênio com 5 dias de incubação; DQO Demanda química de oxigênio, CT Concentração de carbono total; CI Concentração de carbono inorgânico; COT Concentração de carbono orgânico total. G Pode-se observar pelos resultados apresentados pela Tabela 1 que houve um aumento da biodegradabilidade do resíduo em questão, conforme mostra o aumento da relação DBO 5 /DQO, para a maioria das mostras analisadas, indicando que houve, possivelmente, quebra das moléculas contaminantes em fragmentos menores e mais facilmente biodegradáveis. Estes resultados estão em concordância com Araujo (2002), estudando a degradação de efluente da indústria têxtil pelo processo Foto-Fenton. Em seus estudos foi observado um aumento da biodegradabilidade do efluente de 0,32 para 0,45. Ahn et al. (1999) apud Araujo (2002) estudaram o processo Fenton como um pré-tratamento a um processo biológico, com o
intuito de aumentar a biodegradabilidade do efluente da indústria têxtil. Segundo esses autores, não é necessário aumentar a razão DBO 5 /DQO acima de 0,6, porque o custo do uso do reagente de Fenton é alto, e a razão DBO 5 /DQO= 0,4 já é suficiente como um valor mínimo para um tratamento biológico posterior. Santos (2003) submeteu líquidos percolados de aterros sanitários a dois Processos Oxidativos Avançados: a Ozonização e ao Processo Fenton. Com este trabalho, foram alcançados melhores resultados em relação à eficiência de remoção de DQO (77%), utilizando-se a reação de Fenton. Gonzaga (2005) estudou a fotocatálise heterogênea com TiO 2, aplicados ao tratamento dos líquidos percolados, alcançando eficiências de remoção percentual de DQO da ordem de 45% e 55%, quando combinados aos processos de clarificação e floculação, respectivamente. Petean (2005) estudou a degradação dos líquidos percolados oriundos do aterro sanitário de Uberlândia pelo processo Foto-Fenton, sendo tal sistema de tratamento extremamente eficiente na remoção de cor dos líquidos percolados, independente da biodegradabilidade, ocorrendo em poucos minutos após iniciar o processo oxidativo. Além disso, alcançou eficiência de remoção percentual de DQO de até 83%, nas condições experimentais estudadas. Os resultados apresentados na Tabela 1 mostram que a eficiência de remoção da Demanda Química de Oxigênio foi de 80 a 88 % e para o Carbono Total foi de 80 a 93, independente da sazonalidade, em concordância com os resultados do reator em batelada, para as condições estudadas e resultados anteriores obtidos por Petean (2005). Entretanto, tal processo de tratamento não conduziu o efluente aos padrões de lançamento exigidos pela legislação, necessitando um tratamento secundário. CONCLUSÃO Através dos resultados apresentados, concluiu-se que o processo Foto-Fenton foi mais eficiente que o processo Fenton na remoção de DQO dos líquidos percolados gerados no aterro sanitário de Uberlândia. O processo Foto-Fenton alcançou eficiência de remoção percentual de DQO de até 88%, utilizando razão molar H 2 O 2 /Fe = 10, razão estequiométrica H 2 O 2 /DQO = 1. Observou-se que a utilização do processo Foto-Fenton para tratamento dos líquidos percolados apresentou alta eficiência de remoção de DQO (80 a 88 %) independente da sazonalidade. Observou-se também que, após o tratamento com o processo Foto-Fenton, houve um aumento significativo da biodegradabilidade dos líquidos percolados, não conduzindo, entretanto, os efluentes a um padrão aceitável pela legislação para seu lançamento. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDRADE, S.M.A., 2002. Caracterização Físico- Química e Tratabilidade por Coagulação- Floculação dos Líquidos Percolados Gerados no Aterro Sanitário Municipal de Uberlândia - MG, PPGEQ/Faculdade de Engenharia Química da UFU, Uberlândia - MG. (Dissertação de Mestrado), 182 p. APHA, 1998. Standard methods for the examination of water and wastewater. Edited by A.E. Greenberg, L.S. Clesceri, and A.D. Eaton. 20th ed. American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation, Wash. ARAUJO, R.N., 2002. Degradação do corante azul reativo 19 usando UV; H 2 O 2 ; UV/H 2 O 2 ; Fenton e Foto-Fenton. Aplicação em efluentes têxteis, Faculdade de Engenharia Civil/UNICAMP, Campins - SP (Dissertação de Mestrado). COELHO, M.G., MARAGNO, A.L., LEMOS, J.C., LIMA, S.C., ALBUQUERQUE, Y.T., 2002. Avaliação Ambiental do Aterro Sanitário de Uberlândia, Relatório, 1000 p. EPA, 1998. Advanced Photochemical Oxidation Processes Handbook. Environmental Protection Agency, Center for Environmental Research Information. GOI, A., TRAPIDO, M., 2002. Hydrogen peroxide photolysis, Fenton reagent and photo-fenton for the degradation of itrophenols: acomparative study, Chemosphere, 46, 913-922. GONZAGA, K.A., 2005. Estudo da eficiência da fotocatálise heterogênea com TiO2 no tratamento de líquidos percolados provenientes do Aterro Sanitário de Uberlândia-MG, PPGEQ/ Faculdade de Engenharia Química da UFU, Uberlândia - INCE, N.H., 1988. Critical Effect of Hydrogen Peroxide in Photochemical Dye Degradation, Water Research, 33 (4), 1080-1084. JARDIM, W.F., TEIXEIRA, C.P.A.B., 2004. Caderno Temático Volume 3 - Processos Oxidativos avançados conceitos teóricos, Campinas. KANG, S-F., LIAO, C-H., CHEN, M-C., 2002. Pre- Oxidation of Textile Wastewater by the Fenton Process, Chemosphere, 46, 923-928. KIM, S.M., GEISSEN, S.U., VOGELPOHL, A., 1997. Landfill Leachate Treatment by a Photoassisted Fenton Reaction, Wat. Sci. Tech., 35 (4), 239-248. MACHADO, A.E.H., DUARTE, E.T., XAVIER, T.P., SOUZA, D.R., MIRANDA, J.A., 2005. Construção e Estudos de Performance de um Reator Fotoquímico Tipo CPC ( Compound
Parabolic Concentrator ), Quim. Nova, 28 (5), 921-926. MONTASER, Y.G., HARTEL, G., MAYER, R., HASENEDER, R., 2000. Photochemical oxidation of p-chlorophenol by UV/H 2 O 2 and photo-fenton process. A comparative study. Waster Management 21. PETEAN, P.G.C., 2005. Avaliação dos Processos de Fenton e Foto-Fenton no tratamento de líquidos Percolados Provenientes do Aterro Sanitário de Uberlândia - MG, PPGEQ/ Faculdade de Engenharia Química da UFU, Uberlândia - PIGNATELLO, J.J., SUN, Y., 1995. Complete oxidation of metachlor and methyl parathion in water by the photo-assisted Fenton reaction, Water Res., 29 (8), 1837-1844. RODRIGUEZ, M., SARRIA, V., ESPULGAS, S., PULGARIN, C., 2002. Photo-Fenton treatment of a biorecalcitrant wastewater generated in textile activities: biodegradability of the phototreated solution, Jounal of Photochemistry and photobiology A: Chemistry, 151, 129-135. RUPPERT, G., BAUER, R., HEISLER,G., 1994. UV-O 3, UV-H 2 O 2, UV-TiO 2 and the Photo- Fenton reaction - comparison of AOP s for wastewater treatment, Chemosphere, 28, 1447-1454. SANCINETTI, G.P., 2001. Tratamento por Lodos Ativados do Chorume Proveniente do Aterro Municipal de Uberlândia, PPGEQ/Faculdade de Engenharia Química da UFU, Uberlândia - SANTOS, L.P., 2003. Estudo da eficiência da fotocatálise heterogênea com TiO2 no tratamento de líquidos percolados provenientes do Aterro Sanitário de Uberlândia-MG, PPGEQ/Faculdade de Engenharia Química da UFU, Uberlândia - AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FAPEMIG pelos recursos fornecidos, através do Projeto TEC 0623/06 e ao CNPq pela bolsa concedida.