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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRÁULICAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM RECURSOS HÍDRICOS E
SANEAMENTO AMBIENTAL
DESIDRATAÇÃO DE LODOS DE ESTAÇÃO DE
TRATAMENTO DE ÁGUA
Dissertação de Mestrado
Eliana Maria Ferranti
Porto Alegre, maio de 2005.
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRÁULICAS
DESIDRATAÇÃO DE LODOS DE ESTAÇÃO DE
TRATAMENTO DE ÁGUA
ELIANA MARIA FERRANTI
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e
Saneamento Ambiental da Universidade Federal do Rio Grande do Sul como requisito
parcial para a obtenção do título de Mestre em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental.
Orientador: Gino R. Gehling
Banca Examinadora
Profª. Luciana P aulo Gomes (Ciências Exatas e Tecnologia/UNISINOS)
Prof. Antônio Domingues Benetti (IPH/UFRGS)
Prof. Francisco Ricardo Andrade Bidone (IPH/UFRGS)
Porto Alegre, maio de 2005.
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i
APRESENTAÇÃO
Este trabalho foi desenvolvido no Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos
e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do
Rio Grande do Sul (UFRGS), sob a orientação do Professor Dr. Gino Roberto Gehling da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
ii
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Dr. Gino Roberto Gehling, pela orientação e principalmente pela
compreensão durante todo este trabalho, pois o mesmo foi desenvolvido paralelamente às
atividades de servidora pública municipal, no DMAE.
Ao DMAE, por permitir a montagem do experimento no pátio da estação de
tratamento de água José Loureiro da Silva e por permitir o uso do lodo de suas estações de
tratamento de água no experimento.
À vice-direção do Instituto de Pesquisas Hidráulicas, pela aquisição de parte dos
materiais utilizados na confecção dos leitos e pela mão-de-obra na montagem dos mesmos.
À Divisão de Tratamento do DMAE, pela realização dos ensaios químicos e físico-
químicos, e à Divisão de Pesquisa do DMAE, pela realização dos ensaios de metais, em
especial aos colegas do laboratório de absorção atômica.
Aos colegas técnicos em tratamento de água e esgotos da Divisão de Tratamento do
DMAE, pelas inúmeras sugestões durante a montagem do experimento e pelo auxílio técnico
na realização das análises. Agradeço especialmente às colegas Rejane Ávila, Maria José Sá
Brito, Vera Klauck e Genilda Souza Prates pelo apoio e incentivo.
Aos funcionários da estação de tratamento de água José Loureiro da Silva e da Divisão
de Esgoto, pela dedicação e cuidado na coleta do lodo. Devo um agradecimento especial ao
colega Eduardo Moreira Fraga, chefe da ETA José Loureiro da Silva, por toda ajuda durante a
fase experimental desta dissertação.
À empresa Drenamac Ltda pela doação da manta geotêxtil, bidim OP-20, utilizada nos
experimentos.
Agradeço em especial ao meu marido, Bernardo Kloeckner, pelo incentivo, amor,
carinho e compressão durante este período.
Por fim, agradeço a minha grande família pela amizade e apoio em todos os
momentos.
iii
RESUMO
As estações de tratamento de água (ETAs), que utilizam sulfato de alumínio férrico e
possuem sistema de extinção para a cal, geram dois principais resíduos: o lodo de ETA, retido
nos decantadores durante a etapa de clarificação da água, constituído principalmente por
hidróxidos de alumínio, argilas, siltes, areia fina, material húmico e microrganismos e o
resíduo de cal, impureza insolúvel removida do processo de extinção da cal virgem,
constituído principalmente de carbonato e hidróxido de cálcio.
A pesquisa realizada no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS, em conjunto
com o Departamento Municipal de Água e Esgotos (DMAE), avaliou se a adição de resíduo
de cal ao lodo de ETA acelera o desaguamento do mesmo. Paralelamente, também foi
avaliada a eficiência de uma modificação estrutural nos leitos de secagem convencionais,
utilizando-se tijolos cerâmicos na base do mesmo, com o objetivo de avaliar se a capilaridade
dos tijolos auxilia o desaguamento do lodo. Uma vez que a quantidade de água presente no
lodo da ETA diminua, a utilização deste resíduo na indústria talvez seja economicamente
viável.
No primeiro experimento foram montados 12 (doze) leitos de secagem, seis
convencionais e seis modificados. Foi analisado o teor de umidade nos leitos em função do
tempo, bem como monitorado o teor de umidade relativa do ar. O segundo experimento foi
realizado em escala de bancada, utilizando-se 18 (dezoito) leitos de secagem forrados
internamente com manta geotêxtil do tipo bidim (OP-20). Os leitos possuíam um dreno de
fundo, para captura do líquido percolado. O experimento foi conduzido em triplicata, nas
proporções de 0,0%; 2,5%, 5,0%, 7,5%, 10,0% e 100,0% em peso de resíduo de cal. Foi
monitorado o volume de percolado em função do tempo para cada leito. Também foi
analisado o pH e a umidade inicial e final dos leitos, bem como o pH e a turbidez do líquido
percolado. No resíduo sólido remanescente nos leitos de secagem foi realizada análise de
fluorescência de RX.
No experimento de modificação estrutural da base dos leitos com uso de tijolos, não
foi observada nenhuma melhora no desaguamento do lodo. Acredita-se que os poros capilares
dos tijolos saturaram no início do experimento, perdendo seu poder de sucção. No segundo
experimento, foi observada uma melhora muito significativa em relação ao volume de líquido
percolado em função do tempo, comprovando que a adição de resíduo de cal ao lodo
iv
favoreceu a rápida desidratação do mesmo (chegando a ser 40 vezes maior). A relação ótima
foi verificada nos leitos que continham 5,0 % em massa de resíduo de cal. Todos os leitos que
sofreram a adição de resíduo de cal aumentaram bruscamente o pH e solubilizaram o íon
alumínio; porém aprisionaram os íons ferro e magnésio. Tanto a análise de fluorescência de
raio X do lodo puro, bem como da mistura com resíduo de cal, remanescentes nos leitos de
secagem, identificaram a presença de óxidos de cálcio, alumínio, ferro e sílica. Isso indica que
estes resíduos (lodo ou lodo mais cal) podem ser incorporado à matéria-prima do cimento.
Ter-se-ia, desta forma, um destino ecologicamente correto para os lodos de ETAs, que
deixaria de ser lançado em corpos d’água. A incorporação do lodo de ETA ao cimento traria
como principal vantagem o aumento da vida útil das jazidas de argila e de calcáreo, reduzindo
a destruição da paisagem, flora e fauna.
v
ABSTRACT
The water treatment plants (WTPs) that use ferric aluminum sulphate and have a lime
extinguishing system generate two main residues: the WTP sludge, retained in the decanters
during the water clarification stage which is composed mostly of aluminum hydroxides, clays,
silts, fine sand, humic matter, and microorganisms, and the lime residue, an insoluble
impurity removed from the extinguishing process and composed mainly of calcium carbonate
and calcium hydroxide.
The research conducted at the Instituto de Pesquisas Hidráulicas of the Universidade
Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) in association with the Departamento Municipal de
Água e Esgotos (DMAE) evaluated wether the addition of lime residue to the WTP sludge
accelerates its dewatering. Besides this, a structural modification of the conventional drying
beds was evaluated regarding its efficiency, by employing ceramic bricks in its basis, and
aiming at verifying if the bricks' capillarity assists in dewatering the sludge. Once the water
content of the WTP sludge is reduced, the industrial use of this residue may be economically
viable.
In the first experiment, 12 (twelve) drying beds were constructed, six conventional and
six modified. The water content in the beds was determined as a function of time, and the air
relative humidity was monitored. The second experiment was performed in bench scale, using
18 (eighteen) drying beds covered with geotextile blanket bidim (OP-20). These beds had a
bottom drain for capturing the percolated liquid. The experiment was conducted in triplicate,
with 0.0%, 2.5%, 5.0%, 7.5%, 10.0%, and 100.0% weight of lime residue. The percolated
volume was monitored as a function of time for each bed. The pH and the initial and final
water concentrations of the beds were analyzed, as well as the pH and turbidity of the
percolated liquid. The solid residue remaining in the drying beds was analyzed with X-ray
fluorescence.
The structural modification of the beds with ceramic bricks produced no observed
improvement in the sludge dewatering. It is believed that the capillary pores of the bricks
were saturated at the beginning of the experiment, thus losing their suction power. In the
second experiment, a very significant improvement in the amount of percolated liquid as a
function of time was observed, which demonstrates that the addition of lime residue favours
its rapid dewatering (eventually being 40 times greater). Optimum results were observed in
vi
beds containing 5.0% weight of lime residue. All beds where the lime residue was added
experienced a major pH increase and dissolved the aluminum ion, but captured the iron and
magnesium ions. Both X-ray fluorescence analysis of the pure sludge and sludge mixture
remaining in the drying beds, revealed the presence of calcium, aluminum, iron and silicon
oxides. It indicates that residues (pure sludge or sludge with lime) might be added to the raw
materials of cement. It would be had, of this form, a ecologicamente correct destination for
the silts of WTPs, that would leave of being launched in bodies water. The main advantage of
adding the WTP sludge residue to cement would be the increase in the useful life of clay and
limestone deposits and the smaller destruction of landscape, vegetation and wildlife.
vii
ÍNDICE
APRESENTAÇÃO...............................................................................................................
i
AGRADECIMENTOS.........................................................................................................
ii
RESUMO..............................................................................................................................
iii
ABSTRACT.........................................................................................................................
v
SUMÁRIO............................................................................................................................
vii
LISTA DE FIGURAS...........................................................................................................
x
LISTA DE TABELAS..........................................................................................................
xii
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS.....................................................................................
xiii
1. INTRODUÇÃO.......................................................................................................
1
2. OBJETIVOS............................................................................................................
2
2.1 – Objetivo geral.................................................................................................
2
2.2 – Objetivos específicos......................................................................................
2
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................................
3
3.1– Lodos de ETAs................................................................................................
3
3.1.1 – Origem dos lodos de ETAs: a coagulação da água bruta.....................
3
3.1.2 – Características qualitativas e quantitativas dos lodos de ETAs............
5
3.1.2.1 – Resistência específica à filtração...........................................
8
3.1.3 – Classificação das frações de água contida nos lodos............................
9
3.1.4 – Impactos ambientais e toxicidade dos lodos de ETAs..........................
10
3.1.4.1 – Solubilidade do íon alumínio................................................
12
3.1.5 – Efeito da presença de algas nas características dos lodos de ETAs.....
14
3.2 – Secagem........................................................................................................
15
3.2.1 – Penetração da umidade no interior dos sólidos....................................
15
3.2.1.1 – Tensão superficial.................................................................
15
3.2.1.2 – Ascensão capilar...................................................................
16
3.2.1.3 – Penetração da umidade em alvenarias..................................
20
3.2.1.4 – Temperatura de bulbo úmido................................................
21
3.2.1.5 – Curva de taxa de secagem.....................................................
23
3.2.2 – Perda de umidade por evaporação.......................................................
26
3.2.3 – Umidade crítica....................................................................................
27
3.2.4 – Umidade de equilíbrio.......................................................................
27
viii
3.3 – Desidratação dos lodos de ETAs.................................................................
28
3.3.1 – Condicionamento químico do lodo de ETA........................................
32
3.3.1.1 – Condicionamento químico com cal......................................
33
3.3.2 – Disposição da mistura em aterros sanitários........................................
35
3.4 – Resíduo do sistema de alcalinização: resíduo de cal....................................
36
3.5 – Métodos de tratamento e disposição final dos lodos de ETAs.....................
37
3.5.1 – Regeneração do coagulante por via ácida............................................
39
3.5.2 – Lançamento dos lodos de ETAs em ETEs..........................................
40
3.5.3 – Adição do lodo seco ao concreto.........................................................
41
3.5.4 – Fabricação de componentes cerâmicos................................................
42
3.5.5 – Matéria-prima na indústria do cimento................................................
43
3.5.5.1 – Etapas do processo de fabricação do cimento......................
45
3.5.5.2 – Reações químicas do cimento Portland................................
46
4. METODOLOGIA....................................................................................................
48
4.1 – Primeiro experimento...................................................................................
49
4.1.1 – Aspectos gerais....................................................................................
49
4.1.1.1 – ETA José Loureiro da Silva..................................................
49
4.1.1.2 – ETA São João.......................................................................
51
4.1.2 – Montagem dos leitos............................................................................
53
4.1.2.1 - Leitos convencionais...........................................................
54
4.1.2.2 - Leitos modificados..............................................................
56
4.2 – Segundo experimento...................................................................................
59
4.2.1 - Montagem dos leitos de secagem.........................................................
59
4.2.2 – Coleta do lodo do decantador..............................................................
60
4.2.3 – Coleta do resíduo de cal.......................................................................
60
4.2.4 – O experimento: mistura de lodo com resíduo de cal...........................
61
4.3 – Análises realizadas........................................................................................
63
4.4 – Tratamento estatístico dos resultados obtidos……………………………..
63
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO.............................................................................
64
5.1 – Primeiro experimento..................................................................................
64
5.1.1 – Lodo ETA São João.............................................................................
64
5.1.2 – Lodo ETA José Loureiro da Silva.......................................................
67
5.2 – Segundo experimento...................................................................................
71
ix
5.2.1 – Resultados das análises do resíduo de cal............................................
71
5.2.2 – Resultados das análises de lodo...........................................................
72
5.2.3 – Resultados das análises das mesclas de lodo com resíduo de cal........
72
5.2.4 – Resultados das análises do percolado dos leitos..................................
74
5.2.5 – Análise do volume de líquido percolado em função do tempo...........
79
5.2.6 – Resultados da análise de fluorescência de raio X................................
91
6. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES...............................................................
93
6.1 – Conclusões....................................................................................................
93
6.2 - Recomendações.............................................................................................
95
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................
96
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1: Diagrama Estabilidade -Mecanismos de coagulação para o alumínio.............
4
Figura 3.2:
Distribuição da água no lodo............................................................................
9
Figura 3.3: Tensões intermoleculares..................................................................................
16
Figura 3.4: Mecanismo de ascensão da água......................................................................
17
Figura 3.5: Diâmetro capilar x pressão capilar....................................................................
18
Figura 3.6: Diâmetro capilar x vazão..................................................................................
19
Figura 3.7: Determinação do ângulo de contato entre a água e a parede do poro...............
19
Figura 3.8: Força de ascensão capilar x umidade relativa...................................................
20
Figura 3.9: Esquema ilustrativo da transferência de energia durante a vaporização água..
21
Figura 3.10: Determinação da umidade relativa do ar….............................................…...
22
Figura 3.11: Velocidade de secagem contra teor de umidade do sólido….........................
23
Figura 3.12: Distribuição da umidade num leito sólido particulado, durante o período de
taxa decrescente....................................................................................................................
24
Figura 3.13: Distribuição da umidade num leito sólido particulado, no trecho DE............
25
Figura 3.14: Distribuição da umidade num leito s
ólido particulado, no final do processo
de secagem............................................................................................................................
25
Figura 3.15: Sistema ilustrativo dos sistemas de leitos modificados por Cordeiro ............
29
Figura 3.16: Curvas de remoção de águas de sistemas modificados por Cordeiro ………
30
Figura 3.17: Lodos condicionados submetidos a diferentes forças centrífugas..................
31
Figura 3.18: Fluxograma da ETL da SANASA..................................................................
38
Figura 4.1: ETA José Loureiro da Silva..............................................................................
50
Figura 4.2: ETA São João...................................................................................................
52
Figura 4.3: Estrutura dos leitos de secagem em alvenaria.………………..………....…...
54
Figura 4.4: Seção transversal dos leitos convencionais......................................................
54
Figura 4.5:
Montagem dos leitos convencionais.................................................................
56
Figura 4.6: Seção transversal dos leitos modificados..........................................................
56
Figura 4.7: Detalhe das aberturas laterais nos leitos modificados………………………..
57
Figura 4.8: Layout da alocação dos leitos de secagem........................................................
58
Figura 4.9: Cilindros plásticos vazados...............................................................................
59
Figura 4.10: Leitos de secagem de resíduo do Sistema de Alcalinização...........................
60
Figura 4.11: Fluxograma das etapas do segundo experimento…………………………...
62
Figura 5.1: Lodo da ETA São João sendo descarregado nos leitos....................................
64
Figura 5.2: Líquido drenado nos leitos modificados...........................................................
65
xi
Figura 5.3: Tempo (em dias) versus umidade dos leitos.....................................................
66
Figura 5.4: Aspecto do lodo nos leitos de secagem............................................................
69
Figura 5.5: Umidade média dos leitos em função do tempo...............................................
70
Figura 5.6: Teor de resíduo de cal versus percentual de redução da umidade do lodo…...
74
Figura 5.7: Aspecto do precipitado formado após a neutralização do percolado................
76
Figura 5.8:
Aspecto do percolado do leito 1, leito 4, leito 7 e do leito 10..........................
78
Figura 5.9: Aparência da mistura nos leitos quatro horas após o início do experimento....
79
Figura 5.10:
Volume de líquido percolado em função do tempo, para os leitos que
continham apenas lodo.........................................................................................................
86
Figura 5.11: Volume de líquido percolado em função do tempo, para os leitos que
continham 2,5 % de resíduo de cal. .....................................................................................
86
Figura 5.12:
Volume de líquido percolado em função do tempo, para os leitos que
continham 5,0 % de resíduo de cal.......................................................................................
87
Figura 5.13: Volume de líquido pe
rcolado em função do tempo, para os leitos que
continham 7,5 % de resíduo de cal. .....................................................................................
87
Figura 5.14:
Volume de líquido percolado em função do tempo, para os leitos que
continham 10,0 % de resíduo de cal.....................................................................................
88
Figura 5.15:
Volume de líquido percolado em função do tempo, para os leitos que
continham apenas resíduo de cal. ........................................................................................
88
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1: Principais características do lodo de ETA que utiliza sulfato de alumínio......
5
Tabela 3.2:
Análise química do lodo das ETAs do SEMAE...............................................
6
Tabela 4.1: Resultados obtidos na análise do lodo desidratado da ETA JLS......................
51
Tabela 4.2: Resultados obtidos na análise do lodo desidratado na ETA SJ........................
53
Tabela 4.3: composição percentual dos leitos de secagem..................................................
60
Tabela 4.4: métodos empregados nas análises das amostras...............................................
63
Tabela 5.1: Dados de umidade dos leitos do lodo da ETA São João..................................
66
Tabela 5.2: Tabela ANOVA para lodo da ETA São João – umidade.................................
67
Tabela 5.3: Dados de umidade do lodo nos leitos de secagem para o lodo da ETA JLS....
70
Tabela 5.4: Tabela ANOVA para lodo da ETA JLS – umidade.........................................
71
Tabela 5.5: Caracterização do resíduo de cal......................................................................
71
Tabela 5.6: Caracterização do lodo utilizado no experimento............................................
72
Tabela 5.7: Ensaios realizados nas misturas presentes em cada leito.................................
73
Tabela 5.8: Tabela ANOVA - mistura de lodo com resíduo de cal – umidade...................
73
Tabela 5.9: Ensaios realizados no percolado dos leitos.......................................................
75
Tabela 5.10: ANOVA – turbidez do percolado da mistura de lodo c/ resíduo de cal.........
75
Tabela 5.11: Teores de alumínio antes e após a neutralização do percolado......................
76
Tabela 5.12: Tabela ANOVA - alumínio solúvel no percolado da mistura de lodo c/ cal..
77
Tabela 5.13:
Volume de líquido percolado em função do tempo para os leitos que
continham apenas lodo.........................................................................................................
80
Tabela 5.14:
Volume de líquido percolado em função do tempo para os leitos que
continham 2,5 % de resíduo de cal.......................................................................................
81
Tabela 5.15:
Volume de líquido percolado em função do tempo para os leitos que
continham 5,0 % de resíduo de cal.......................................................................................
82
Tabela 5.16:
Volume de líquido percolado em função do tempo para os leitos que
continham 7,5 % de resíduo de cal.......................................................................................
83
Tabela 5.17: Volumes de líquido percolado em função do tempo para os leitos com 10,0
% de resíduo de cal...............................................................................................................
84
Tabela 5.18:
Volume de líquido percolado em função do tempo para os leitos que
continham apenas resíduo de cal..........................................................................................
85
Tabela 5.19: Quantidade de água passível de ser drenada presente nos leitos....................
91
Tabela 5.20: Resultados de florescência de RX.................................................................
92
xiii
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS
ABNT........................................................................Associação Brasileira de Normas Técnicas
COT........................................................................................................Carbono Orgânico Total
CPGq...............................................Centro de Estudos em Petrologia e Geoquímica da UFRGS
DMAE....................................................................Departamento Municipal de Água e Esgotos
DVP.............................................................................................Divisão de Pesquisa do DMAE
DVT........................................................................................Divisão de Tratamento do DMAE
EPAL.................................................................................Empresa Portuguesa de Águas Livres
ETA............................................................................................Estação de Tratamento de Água
ETE......................................................................................... Estação de Tratamento de Esgoto
ETL............................................................................................Estação de Tratamento de Lodo
IPH........................................................................Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS
JLS....................................................................................................ETA José Loureiro da Silva
pH.........................................................................................................Potencial Hidrogeniônico
REF..........................................................................................Resistência Específica à Filtração
SANASA.................................................. Sociedade de Abastecimento de Água e Saneamento
SEMAE..................................................Serviço Municipal de Água e Esgoto de São Leopoldo
SSMA...............................................................................Secretaria da Saúde e Meio Ambiente
SJ...........................................................................................................................ETA São João
TBU...............................................................................................Temperatura de Bulbo Úmido
TSC......................................................................................................Tempo de Sucção Capilar
UFRGS....................................................................Universidade Federal do Rio Grande do Sul
UNT.....................................................................................Unidade Nefelométrica de Turbidez
UTR....................................................................................Unidade de Tratamento de Resíduos
1
1 – INTRODUÇÃO
A constante preocupação com a proteção dos mananciais e melhoria da água bruta
captada nas Estações de Tratamento de Água (ETAs) conduz à necessidade de tratamento e
destinação final dos lodos gerados no processo de potabilização. O principal resíduo obtido
neste processo é o lodo do decantador, formado por um acúmulo de sólidos resultantes de
processos de coagulação química, floculação e sedimentação da água bruta, que ficam retidos
no fundo do decantador de uma ETA convencional. Este lodo contém altas concentrações de
sais de alumínio ou ferro, misturados com materiais orgânicos, inorgânicos e hidróxidos
precipitados. O principal empecilho no tratamento deste lodo é sua característica de difícil
desidratação.
Atualmente, em virtude da necessidade de adequação do pH da água tratada à Portaria
518 (2004) do Ministério da Saúde, algumas empresas de saneamento passaram a alcalinizar a
água que produzem, a fim de manter o pH da mesma na faixa recomendada, entre 6,0 e 9,5. A
maioria das empresas optou pelo processo de alcalinização com cal extinta (Ca(OH)
2
), a partir
da cal virgem (CaO). O processo de extinção da cal virgem ocorre em uma unidade
denominada Sistema de Alcalinização e dele se origina um segundo resíduo: o lodo de cal,
formado principalmente por impurezas presentes na matéria-prima, como por exemplo,
carbonato de cálcio e hidróxido de magnésio. Este lodo, da mesma forma que o lodo do
decantador, também precisa ser adequadamente tratado e disposto.
Este trabalho se concentrou na busca de métodos para acelerar a desidratação do lodo
de decantadores, de modo a viabilizar outro destino ao mesmo, que não seja o envio à rede de
esgotamento sanitário ou pluvial, como atualmente ocorre na quase totalidade das ETAs. O
trabalho buscou ainda identificar um novo destino viável aos lodos de ETA.
2
2 – OBJETIVOS
2.1 – Objetivo geral
Este trabalho tem o propósito de investigar alternativas para acelerar o processo de
desidratação dos lodos de ETA’s visando sua posterior disposição ou aproveitamento. Isso foi
feito mediante o condicionamento deste com o lodo de cal, formado pelo resíduo do processo
de preparação do hidróxido de cálcio [Ca(OH)
2
]. Paralelamente, também foi testada uma
modificação na montagem dos leitos de secagem, utilizando tijolos cerâmicos vazados de
construção civil na sua base. Esperava-se, com isso, que a ação de capilaridade, aliada à
convecção natural do ar através dos furos dos tijolos aumente a drenagem da água na base do
leito, favorecendo a desidratação.
2.2 – Objetivos específicos
Os objetivos específicos que se procurou alcançar na primeira etapa deste trabalho
foram:
•
Avaliar o comportamento de lodos de estações de tratamento de água que
operam de forma distintas (decantação convencional e decantação ascendente
por contato com manto de lodo), quando dispostos em leitos de secagem
convencionais;
•
Verificar se a utilização de materiais cerâmicos porosos na base dos leitos de
secagem contribuem para acelerar o desaguamento dos lodos de ETAs;
A segunda etapa teve como objetivos específicos:
•
Verificar se a adição de resíduo de cal ao lodo de ETA acelera o desaguamento
do mesmo, quando disposto em leitos de secagem;
• Verificar qual a relação ótima de lodo de ETA / resíduo de cal, em termos de
volume de líquido percolado em função do tempo;
•
Avaliar o comportamento dos metais alumínio, ferro e magnésio devido ao alto
pH da mistura de lodo com resíduo de cal;
• Avaliar o pH e a turbidez do líquido percolado dos leitos que continham
diferentes proporções de lodo de ETA com resíduo de cal;
• Identificar um destino final viável aos lodos de ETA, de modo a minimizar
impactos ambientais.
3
3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 – Lodos de ETAs
O tratamento da água é composto por várias etapas. Na etapa de clarificação, a água
bruta sofre processos físico-químicos a fim de eliminar as partículas causadoras de tubidez.
Ao final deste processo, tem-se água clarificada e um resíduo que fica retido no fundo dos
decantadores das ETAs e que é denominado lodo de ETA.
3.1.1 – Origem dos lodos de ETAs: a coagulação da água bruta
Na água bruta, além de partículas sedimentáveis, existem impurezas que se
apresentam como partículas sólidas que se mantêm em suspensão devido a sua carga
eletrostática, seu pequeno tamanho e seu peso reduzido. Estas partículas, ditas colóides,
apresentam diâmetro entre 10
-3
e 1 micra. O procedimento mais comum para eliminar estes
sólidos consiste em desestabilizá-los e uni-los, formando flocos, que sedimentam com
facilidade.
Coagulação é a adição de um agente químico a uma dispersão coloidal que resulta
na desestabilização das partículas através da redução das forças que as mantém separadas.
Os mecanismos de coagulação da água são muito complexos e envolvem propriedades de
superfície, potenciais elétricos, interações solvente-soluto, solvente-partículas, produtos de
solubilidade, condições de mistura e de pH, entre outros.
A agregação destas partículas consiste, então, na redução de sua carga elétrica ou na
superação dos efeitos desta carga. Os mecanismos de coagulação da água ocorrem das seguintes
formas (DI BERNARDO, 1992; apud GONÇALVES, 1997):
•
compressão da dupla camada: de natureza eletrostática. Ocorre quando uma grande
quantidade de eletrólitos indiferente é atraída para as proximidades da superfície
dos colóides, fazendo com que haja a compressão da dupla camada formada na
superfície das partículas.
4
• neutralização-adsorção de cargas: neste mecanismo, os hidroxo-complexos, os
cátions hidratados e os precipitados carregados positivamente são adsorvidos na
superfície dos colóides, possibilitando sua coagulação e remoção por
sedimentação, flotação ou filtração.
• varredura: se as concentrações de coagulante são elevadas há excessiva formação
de precipitados. A precipitação floculenta destes hidróxidos removerá por captura
os colóides presentes no meio, e os próprios colóides servirão como sementes para
a formação do precipitado.
• formação de pontes: é típico para sistemas nos quais sejam adicionados compostos
orgânicos de cadeia longa (polieletrólitos). As interações entre os sítios ativos
destas macromoléculas e os colóides promovem a sua aglomeração.
Vários estudos (DI BERNARDO, 1992; apud GONÇALVES, 1997) têm proposto
diagramas de equilíbrio que relacionam as espécies de alumínio solúveis e a quantidade de
alumínio precipitado com os mecanismos de coagulação. Um exemplo deste tipo de diagrama
é mostrado na Figura 3.1. Também as eficiências de remoção de parâmetros como cor e
turbidez para diferentes tipos de água bruta e dosagens de coagulante podem ser representadas
nos referidos diagramas.
-8
-7
-6
-5
-4
-3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
pH
Log Al (moles/l)
Al(OH)2+
Al(OH)4-
Al6(OH)15 3+
Al13(OH)34 5+
Varredura
Combinacão Varredura/
adsorção
Adsorcão
desestabilização
Zona de reestabilização
Figura 3.1: Diagrama Estabilidade -Mecanismos de coagulação para o alumínio
(GONÇALVES, 1997).
5
3.1.2 – Características qualitativas e quantitativas dos lodos de ETAs
O resíduo do processo de clarificação, que fica retido nos decantadores, é um lodo
composto por hidróxidos de alumínio, argilas, siltes, areia fina, material húmico e
microrganismos. É uma substância não-newtoniana, extremamente gelatinosa e resistente ao
adensamento, principalmente quando a água bruta possui baixa turbidez.
A tabela 3.1 apresenta as principais características observadas no lodo (fresco) de
ETAs que utilizam sulfato de alumínio como agente clarificante:
Tabela 3.1: Principais características do lodo de ETA que utiliza sulfato de alumínio
Parâmetro Valor médio
Alumínio (% peso seco) 21,2
Cálcio (% peso seco) 2,7
Ferro (% peso seco) 3,2
Potássio (% peso seco) 1,7
Magnésio (% peso seco) 0,45
Enxofre (% peso seco) 2,0
Fósforo (% peso seco) 0,35
COT (% peso seco) 3,1
DBO
5
(mgO
2
/L) 45
DQO (mgO
2
/L) 500
Carbonato de cálcio equivalente (%) 15
Fonte: ELLIOT & DEMPSEY (1991) apud ABOY (1999).
As estações de tratamento de água operadas pelo Departamento Municipal de Água e
Esgotos (DMAE), em Porto Alegre, empregam sulfato de alumínio como coagulante. As
ETAs São João e Belém Novo utilizam, ainda, polímero não-iônico como coagulante auxiliar.
ABOY (1999) e SILVA (1999) analisaram os lodos desidratados das ETAs São João e
José Loureiro da Silva, operadas pelo DMAE. A principal diferença entre o lodo destas ETAs
está no tempo em que o mesmo permanece no decantador. Na ETA José Loureiro da Silva a
descarga do lodo é feita em média a cada 40 dias, e na ETA São João, a cada 10 minutos, com
sistema de pulsos; porém, no referido estudo, o mecanismo de pulsos do decantador da ETA
São João foi alterado, de modo que o lodo permaneceu três dias no sistema antes de ser
coletado.
6
SANTOS et al. (1993) efetuou a caracterização química do lodo das ETAs do SEMAE
(Serviço Água e Esgoto de São Leopoldo/RS) por fluorescência de raios-X. A análise química
do lodo é apresentada na tabela 3.2.
Tabela 3.2: Análise química do lodo das ETAs do SEMAE
Composição Química Lodo da ETA
SiO
2
34,80 %
Al
2
O
3
22,30 %
TiO
2
0,94 %
Fe
2
O
3
6,60 %
CaO 0,40 %
K
2
O 0,57 %
Na
2
O 0,23 %
MgO 0,69 %
MnO 0,17 %
S 2990 ppm
FeO 2,90 %
perda por ignição 27,99 %
De acordo com a NBR-10.004 (2004), os lodos são enquadrados como “resíduos
sólidos”. ABOY (1999) realizou alguns ensaios recomendados por esta norma e concluiu que
eles são resíduos sólidos – Classe II A – não inertes e, portanto, devem ser tratados e
dispostos dentro dos critérios estabelecidos por esta norma.
A natureza e a quantidade de lodos gerados numa ETA depende, entre outros, dos
seguintes fatores (GRANDIN, 1993 apud ABOY, 1999):
• Sólidos em suspensão, turbidez e cor aparente da água bruta;
• Dosagens de produtos químicos coagulantes e condicionantes como cal, sulfato de
alumínio, cloreto férrico, polieletrólitos e carvão ativado;
• Freqüência de remoção de lodo dos decantadores;
Segundo CORNWELL et al. (1987) apud CORDEIRO (2001), a concentração de
sólidos que entra no decantador pode ser relacionada à turbidez da água bruta, sendo
multiplicada por um fator que pode variar entre 1,5 e 2,2.
7
Assim, a concentração de partículas que entra no decantador pode ser dada por:
TC
e
.5,1=
(1)
em que:
C
e
= concentração de partículas que entram no decantador (mg/L);
T = turbidez da água bruta (uT);
Em relação à dosagem de coagulante, considerando-se que seja aplicado sulfato de
alumínio, estequiometricamente, cerca de 44 % da dosagem utilizada fica sob a forma de
sólido. Assim, CORNWELL et al. (1987) apud CORDEIRO (2001) desenvolveu a seguinte
equação:
).5,1.44,0.(.0864,0 ATDQW
+
+
=
(2)
onde:
W = quantidade de lodo (kg/d);
Q = vazão de adução de água bruta (L/s);
D = dosagem de sulfato de alumínio (mg/L);
T = turbidez de água bruta (uT);
A = dosagem de “auxiliares” ou outros produtos adicionados (mg/L).
O tempo de sucção capilar (TSC) e resistência específica à filtração (REF) são os
indicadores mais comumente utilizados para caracterizar a desidratabilidade de lodos. O
índice TSC representa a filtrabilidade do lodo e apresenta resultados realísticos, desde que não
atue nenhuma pressão sob o sistema. O índice REF indica a permeabilidade do lodo e sua
determinação é similar à operação de um filtro prensa. Geralmente, muitos erros são
encontrados quando se trata de lodos com conteúdo de sólidos muito baixo (PAN et al. ,
2003).
8
3.1.2.1 – Resistência específica à filtração
Quando se força uma suspensão contra um leito poroso, parte do sólido fica retida
sobre esse meio, formando um depósito denominado torta, e cuja espessura vai aumentando
no decurso da operação. Esta torta formada é que será o verdadeiro leito poroso filtrante. As
características da torta variam com o tipo de partículas suspensas e com as condições gerais
da filtração, sendo que a resistência oferecida ao escoamento do filtrado varia ainda com a
espessura da mesma. Se a vazão de filtrado aumenta, essa resistência também deve aumentar
e, considerando o escoamento do fluido como laminar, a perda de carga deveria aumentar
linearmente com a taxa de filtração (BRAGA, 2003).
Esse comportamento ideal denomina-se incompressibilidade; entretanto, não é o que
se observa quando as partículas em suspensão são floculentas ou gelatinosas, e não
perfeitamente cristalinas. Sendo assim, a resistência ao fluxo aumenta mais rapidamente do
que a velocidade do escoamento, determinando uma relação que não será de primeira ordem
entre essas grandezas. Dessa forma, a literatura preconiza a utilização de auxiliares de
filtração, que funcionam como uma espécie de esqueleto incompressível, entre a torta e o leito
filtrante original. São muito utilizados: areia fina, diatomita, amianto, gesso e carvão, etc.
A resistência específica à filtração (REF), clássico parâmetro utilizado na avaliação da
desidratabilidade de suspensões, tem a seguinte equação constitutiva, de acordo com os
experimentos mais recentes, desde o pioneiro trabalho de HENRY DARCY, 1856 (BRAGA
2003):
(3)
onde:
η é a viscosidade do fluido, k (permeabilidade) e c são parâmetros que dependem apenas de
fatores estruturais da matriz porosa, quando não ocorrem interações físico-químicas entre esta
e o fluido (MASSARANI, 1997 apud BRAGA, 2003).
COACKLEY e JONES (1956) apud BRAGA (2003), derivaram uma equação, a partir
do trabalho de CARMAN (1933), de adaptação da Lei de Darcy para a filtração, em especial à
vácuo, definindo a resistência específica à filtração, (R), conforme:
9
(4)
onde:
dV/dt = Vazão;
∆P = Diferença de pressão no sistema;
A = Superfície do meio filtrante;
L = Espessura do meio filtrante;
η= Viscosidade do fluido e
R = Resistência Específica à Filtração ( REF).
Valores típicos de resistência específica à filtração para lodos de ETEs são 4-12.10
13
m/kg para lodos ativados, 3-30.10
13
m/kg para lodos digeridos, 3-10.10
11
m/kg para lodos
primários condicionados, 2-20.10
11
m/kg para lodos digeridos condicionados (BERNES et al.
1981 apud BERKTAY, 1998). Valores elevados de resistência específica à filtração indicam
que o lodo é de difícil desidratação.
3.1.3 – Classificação das frações de água contida nos lodos
A água contida nos lodos pode ser dividida em três frações, conforme ilustrado na
figura 3.2:
Figura 3.2: Distribuição da água no lodo.
Fonte: TSANG & VESILIND (1990) apud IDE (1994)
ÁGUA
LIVRE
ÁGUA INTERSTICIAL
ÁGUA DE SUPERFÍCIE
ÁGUA DE LIGAÇÃO
10
• Água intersticial: está adsorvida na superfície das partículas sólidas. Pode ser
removida por força mecânica ou pelo uso de floculante.
•
Água intracelular ou de ligação: É a água de constituição da partícula. É parte da fase
sólida e só pode ser removida através de forças térmicas que provoquem uma mudança
no estado de agregação da água, isto é, através do congelamento ou evaporação
• Água superficial: água de superfície ou coloidal, que é a umidade que está presa na
superfície das partículas sólidas por adsorsão e adesão,
• Água livre: é a água retida entre os flocos de maneira similar a uma esponja; não é
associada com as partículas sólidas, e pode ser facilmente separada por gravidade;
3.1.4 – Impactos ambientais e toxicidade dos lodos de ETAs
O despejo dos lodos de ETAs nos cursos d’água aumenta a turbidez e a cor aparente
das águas receptoras, ocasionando impactos aos mananciais, principalmente à camada
bentônica.
A resolução CONAMA 357/05, em seu capítulo IV estabelece as condições e os
padrões para o lançamento de efluentes em corpos d’água. Com relação aos materiais
sedimentáveis, a norma estabelece o limite de até 1 mL/L em teste de 1 hora em cone Imhoff.
A Lei n° 9.605, publicada no Diário Oficial da União, em 13 de fevereiro de 1998,
trata das sanções penais e administrativas derivadas de condutas e atividades lesivas ao meio
ambiente. Seção III – Da Poluição e outros Crimes Ambientais, artigo 54 “causar poluição de
qualquer natureza em níveis tais que resultem ou possam resultar em danos à saúde humana,
ou que provoquem a mortandade de animais ou a destruição significativa da flora”; pena:
reclusão, de 1 a 4 anos e multa.
Existem numerosas pesquisas do efeito do alumínio no meio ambiente. Ele é
comumente encontrado em águas naturais de pH maior que 4,0 em concentrações menores
que 0,1 mg/L. A química do alumínio na água é extremamente complexa no que se refere à
forma molecular ou à concentração de cada espécie, sendo essencialmente dependente do pH
(STUMM & MORGAN, 1996).
11
Um efeito secundário do alumínio em meio aquático está relacionado a sua forte
ligação com fosfatos, imobilizando-os. Conseqüentemente, a presença não natural de alumínio
no meio ambiente, ocasiona impactos no ciclo do fósforo, que é um nutriente essencial para a
vegetação aquática, plânctons e perifitons.
KAGGWA et al., (2001), estudando o impacto dos descartes de lodos de alumínio nos
banhados de Uganda, concluíram que a presença do lodo afetou a produtividade da Cyperus
papyrus.A produtividade da espécie caiu de 13-14 g/m
2
.d para 5 g/m
2
.d em banhados que
recebiam descartes constantes de lodo. Observações microscópicas revelaram anomalias nas
raízes da planta, mas sintomas de toxicidade de alumínio não foram diagnosticados. Acredita-
se que as anomalias estão relacionadas à deficiência de fósforo, imobilizado pela presença do
alumínio no lodo.
Estudos (MILLER, 1984 apud CORDEIRO, 1999) mostraram que pacientes
submetidos à diálise sofriam de demência quando a concentração de alumínio na água
utilizada encontrava-se acima de 0,08 mg/L. Outros pesquisadores (REDICDIT, 1975 apud
CORDEIRO, 1999) acreditam que o alumínio seja responsável por doenças cardiovasculares,
como a coagulação cardiovascular. Esta pesquisa também sugere que altas concentrações de
alumínio estão diretamente ligadas ao mal de Alzheimer.
Por outro lado, STAUBER et al. (1999) estudando a biodisponibilidade do alumínio
na água potável, afirma que é pouco conhecido o mecanismo de absorção, transporte,
distribuição nos tecidos e excreção do alumínio em seres humanos.
Tem-se estimado que apenas uma fração (0,1 a 1,0 %) do alumínio ingerido é
absorvido no trato intestinal. A absorção gastrointestinal do alumínio varia largamente entre
indivíduos. A biodisponibilidade do alumínio em água potável pode depender de fatores tais
como: a espécie de alumínio, a idade do indivíduo, a quantidade de alimento no intestino, a
concentração de ácido silícico e a habilidade da parede do intestino em seqüestrar o alumínio
(PRIEST, 1996 apud STAUBER et al., 1999).
Uma vez absorvido, o alumínio acumula-se nos ossos, rins, fígado e cérebro. No
plasma sangüíneo o alumínio é usado para transportar albumina. A meia vida do alumínio no
sangue é de sete a oito horas. A maior parte do alumínio absorvido é excretado na urina como
12
uma pequena carga de íons solúveis ou como um complexo citrato-fosfato, enquanto que
menos de 5 % é excretado nas fezes e bílis.
Em indivíduos saudáveis com função renal normal, a quantidade de alumínio oriunda
da água potável é baixa. A biodisponibilidade do alumínio nessa condição é de 0,37 % e é
similar à encontrada nos alimentos (0,28 – 0,64 %), confirmando que o alumínio oriundo da
água potável não é mais facilmente absorvido que o alumínio oriundo de alimentos, e
portanto, é improvável que contribua para a incidência do mal de Alzheimer (STAUBER et
al., 1999).
3.1.4.1 - Solubilidade do íon alumínio
Aboy (1999), procurando verificar o comportamento do metal alumínio durante a
desidratação dos lodos de ETAs, utilizou leitos de secagem construídos em alvenaria,
recobertos com uma manta geotêxtil do tipo Bidim OP-20. Os resultados das análises das
amostras do líquido drenado dos três leitos de secagem estudados durante toda a operação de
desidratação, mostraram que as cargas de alumínio foram extremamente baixas e não se
diferenciaram estatisticamente entre si. O lodo desidratado mostrou altas cargas do metal,
sugerindo que o mesmo ficou praticamente todo retido na massa desidratada, sobre os leitos.
Os possíveis fatores responsáveis por esse fenômeno não foram avaliados, mas provavelmente
a componente orgânica do lodo, com a sua capacidade adsortiva/quelante “aprisionou” o
metal, proporcionando a formação de complexos metálicos estáveis.
Segundo ELLIOT et al. (1991) apud ABOY (1999) a toxicidade do alumínio está
relacionada com sua solubilidade e não com sua quantidade.
A Norma Técnica estadual nº 01/89 da SSMA/RS, que dispões sobre critérios e
padrões de efluentes líquidos a serem observados por todas as fontes poluidoras que lançam
seus efluentes nos corpos d’água interiores do Rio Grande do Sul, fixa em 10 mg/L de
alumínio (III) a concentração máxima permitida para lançamento de efluentes. (Rio Grande
do Sul, 1989).
13
A solubilidade dos eletrólitos depende de numerosos fatores, tais como: pH,
temperatura, natureza do solvente, tamanho das partículas e força iônica, entre outros. Nem
sempre todos eles são perfeitamente conhecidos e definidos para um dado sistema em estudo
(LEE, 1996).
Segundo OHLWEILER (1982), muitos eletrólitos pouco solúveis se ionizam de uma
maneira simples, mas a situação torna-se mais complexa porque os íons respectivos reagem
com a água e, então, a descrição do comportamento da solução tem que levar em conta os
vários equilíbrios.
Este é o caso do alumínio, que se comporta, quando hidratado, como ácidos
polipróticos de Brönsted:
Al
+3
+ H
2
O ↔ Al(OH)
+2
+ H
3
O
+
(5)
Al(H
2
O)
6
+3
+ H
2
O
↔
Al(H
2
O)
5
OH
+2
+ H
3
O
+
(6)
As reações deste tipo determinam a dependência do cátion hidratado ao pH do meio.
E, no caso do pH alcalino em que será efetuado o estudo de co-disposição dos lodos,
necessário se faz um acompanhamento deste íon no percolado dos leitos (OHLWEILER,
1982).
Ainda segundo o mesmo autor, o Al(OH)
3
é anfótero. Ele reage principalmente como
base, isto é, reage com ácidos para formar sais que contêm o íon [Al(H
2
O)
6
]
+3
. Contudo, o
Al(OH)
3
mostra um caráter ácido quando se dissolve em NaOH, formando aluminato de
sódio (mas o Al(OH)
3
é reprecipitado mediante a adição de CO
2
, mostrando que as
propriedades ácidas são muito fracas).
Al(OH)
3
excesso de NaOH
NaAl(OH) (7)
NaAlO
2
.2 H
2
O
A fórmula dos aluminatos é freqüentemente representada como NaAlO
2
.2H
2
O (que é
equivalente a [Al(OH)
4
]
-
). Espectros Raman sugerem que a estrutura do íon aluminato é mais
complicada do que parece, variando a estrutura tanto com o pH como com a concentração
(OHLWEILER, 1982).
14
Entre pH 8,0 e 12,0 os íons se polimerizam, usando pontes OH, e cada alumínio
apresenta coordenação octaédrica. Em solução diluída e a valores de pH acima de 13,0 existe
um íon tetraédrico, [Al(OH)
4
]
-
. Em soluções concentradas, acima de 1,5 molar, e em valores
de pH superiores a 13, 0 o íon existe na forma de dímero: [(HO)
3
Al-O-Al(OH)
3
]
-2
.
3.1.5 – Efeito da presença de algas nas características dos lodos de ETAs
Devido à eutrofização dos corpos d'água, os lodos de ETAs, predominante-
mente constituídos de materiais inorgânicos, começaram a apresentar uma quantidade muito
maior de material orgânico devido ao conteúdo de algas que ficam retidos no mesmo, durante
o processo de potabilização da água. Estudos mostraram que a presença de matéria orgânica
na água bruta produz flocos de lodo menores, com maior índice de água, resultando em uma
capacidade de desidratação menor. KONNO apud PAN et al. (1999) verificou que a carga
negativa na superfície das partículas de lodo aumentava com a quantidade de algas (e com sua
matéria orgânica extracelular).
PAN et al. (1999) investigou a influência das algas e de sua matéria orgânica
extracelular no condicionamento e desidratação dos lodos provenientes de corpos d'água
eutrofizados de Taiwan (lodos com alto conteúdo de algas). Foi monitorado o índice de COT
(carbono orgânico total), o TSC (tempo de sucção capilar) e o conteúdo de água de ligação
durante o envelhecimento do lodo. Foi identificado que o COT diminuía durante o
envelhecimento do lodo, indicando que as algas, bem como a matéria orgânica extracelular
delas, foram degradadas anaerobicamente por bactérias e microrganismos presentes no lodo.
No início do envelhecimento (três primeiros dias) o material orgânico adsorvido na
superfície dos flocos de lodo substituía a água de superfície resultando numa diminuição do
conteúdo de água de ligação. À medida que o envelhecimento do lodo progredia, mais
material orgânico ia sendo produzido e adsorvido, o que tornava a superfície dos flocos de
lodo hidrofílica. Desta forma, mais água era atraída para o floco, e o aumento do índice de
água de ligação foi observado entre os dias 4 e 7. Ao final do processo de envelhecimento, as
células de algas e o material orgânico extracelular foram completamente destruídos,
libertando a água adsorvida na superfície e tornando hidrofóbico o floco de lodo.
15
A variação do potencial zeta também foi monitorada durante o envelhecimento do
lodo, que iniciou com valores ligeiramente negativos, tendo um pico no quinto dia. Após, os
valores do potencial zeta tornaram-se menos negativos, e uma inversão da carga foi observada
no12° dia. Acredita-se que isso foi devido à destruição gradual das células das algas
(carregadas com carga negativa) a partir do 5° dia. A variação do TSC apresentou valor mais
baixo entre os dias 5 e 7, devido, provavelmente, à formação de flocos maiores, causados pela
bio-floculação. Testes de condicionamento do loco com polímero catiônico, indicaram que a
dosagem mínima de polímero foi utilizada no 5° dia, justamente quando a carga da superfície
do lodo estava mais negativa e o TSC era menor. Isso comprova que o condicionamento do
lodo está intimamente ligado com as propriedades da superfície dos flocos e que estas, por sua
vez, se alteram durante o processo de envelhecimento do lodo.
3.2 – Secagem
3.2.1 – Penetração da umidade no interior dos sólidos
Um mecanismo essencial para que se compreenda o fenômeno da infiltração de
umidade no interior de um sólido é o da capilaridade, o qual se esclarece a partir do
entendimento de comportamento intermolecular da água e sua conformação superficial.
3.2.1.1 – Tensão superficial
As superfícies que delimitam os volumes dos materiais possuem características
diferentes daquelas existentes no seu interior. A diferença, entretanto, não é de natureza visual
ou química, mas de comportamento. Uma propriedade notável de tal comportamento é a
tensão superficial, responsável pela manutenção da conformação externa do material.
Segundo AGOPYAN apud KAZMIERCZAK (1989), a tensão superficial de um
líquido é proveniente da configuração das tensões intermoleculares. A figura 3.3 apresenta
uma idéia desta configuração.
16
Figura 3.3: Tensões intermoleculares.
(Fonte: KAZMIERCZAK, 1989).
Na figura acima percebe-se que as moléculas no interior do líquido tem suas forças
equilibradas pelas moléculas que a cercam. As moléculas que se encontram na superfície, não
tem suas forças equilibradas. Nestas, as linhas de forças são desviadas de modo a reforçar as
ligações com as moléculas que a cercam, causando o fenômeno denominado tensão
superficial.
A tensão superficial atua sobre uma pequena profundidade, correspondendo a zona em
que as moléculas não estão equilibradas.
As forças das ligações intermoleculares dependem da densidade dos corpos. A ligação
é mais intensa em sólidos e líquidos do que em gases. Nos líquidos, verificamos que sempre
que a força da gravidade supera as forças intermoleculares as superfícies se mantêm num
mesmo nível, a distância constante do centro da Terra. Nas moléculas da água, as forças
intermoleculares atingem um raio de 10
-8
m. As moléculas que estiverem afastadas a uma
distância superior a esta não sofrerão influência de outras moléculas.
3.2.1.2 – Ascensão capilar
Em pequenos volumes, a tensão superficial é superior à gravidade e o líquido adquire
forma esférica. Quando o líquido está em contato com uma superfície sólida com tensão
superficial demasiado elevada, a forma esférica não se conserva.
Segundo GRATWICK apud KAZMIERCZAK, 1989, ao aumentar o volume, a força
da gravidade passa a exercer maior influência sobre o líquido e a conformação muda. Quando
17
uma grande gota de água é colocada sobre uma superfície sólida horizontal, ela se estende em
todas as dimensões até que haja equilíbrio entre as forças atuantes. Entretanto, se o líquido
entrar em contato com uma superfície vertical antes de entrar em equilíbrio, ele tenderá a
subir nesta como se fosse uma extensão da superfície horizontal, até que haja equilíbrio de
forças. Para diminuir a resistência devido à tensão superficial que se contrapõe à ascensão da
água, o líquido toma a forma de uma curvatura esférica, que lhe proporciona menor superfície
com tensão superficial. O processo segue o esquema apresentado pela figura 3.4:
Figura 3.4: Mecanismo de ascensão da água. (KAZMIERCZAK, 1989).
Se houverem duas paredes verticais, quanto menor a distância entre estas superfícies,
maior será a disparidade entre as forças das moléculas do líquido, das moléculas das
superfícies verticais e a força da gravidade, que é constante. Portanto, para pequenos
capilares, a água subirá mais pelas paredes, até que o equilíbrio com a força da gravidade seja
efetuado.
As figuras 3.5 e 3.6 apresentadas por AGOPYAN apud KAZMIERCZAK (1989),
mostram a influência do diâmetro capilar para a pressão de infiltração e para o valor do fluxo
da água em materiais porosos, respectivamente.
18
Figura 3.5: Diâmetro capilar x pressão capilar.
(
Fonte: KAZMIERCZAK, 1989).
Conforme indicado na figura 3.5, constata-se que, para um mesmo ângulo de contato
entre o avanço da água e a superfície do poro, quanto menor o diâmetro do poro, maior será a
pressão no mesmo.
Entretanto, para uma mesma porosidade e pressão, quanto maior o diâmetro do poro,
maior será a vazão correspondente.
19
Figura 3.6: Diâmetro capilar x vazão.
(Fonte: KAZMIERCZAK, 1989).
A figura 3.7 (GRATWICK apud KAZMIERCZAK, 1989) mostra a determinação do
ângulo de contato entre as paredes de um poro.
Figura 3.7: Determinação do ângulo de contato entre a água e a parede do poro.
20
3.2.1.3 – Penetração da umidade em alvenarias
Segundo BABA apud KAZMIERCZAK, (1989) outro fator que influi na força da
ascensão capilar é a umidade relativa do componente, uma vez que após a saturação dos poros
a força capilar deixa de existir, como pode ser observado na figura 3.8:
Figura 3.8: Força de ascensão capilar x umidade relativa.
(Fonte: KAZMIERCZAK, 1989).
A diferença de pressão entre a superfície interna e externa da alvenaria atua sob as
aberturas de pequeno diâmetro, favorecendo a penetração da água (KAZMIERCZAK, 1989).
O movimento de um líquido nos capilares é dado pela Lei de Poiseuille:
l..8
).(
12
2
η
PPr
V
−
= (8)
Onde:
V = velocidade, em cm/s
r = raio do capilar, em cm;
η = viscosidade dinâmica do líquido, em poises;
P
1
, P
2
= pressão nos dois extremos do capilar, em pascais;
l
= comprimento do capilar, em cm.
21
Todos os sólidos são descontínuos, principalmente os materiais usados na construção
civil. Entre seus cristais ou células, apresentam pequenos espaços ou poros, que podem se
tornar contínuos e que podem formar verdadeiros tubos e planos capilares.
Segundo VERÇOZA (1987), a capilaridade também pode agir em outro sentido, mas
sempre se caracteriza pela passagem da água através de poros. No entanto, a direção do fluxo
influi muito. No caso de capilaridade de cima para baixo, a gravidade aumenta a força de
penetração; e de baixo para cima, diminui.
Ainda segundo o mesmo autor, quando a base de uma peça com tubos capilares – é o
caso de tijolos, argamassas e concretos porosos – encosta-se a uma superfície úmida, a água
sobe até atingir o equilíbrio, que variará em cada canal. No caso de paredes de tijolos ou
concreto, a umidade geralmente sobe até 70 – 75 cm. Em casos especiais, no entanto, pode
alcançar alturas bem maiores.
3.2.1.4 -Temperatura de Bulbo Úmido (TBU)
Uma corrente de ar, não saturada de umidade, circulando sobre uma película de água,
à temperatura do próprio ar, criará junto a superfície do líquido, uma pressão parcial de vapor
da água superior à existente na corrente principal do gás. (PERRY & CHILTON, 1980).
Figura 3.9: Esquema ilustrativo da transferência de energia durante a vaporização da água.
Essa diferença de concentração será o potencial causador da difusão de vapor d’água
da superfície para a corrente principal. Há necessidade de ocorrer vaporização da água para
22
manter a pressão parcial de vapor, com a exigência de suprir-se o calor de vaporização. Essa
energia é obtida normalmente do calor sensível da camada de líquido, estabelecendo-se uma
diferença de temperatura entre a superfície do líquido e a corrente de ar, transferindo-se o
calor da corrente principal de ar para a superfície do líquido.
Admitindo-se que o processo se realiza adiabaticamente, estabelecer-se-á um
equilíbrio nesta queda de temperatura, quando o calor transferido para a superfície líquida for
igual ao consumido na vaporização da água da superfície molhada. Como a água evapora às
custa do calor sensível contido na película de água, esta baixa sua temperatura.
A temperatura de equilíbrio que a superfície molhada atinge é chamada de
temperatura de bulbo úmido (TBU) do ar. Essa temperatura se mantém constante, pois todo
calor entregue pelo ar para a película será igual ao calor necessário para a água evaporar.
Assim, percebe-se que a TBU depende não só da temperatura do ar na corrente principal
(temperatura de bulbo seco), mas também da pressão parcial de vapor nessa corrente, ou seja,
da umidade relativa, que rege a difusão do vapor da superfície líquida para o ar (PERRY &
CHILTON, 1980).
Uma forma de se determinar a umidade relativa do ar é calcular a velocidade de
evaporação da água. Para isso, dois termômetros idênticos são expostos ao ar: um trás o bulbo
descoberto; outro tem o bulbo coberto por gaze umedecida, conforme visualizado no esquema
apresentado na figura 3.10:
Figura 3.10: Determinação da umidade relativa do ar.
23
A temperatura do segundo termômetro é, pelo arranjo, inferior à do primeiro, porque a
água evaporada da gaze resfria o bulbo. A partir da diferença de leitura entre os dois
termômetros, e com a ajuda de uma tabela, pode ser encontrado o valor da umidade relativa.
3.2.1.5 – Curva de taxa de secagem
Curva que caracteriza os diferentes períodos de secagem por que passa um sólido, em
função do decréscimo do teor de umidade, enquanto avança a secagem. Um esboço da curva
pode ser visualizado na figura 3.11:
Figura 3.11: Velocidade de secagem contra teor de umidade do sólido.
(Fonte: PERRY & CHILTON, 1980)
TRECHO AB ou A’B: Período inicial, onde a taxa aumenta ou diminui, conforme
encontra-se a temperatura do sólido no início da secagem. Período curto, até que a
temperatura inicial do sólido seja igual a temperatura de bulbo úmido do ar.
TRECHO BC: Período de taxa constante, caracterizada pela velocidade de secagem
constante. Neste período a superfície do sólido acha-se coberta por uma película de água. A
temperatura do sólido mantém-se constante e a taxa de secagem é determinada pelas mesmas
leis que regem a evaporação de uma camada líquida, sem sólido presente. A temperatura do
sólido é aproximadamente igual a da TBU do ar quando o calor é transmitido para a superfície
de evaporação do sólido, por convecção.
24
TRECHO CDE: Período de taxa decrescente inicia quando a umidade do sólido atinge
um valor determinado, conhecido como umidade crítica, e a taxa de secagem começa a
decrescer, dividida em duas zonas:
Ø Zona de superfície de secagem não saturada (não toda molhada): TRECHO CD: vem
logo a seguir a da taxa constante, iniciando logo após a umidade crítica onde o sólido começa
a apresentar áreas secas, que se ampliam a medida que a secagem avança. Vai, assim,
diminuindo a taxa, já que é referida à área molhada em contato com o ar de secagem.
Nesta zona, a taxa de secagem é, freqüentemente, função linear da umidade do sólido,
pois a resistência à difusão interna do líquido é pequena frente a resistência de remoção do
vapor superficial. O aspecto do sólido pode ser visualizado na figura 3.12:
Figura 3.12: Distribuição da umidade num leito sólido particulado, durante o período
de taxa decrescente (Fonte: FOUST, 1982).
Ø Zona em que o fluxo interno governa a secagem: TRECHO DE: os fatores que
influenciam a taxa de secagem nesta zona são os mesmos que afetam a difusão da água
através de sólidos. Observa-se que a umidade e velocidade do ar não têm efeito na taxa de
secagem, pois esta depende da resistência a difusão interna da água (PERRY, 1980,
adaptado).
À medida que a umidade do sólido baixa, a velocidade de difusão decresce. Nesta
zona, a evaporação ocorre dentro da estrutura do sólido, num plano que tende a se retrair cada
vez mais para o interior do sólido, a medida que a secagem prossegue.
25
O aspecto do sólido pode ser visualizado na figura 3.13:
Figura 3.13: Distribuição da umidade num leito sólido particulado, no trecho DE
(Fonte: FOUST, 1982).
Muitos sólidos não atravessam todos os períodos, dependendo do teor de umidade do
sólido, das condições do ar e características físicas do sólido. O ponto E é denominado de
umidade de equilíbrio e é fixo para um determinado material nas condições do ar de secagem.
Assim, por mais que se prolongue o tempo de secagem, não se variando as condições
do ar, o teor de umidade do material não diminui além da umidade de equilíbrio (PERRY,
1980). No final da secagem o sólido tem o aspecto ilustrado na figura 3.14:
Figura 3.14: Distribuição da umidade num leito sólido particulado, no final do
processo de secagem (Fonte: FOUST, 1982).
26
3.2.2 - Perda de umidade por evaporação
Quando ocorre a evaporação na superfície de um sólido, a umidade se desloca das
camadas internas para a superfície. Este mecanismo de movimento exerce papel importante na
secagem, principalmente durante o período de taxa de secagem decrescente.
Algumas teorias já tentaram explicar o mecanismo, que buscava encontrar a equação
da curva de velocidade com o tempo durante o período decrescente. Entre estas teorias estão:
Ø Teoria da difusão do líquido (no sólido): alguns autores julgam que o movimento de
líquido (umidade) no sólido é causado pelo gradiente de concentração de umidade entre as
partes internas e a superfície. Ao aplicar-se as leis da teoria da difusão, para muitos casos,
obtiveram dados teóricos e levantamentos experimentais coincidentes, quando se buscava o
tempo de secagem (FOUST, 1982).
O processo de deslocamento de umidade é, provavelmente, limitado a soluções sólidas
de uma única fase, formada com a umidade, como o sabão, gelatina e matérias que contém a
chamada umidade ligada.
Entende-se por umidade ligada aquela que exerce pressão de vapor de equilíbrio
inferior à pressão de vapor do líquido puro na mesma temperatura.
Durante o período de taxa de secagem constante, o teor de umidade do material é
elevado e o gradiente também, resultando que a quantidade de líquido difundida no sólido é
igual a evaporada na superfície. Continuando, o gradiente pode baixar a um valor tal que a
taxa de secagem fique controlada pela difusão líquida no sólido (FOUST, 1982).
Ø Teoria do movimento pela capilaridade: nos materiais granulares e porosos, o
movimento da água no sólido se dá devido a forças capilares. Durante o período de taxa
constante, o movimento por capilaridade é bastante rápido e mantém a superfície molhada. A
medida em que há o avanço da secagem, a água que se desloca no interior dos capilares é
substituída por ar.
Quando os minúsculos reservatórios de líquido abaixo da superfície do sólido secam, a
superfície líquida se retrai para dentro dos capilares e a evaporação ocorre abaixo da
27
superfície, num plano que se desloca tanto mais ao fundo do sólido, quanto mais seco o
material fica. É o período de taxa decrescente (FOUST, 1982).
3.2.3 - Umidade crítica
Esta é a umidade que possui o material quando termina o período de taxa constante e
inicia o período de taxa decrescente. Nestas condições, o movimento do líquido do interior
para a superfície é insuficiente para repor a água que vaporiza na superfície.
Assim, esta umidade depende da velocidade de deslocamento da água do interior até a
superfície e, portanto, da porosidade, espessura e outras características físicas que influem no
deslocamento. Até hoje não foram obtidas relações satisfatórias que permitem calcular a
umidade crítica, pela complexidade de funções dependentes (PERRY & CHILTON, 1980).
3.2.4 - Umidade de equilíbrio
Se um material em secagem é posto em contato com o ar de condições definidas e
constantes, por um tempo suficientemente longo para que seja atingido o equilíbrio relativo à
umidade e temperatura, esta umidade final que o material tiver atingido é conhecida como
umidade de equilíbrio. Esta condição de umidade não se alterará por maior que seja o tempo
de contato, a não ser que se mude a condição do ar.
A umidade de equilíbrio depende das características do sólido (porosidade, etc) e das
condições do ar (temperatura, umidade, etc). Para muitos materiais, a umidade de equilíbrio
depende também da maneira como o material foi trazido às condições de equilíbrio com o ar.
Materiais orgânicos, coloidais e fibrosos possuem umidade de equilíbrio bastante elevada se
comparada com materiais granulares de sólidos insolúveis (PERRY & CHILTON, 1980).
28
3.3 – Desidratação dos Lodos de ETAs
Muitos pesquisadores (GONÇALVES, 1997; LERSCH, 1992; SALES &
CORDEIRO, 2001; HOPPEN et al., 2003) têm se dedicado ao estudo de alternativas para a
disposição final do lodo: regeneração do coagulante, incorporação do lodo desidratado ao
concreto ou a componentes cerâmicos, fabricação de cimentos, etc. Apesar de muitos destes
estudos apresentarem resultados altamente positivos, os corpos d’água continuam sendo o
destino da maioria dos lodos produzidos nas ETAs no Brasil.
É economicamente inviável destinar o lodo para alguma empresa que o aceite como
matéria-prima; isso porque o transporte do mesmo torna-se extremamente dispendioso devido
a enorme quantidade de água (aproximadamente 97 %) agregada ao lodo. Necessário se faz
que, em primeira instância, promova-se sua desidratação, reduzindo seu volume; porém,
devido à natureza gelatinosa do lodo, sólido em repouso e líquido quando agitado, sua
desidratação é extremamente difícil.
Em 1991, a Administração do DMAE criou uma comissão interna de técnicos de nível
superior, através da Portaria 321/91, com o propósito de estudar o tratamento e a disposição
dos lodos provenientes do uso de sulfato de alumínio como agente clarificante no processo de
potabilização da água. Este trabalho gerou um relatório (LERSCH et al., 1992), e nele foram
abordadas as seguintes tecnologias:
•
Filtro rotativo a vácuo;
• Prensas desaguadoras;
• Centrifugação;
O estudo contou com testes pilotos com os lodos do DMAE no filtro rotativo a vácuo
do SITEL (Sistema Integrado de Tratamento de Efluentes Líquidos do Pólo Petroquímico do
Sul), bem como com testes pilotos na centrífuga instalada na ETA Belém Novo, cedida pela
empresa Westfalia, além de visita à empresas da região que utilizavam prensas desaguadoras.
O parecer final do relatório apresentado pela comissão recomenda a utilização de centrífugas,
devido à sua simplicidade de instalação, facilidade de operação, pequena manutenção,
reduzida mão-de-obra para manter a operação do sistema, requerendo apenas operadores para
o preparo do polieletrólito e descarte do lodo desidratado (LERSCH et al., 1992).
29
Apesar da conclusão do estudo (ainda em 1992) o lodo continua a ser descartado no
lago Guaíba, em virtude dos elevados custos de implementação deste sistema. Cabe destacar
que as três tecnologias testadas, o filtro rotativo à vácuo, a prensa desaguadora e a
centrifugação, requerem o aporte de energia elétrica.
Os leitos de secagem têm sido utilizados para remoção de água de rejeitos de diversos
tipos de tratamento de águas residuárias e de abastecimento desde o início de século XX,
praticamente sem mudanças consideráveis na sua estrutura física (CORDEIRO, 2001).
Nos sistemas tradicionais, a estrutura básica é formada por camada suporte, meio
filtrante e sistema drenante. A possibilidade de mudança nos arranjos físicos foram testadas
por CORDEIRO (2001), que utilizou uma manta geotêxtil sobre a camada filtrante do leito,
como mostra o esquema da figura 3.15 (a), denominado leito modificado 1. Os estudos
evoluíram para uma proposta de leito modificado 2 (figura 3.15 (b)), em que a areia foi
removida e o leito, constituído por uma camada de brita de 01 a 05 cm e, sobre esta, uma
manta geotêxtil.
Figura 3.15: Sistema ilustrativo dos sistemas de leitos modificados por Cordeiro
(1993) e (2000), respectivamente. (Fonte: CORDEIRO, 2001)
30
Esta evolução (b) mostrou-se muito mais eficiente que a anterior (a), pois o tempo de
drenagem da água livre diminuía bruscamente com o novo arranjo, conforme pode ser
visualizado na figura 3.16 (CORDEIRO, 2001).
Figura 3.16: Curvas de remoção de águas de sistemas modificados por Cordeiro (1993) e
remodelado em 2000. (Fonte: CORDEIRO, 2001)
WU et al. (2003) efetuaram testes com uma centrifuga de elevada velocidade para
avaliar a influência de G (expresso em termos do número de vezes que a força centrífuga
aplicada é maior que a força gravitacional) na desidratabilidade do lodo. A umidade residual
das tortas desidratadas foi avaliada. Os resultado estão ilustrados na figura 3.17. Os índices
de umidade das tortas de lodos condicionados com polímeros diminuíram continuamente com
valores crescentes de G, enquanto que lodos não condicionados diminuíam com G
inicialmente até o valor de 6244, a partir do qual não se alteravam expressivamente. Isso
indica que água ainda pode ser removida da torta de lodo condicionado aumentando G acima
6244 e que o mesmo não ocorre com o lodo não condicionado. Assim, embora os polímeros
não produzam água mais removível, eles possibilitam a formação de flocos mais resistentes
para suportar a força elevada da centrifugação. Entretanto, os flocos quebrados e deformados
dos lodos não condicionados tendem a reter mais umidade. Desta forma, os sistemas de
desidratação que envolvem alta pressão, devem utilizar lodos condicionados, pois eles
possibilitam a formação de flocos mais resistentes o que aumenta a desidratabilidade dos
lodos, levando a tortas mais secas.
31
Figura 3.17: Lodos condicionados submetidos a diferentes forças centrífugas.
FONTE: WU et al. (2003).
BACHE & PAPAVASILOPOULOS (2003) estudaram os fatores que influenciam o
condicionamento e a desidratação de lodos obtidos pela coagulação de águas coloridas com
baixa turbidez (aproximadamente 2 UNT). Havia muitos indicadores da presença de Al(OH)
3
(s) dentro dos flocos deste tipo de lodo, de modo que eles realizaram uma série de
comparações entre este lodo e uma suspensão de hidróxido de alumínio de concentração
equivalente à fração coagulada dentro do lodo. Os parâmetros estudados foram: tamanho e
densidade do floco, adsorção de polímeros e desempenho de desidratação a diferentes escalas
de tempo. Em todos os casos, havia fortes similaridades nas características das duas
suspensões – evidenciando a presença de hidróxido de alumínio sólido no interior dos flocos.
Experimentos de condicionamento e desidratação de ambas as suspensões, utilizando-se
polímero não-iônico, também apresentaram resultados similares.
TURCHIULI & FARGUES (2004) estudaram a relação entre a estrutura do floco e a
desidratação do lodo e caracterizaram a estrutura dos flocos por sua dimensão fractal e pelo
tamanho das unidades básicas (conjuntos, agregados) de que são formados. A desidratação do
lodo foi avaliada pelo índice de água de ligação e pelo tempo capilar da sucção, informações
que fornecem, respectivamente, a extensão e a taxa da remoção da água. Estes pesquisadores
verificaram que os flocos formados a partir do cloreto férricos contêm aproximadamente 20%
menos água de ligação, mas exibem valores mais elevados de tempo de sucção capilar e,
conseqüentemente, maior resistência à remoção da água do que os flocos formados a partir do
32
sulfato de alumínio. A estrutura dos flocos e a desidratação dos lodos estão intimamente
relacionadas: flocos menos compactados contêm mais água; porém, menor conteúdo de água
de ligação.
3.3.1 - Condicionamento químico do lodo de ETA
Condicionamento químico refere-se aos métodos químicos usados para alterar as
propriedades do lodo, permitindo que a água seja removida mais prontamente. Em geral, o
objetivo é transformar a massa gelatinosa amorfa do lodo em um material poroso.
O condicionamento químico antes da desidratação reduz as forças coesivas entre os
sólidos e a água presente entre os flocos de lodo, além de precipitar substâncias dissolvidas
dependendo do produto químico usado. Ou seja, o condicionamento químico reduz a
resistência específica da torta de lodo, facilitando a filtração e a drenagem da água, resultando
num processo de desidratação mais econômico. Na literatura encontra que cinzas, cal virgem,
cal hidratada, carvão pulverizado, serragem e palha seca tem sido utilizados com sucesso no
processo de condicionamento do lodo (WEBER, 1972).
Devido à influência da concentração do íon de hidrogênio nas partículas do lodo, a
eficiência da técnica de condicionamento químico é extremamente dependente do pH. Um
condicionamento econômico e eficaz pode ser conseguido adicionando-se cal ao lodo. Um
benefício adicional deste condicionamento é que o carbonato do cálcio possui características
de filtrabilidade muito melhores do que os precipitados formados pela adição de coagulantes
metálicos.
ZALL et al. (1987) apud ZHAO (2002) investigou os efeitos da cal hidratada no
condicionamento de lodos industriais oleosos. Foi observado que a adição do agente
condicionante ao lodo reduziu a compressividade do mesmo e produziu uma estrutura
incompressível mais rígida, capaz de manter a porosidade do lodo durante o processo de
filtração a alta pressão.
São também muito utilizados os polieletrólitos orgânicos sintéticos (polímeros) no
condicionamento do lodo. Os polímeros possuem alto peso molecular e podem ser: polímeros
33
catiônicos solúveis em água, aniônicos e não-iônicos. Eles se prestam para aglomerar os
sólidos presentes no lodo através da adsorção.
Uma diferença significativa entre o condicionamento do lodo por polímeros e por
produtos químicos inorgânicos está na quantidade de produto químico usado. As doses típicas
de polímero são menores de 1% do peso de sólidos secos, ao passo que a quantidade de
produtos químicos inorgânicos usados no condicionamento pode chegar a 20% do peso dos
sólidos.
3.3.1.1 – Condicionamento químico com cal
NOVAK e CALKINS (1973) apud THOMPSON et al. (1998) sugeriram que os lodos
de ETAs poderiam ser mais facilmente desidratados com a adição de cal. A Water
Environment Federation caracteriza o cal [Ca(OH)
2
] como um eficiente condicionador devido
aos densos e porosos cristais que são incorporados ao lodo, fornecendo uma matriz que
permite a remoção da água.
THOMPSON et al. (1998) estudaram a desidratação de lodos da estação de tratamento
de água da Universidade de Iowa gerados com dois diferentes coagulantes inorgânicos:
sulfato de alumínio e sulfato de ferro, utilizando resíduo de cal como agente condicionante. A
concentração original de lodos de sulfato de alumínio e de sulfato de ferro era de
aproximadamente 4 %, enquanto que a concentração de sólidos no resíduo de cal era de 20 %.
A análise química do resíduo de cal seco indicou 3,3 % de magnésio e 34 % de cálcio.
Foram testadas diferentes concentrações de misturas de lodo com resíduo de cal. As
misturas foram submetidas a prensagem em filtro prensa (690 kPa, com incrementos de 172
kPa a medida que o fluxo de líquido diminuía) . Os resultados indicaram que misturas com 7 a
13 % de sólidos apresentaram resultados de teor de torta seca semelhante a misturas com teor
de sólidos mais elevados (com maior proporção de resíduo de cal), indicando que o aumento
de resíduo de cal na mistura, a partir de 13 %, não aumentava mais o teor de sólidos na torta
seca (THOMPSON et al., 1998).
FULTON (1974) apud ABOY (1999) destaca que a cal é um dos condicionantes mais
usados, devido a sua capacidade em aglomerar as partículas finas, formando uma massa com
34
porosidade razoável, que permite a fácil passagem da água, e rápida desidratação. Os
condicionantes como a cal, cloreto férrico e cinzas, tornam as tortas de lodo seco mais rígidas
e aumentam o peso específico das partículas.
Como a cal parece ser eficiente para desidratações em geral, é de se esperar que o
resíduo de cal oriundo dos sistemas de alcalinização de água também o seja. Desta forma, se o
resíduo de cal fosse adicionado ao lodo do decantador da ETA, a característica de difícil
desidratação do lodo da ETA seria melhorada, e o processo poderia ser otimizado.
Estudos realizados pelo COMMITTEE REPORT- PARTE 2 (1978) apontam os lodos
que são acondicionados a pH acima de 11,5 (utilização de cal, por exemplo) podem converter
uma grande fração do hidróxido de alumínio insolúvel, para alumínio solúvel. Neste caso, é
recomendado que este filtrado sofra um pré-tratamento composto pelas técnicas de
neutralização e sedimentação, antes de sua disposição final.
No projeto e gerenciamento de uma estação de tratamento de lodo um critério
importante diz respeito ao controle de vetores transmissores de doenças. Embora a
contaminação deste lodo seja muito menor que a do lodo de esgotos, moscas, mosquitos e
baratas podem ser atraídos pelo lodo armazenado.
Neste aspecto, a adição de resíduo de cal como condicionante do lodo atuaria,
também, como agente no controle destes vetores, pois o hidróxido de cálcio é um composto
que propicia níveis do pH tão elevados quanto 12,8. Segundo WESTPHAL &
CHRISTENSEN, 1983, em pH próximo a 12, as membranas dos organismos patogênicos são
destruídas e a alta solubilidade do hidróxido de cálcio fornece, também, íons livres de cálcio,
que reagem e dão forma a complexos com espécies de enxofre tais como o sulfito de
hidrogênio e mercaptanos orgânicos, fazendo com que o odor séptico, característico de
matéria orgânica em decomposição, diminua acentuadamente. Desta forma o pH elevado
conseguido com o uso de resíduo de cal, fornece uma barreira contra a atração de vetores que
eventualmente venham a se proliferar durante o manuseio do lodo.
35
3.3.2 – Disposição da mistura em aterros sanitários
O COMMITTEE REPORT - PARTE 2 descreve um estudo em lisímetro feito pela
Monroe County Water Autority, em Nova Iorque, em 1975, que avaliou as características do
lixiviado resultante da disposição da torta de lodo de ETA seco. No estudo foi utilizado o lodo
acondicionado com cal até obtenção de uma concentração de sólidos de 4 %, com posterior
desidratação mecânica, até uma concentração de 40 %.
O experimento era composto por uma camada de 21 cm de espessura de lodo seco
compactado, sobre a qual foi posta uma camada de 42 cm de espessura de areia. Água
destilada era distribuída sobre a camada de areia, permitindo a percolação através da areia
simulando a chuva em um aterro sanitário.
Amostras do lixiviado eram coletadas e analisadas para verificar a mudança na
qualidade de água recirculada no experimento. O lisímetro foi operado por um período de 74
dias; durante esse tempo um total de 12 m
3
de água deionizada foi aplicada sobre a camada de
lodo. A taxa de aplicação da água deionizada foi baseada na média de chuva local do
experimento, de maneira que o volume total de água deionizada aplicada equivaleu ao volume
de água precipitada durante um período de 70 anos.
As principais observações realizadas durante o experimento foram:
• O pH do lixiviado do lodo da ETA acondicionado com cal foi sempre alcalino, com
valores iguais a 10,0 para taxas de escoamento de água elevadas e valores de pH
iguais a 9,0 para taxas de fluxos menores;
• A concentração de alumínio no lixiviado aumentou para mais de 11 mg/L durante os
sete primeiros dias de operação do lisímetro. Do oitavo dia em diante, até o vigésimo
dia, as concentrações diminuíram e permaneceram relativamente constantes em 3
mg/L, tendo sido obtido também valores menores durante o período de teste;
•
A concentração de alumínio no lixiviado foi um pouco menor que a concentração
molar teórica de alumínio para os níveis de pH encontrados durante o teste. A
concentração de alumínio depende do pH: entre pH 5,0 e 8,5, o hidróxido de alumínio
é relativamente estável, com pH acima ou abaixo deste valor, o alumínio é solúvel em
várias formas complexas;
36
• A concentração de cloretos no lixiviado incrementou durante o período de análise. No
final do período de ensaio, a concentração de cloretos no lixiviado era de 16,1 mg/L;
•
O pH do lixiviado dependia da taxa de escoamento da água através do aterro sanitário,
com o pH variando no intervalo de 8,0 a 9,0.
A conclusão do estudo afirma que o lodo da ETA acondicionado com cal pode ser
disposto em aterros sanitários, pois a combinação do lixo com o elevado pH do lodo ajuda na
neutralização das características de pH baixo no aterro e conseqüentemente, na redução de
solubilidade do alumínio e outros metais (COMMITTEE REPORT- PARTE 2 ,1978.
SILVA (1999) estudando o comportamento do metal alumínio presente nos lodos de
ETAs desidratados, concluiu que os mesmos podem ser dispostos em aterros sanitários, pois
mesmo durante a fase acidogênica observada nos aterros, a quantidade de alumínio lixiviado
continuava sendo baixa.
3.4 - Resíduo do Sistema de Alcalinização: resíduo de cal
A Portaria 1469/2000 do Ministério da Saúde sugere que o pH da água distribuída à
população esteja entre 6,5 e 8,5. Com isso, muitas companhias de saneamento no Brasil
implantaram sistemas de abrandamento para atender a nova portaria. O DMAE optou pelo
abrandamento com hidróxido de cálcio, construindo uma unidade denominada “Sistema de
Alcalinização” em cada uma das suas três principais ETAs. Neste sistema, ocorre a extinção
da cal virgem (CaO) de acordo com a seguinte reação
22
)(OHCaOHCaO →+
(9)
Deve-se salientar que a principal impureza da cal virgem é o carbonato de cálcio,
CaCO
3
, um sal insolúvel, que confere turbidez à água tratada, além de se depositar nas
tubulações da rede de abastecimento.
A norma ABNT (NBR 10790/1995) tolera até 5,5 % de CaCO
3
na cal usada no
tratamento de água; porém, a matéria-prima não é a única fonte de carbonato de cálcio. Ele se
forma a partir da reação entre a cal extinta e o gás carbônico atmosférico, conforme a reação:
OHCaCOCOOHCa
2322
)( +→+ (10)
37
Devido à presença do carbonato de cálcio, uma quantidade considerável de resíduos se
origina deste processo, necessitando ser removido. Esta remoção ocorre em um tanque de
decantação, onde o carbonato fica depositado. A remoção do mesmo é feita com freqüência
diária, com descargas pelo fundo do tanque. Este resíduo de cal formado é encaminhado a um
leito de secagem externo de onde posteriormente é recolhido e estocado em uma das unidades
do DMAE, constituindo, juntamente com o lodo do decantador, mais um resíduo do
tratamento da água.
3.5 – Métodos de Tratamento e Disposição Final dos Lodos de ETAs
Segundo REALI (1999), existem várias alternativas de disposição final deste lodo de
ETA a serem adotados, no entanto, dependem da viabilidade técnica, econômica e ambiental.
Entre estas alternativas de disposição usualmente utilizadas, incluiu-se: lançamento em cursos
de água; aplicação ao solo; aterro sanitário; incineração; fabricação de cimento; e fabricação
de tijolos.
A Sociedade de Abastecimento de Água e Saneamento (SANASA), localizada na
cidade de Campinas, divulgou a inauguração de uma unidade destinada ao tratamento de lodo
produzido em duas de suas ETAs:
“Está em funcionamento em Campinas a maior estação de tratamento de lodo do país
e uma das pioneiras em destinar o lodo seco para a fabricação de materiais para a
construção civil. A Estação de Tratamento de Lodo (ETL), localizada na Rodovia Heitor
Penteado, km 7, distrito de Sousas, Campinas/SP, foi inaugurada pela SANASA em 2004,
recebeu um investimento de R$ 4,5 milhões e representa um salto positivo na preservação do
meio ambiente e do desenvolvimento sustentável para Campinas. Cerca de 51 toneladas de
lodo resultantes das estações de tratamento de água (ETAs 3 e 4) deixaram de ser despejadas
por dia no rio.
As ETAs 3 e 4, responsáveis por 70% da água que abastece Campinas, tratam, em
média, 2,5 metros cúbicos por segundo de água vinda do rio Atibaia. Antes da ETL, o lodo
era lançado na cabeceira do Ribeirão dos Pires que, além de provocar o assoreamento de
sua calha, voltava para o rio Atibaia, contribuindo para sua poluição.
38
Um convênio entre a Unicamp e a SANASA está desenvolvendo alternativas para a
utilização do lodo na fabricação de materiais para a construção civil, gerando emprego e
renda. A universidade estuda a viabilidade técnica e econômica de agregar o lodo à argila
para fabricar tijolos cerâmicos. Outro fator é juntar o lodo ao entulho triturado vindo da
indústria da construção civil na fabricação de blocos e pisos de concreto.”(REVISTA
ELETRÔNICA ÁGUA E CIDADANIA, 2004)
Um esquema ilustrativo do funcionamento da ETL pode ser visualizado na figura
3.18:
Figura 3.18: Fluxograma da ETL da SANASA. (Fonte: SANASA)
39
3.5.1 - Regeneração do coagulante por via ácida
A regeneração dos lodos de ETAs se processa com o ataque ácido, conforme a
seguinte reação:
OHSOAlOHSOHOHOHAl
234224223
14.)(233.)(2 →++
(11)
Esta mostra que o ácido reage com a fração do lodo que está sob a forma de hidróxido
tri-hidratado (gerada a partir da coagulação da água bruta no mecanismo varredura). A fração
de alumínio presente no lodo sob outras formas (hidroxocomplexos adsorvidos em colóides
inorgânicos e o alumínio presente na estrutura dos materias argilosos e silicosos contidos na
água bruta) dificilmente será solubilizada nas condições usualmente utilizadas na regeneração
de coagulantes (GONÇALVES, 1997).
Testes realizados indicaram que lodos provenientes de águas com elevado teor de
matéria orgânica, formados 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. 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 20.000 e 50.000 habitantes, a regeneração de coagulantes e sua
reutilização na própria ETA ou em ETE é economicamente viável (GONÇALVES, 1999). Já
CASTRO et al., 1997, concluiu que o processo é antieconômico, uma vez que os custos
envolvidos na recuperação do coagulante chegam a ser o dobro do custo de aquisição do
produto no mercado.
A COPASA-MG contratou uma empresa de engenharia para elaboração do projeto da
Unidade de Tratamento de Resíduos (UTR) do Sistema de Abastecimento de Água do Rio das
Velhas, na região Metropolitana de Belo Horizonte (RMBH). O resíduo em questão é o lodo
gerado nos decantadores da ETA do Sistema Rio das Velhas, que chega a descarregar no
manancial 9.400 toneladas de lodos por mês.
40
A UTR prevista para tratar o lodo produzido na ETA Rio das Velhas é constituída das
seguintes unidades:
• Três adensadores de lodo, com diâmetro de 24,0 m cada;
•
Dois acumuladores de lodo, com diâmetro de 21,0 m cada;
• Cinco centrífugas;
• Estações elevatórias de lodo;
•
Correias transportadoras do lodo que sai das centrífugas;
A operação da UTR prevê a aplicação de polieletrólito antes da centrifugação, com
consumo de 4 a 6 kg por tonelada de sólidos secos. Além destas unidades, foram concebidas
cinco lagoas de lodo com o objetivo de armazenar o lodo excedente produzido pelo sistema,
quando as centrífugas não comportarem a produção. Cada lagoa deverá ter 3,0 m de altura
útil, abrangendo uma área de 23.000 m
2
(CASTRO, 1997).
Ainda segundo o mesmo autor, a disposição final dos resíduos sólidos será efetuada
em uma área destinada a este fim. A construção da pilha deverá se estender por
aproximadamente seis anos, envolvendo serviços de operação e manutenção
concomitantemente à sua construção. Percebe-se que, apesar do projeto prever a desidratação
mecânica, com consumo de produtos químicos auxiliares e energia elétrica, a UTR ainda
assim necessita de uma área considerável para a construção das lagoas de lodo e das pilhas
para destinação do resíduo sólido.
CASTRO (1997) salienta que os custos envolvidos no projeto da URT são elevados,
mas se justificam em nome da preservação dos mananciais, constituindo um componente
indispensável da ETA
3.5.2 - Lançamento dos lodos de ETAs em ETEs
Um método de disposição alternativo é o lançamento dos lodos de ETAs nas estações de
tratamento de esgoto (ETEs), via rede coletora de esgoto. Tal procedimento eliminaria a implantação
de sistemas de tratamento de lodos nas próprias ETAs. Entretanto, algumas interferências podem
ocorrer nas unidades da ETE, principalmente nos digestores de lodo e nos decantadores
primários, que possivelmente, irão receber a maior parte das impurezas contidas nesses
despejos, de maneira que tal procedimento deve ser criteriosamente analisado. Desta forma,
41
CARVALHO (1999) simulou as interferências que possam ocorrer no desempenho dos
decantadores primários e digestores de ETEs que passem a receber lodos de ETAs, via rede
coletora de esgoto. De acordo com os resultados obtidos, provavelmente não ocorrerá inibição
no processo de digestão de lodo nem interferência prejudicial ao desempenho dos
decantadores primários, apesar de possível aumento de volume de lodo acumulado no fundo
dos decantadores primários, devido provavelmente à coagulação do esgoto, em decorrência do
coagulante contido no lodo da ETA e às próprias partículas em suspensão presentes nestes;
MELO et al. (2003) avaliou o impacto do recebimento do lodo de ETA na ETE
Franca, entre os anos 2001 e 2003. Foi observado que o recebimento do lodo na ETE não
reduziu significativamente a eficiência de remoção dos parâmetros analisados, ou seja, a
eficiência de remoção da ETE Franca manteve-se estável após o recebimento de lodo de ETA.
Na fase sólida, foi observado um aumento na concentração dos sólidos, com efeito benéfico
em termos de operação; porém, foi verificado aumento na de manutenção nas bombas de
alimentação, homogeneização dos biodigestores e nos filtros prensas de esteira e,
principalmente em relação às telas de prensagem e filtração. Esta ocorrência parece estar
relacionada com uma maior abrasividade provocada pelo lodo de ETA.
Estudos realizados por Di BERNARDO et al. (1999) para verificar a possibilidade de
disposição dos resíduos líquidos de ETAs em ETEs, não apresentou interferência significativa
na digestão anaeróbia do lodo de esgoto. Foi relatada uma diminuição substancial de
coliformes totais, Escherichia coli, DQO, nitrogênio, fósforo e cor no sobrenadante das
colunas que receberam a mistura de esgoto com resíduo líquido de ETA.
3.5.3 - Adição do lodo seco ao concreto
A imobilização da fase sólida dos resíduos de ETAs foi estudada por SALES e
CORDEIRO, 2001. No estudo foi analisada a possibilidade de utilização dos lodos de ETAs
secos em conjunto com resíduos de construção e demolição no preparo de argamassas e
concretos não-estruturais. Esses dois resíduos foram moídos e peneirados até atingirem
granulometria de um agregado natural utilizado como referencia (areia média, para o
agregado miúdo e brita n° 1, para o agregado graúdo). Em seguida, foram misturados com
cimento Portland, mantendo-se a mesma consistência do traço de referência, tanto no preparo
da argamassa, como no preparo do concreto não-estrutural.
42
Foram realizados ensaios de resistência à compressão e absorção conforme a
normalização utilizada para argamassas e concretos, comparado os valores destas grandezas
com os usualmente obtidos sem adições. Os resultados mostraram que a adição de 3 % de
lodo (em relação à massa de agregado miúdo) possibilita a obtenção de concretos com
resistência mecânica e absorção similares às do concreto natural. Em ambos os ensaios, o tipo
de lodo não influenciou de modo significativo os resultados obtidos SALES e CORDEIRO,
2001.
Em termos ambientais, a imobilização da fase sólida dos lodos de ETAs, bem como
dos resíduos da construção civil, em matrizes de argamassa e concreto, reduz a necessidade de
matérias-primas naturais, como a areia e a pedra britada, cuja extração produz um intenso
impacto ambiental em rios e mananciais. Tal extração muitas vezes provoca o assoreamento
de rios e córregos e contribui para a ocorrência de enchentes. Além disso, o resíduo reciclado
não ocupa espaço em depósitos clandestinos e aterros sanitários (SALES e CORDEIRO,
2001) .
HOPPEN et al, 2003 adicionou lodo da ETA Passaúna em matrizes de concreto com
dosagens DE 0% a 7% de lodo de ETA e observou que à medida que o teor de lodo
aumentava ocorria uma redução do consumo de cimento. A conclusão do estudo indicou que a
adição do lodo na matriz de concreto foi viável tecnicamente e que a mistura de 3% de lodo
pode ser usada em aplicações normais (fabricação de artefatos, estruturas pré-moldadas e
construção de pavimento em concreto).
3.5.4 - Fabricação de componentes cerâmicos
SANTOS et al. (1993), procurando verificar a viabilidade da utilização do lodo das
ETAs do SEMAE (Serviço Municipal de Água e Esgoto de São Leopoldo/RS) como matéria-
prima na produção de componentes cerâmicos para a construção civil, efetuou a
caracterização química do lodo por fluorescência de raios-X. A análise química do lodo já foi
apresentada na tabela 3.3 .
Os resultados da análise química mostram que este resíduo tem em seus principais
constituintes, valores semelhantes aos das argilas normalmente usadas como matéria-prima de
produtos cerâmicos.
43
3.5.5 – Matéria-prima na indústria do cimento
A humanidade descobriu, há muito tempo, que algumas rochas naturais, depois de
uma simples calcinação, davam um produto que endurecia pela adição da água. Em 1824,
Joseph Aspdin patenteou um cimento artificial que chamou de portland, pois o concreto que
se obtinha com ele assemelhava-se a uma famosa pedra de construção proveniente da Ilha de
Portland, nas vizinhanças da Inglaterra. Este foi o passo inicial da indústria do cimento, tal
como a conhecemos na atualidade. O cimento é um dos produtos de construção civil mais
utilizados na sociedade moderna. Bastam mencionar as paredes e vigas de concreto, os túneis,
as barragens e as estradas para perceber a dependência que a civilização atual tem sobre este
produto (SHREVE, 1977).
Segundo KAWAMURA et al. (1991) apud ABOY (1999) a estação de tratamento de
água de Toyono, na cidade de Osaka (Japão) utiliza 33 leitos de secagem com 1.410 m
2
cada
um e com uma profundidade útil variando de 0,5 a 0,8 m. Todo lodo seco produzido nesta
estação de tratamento é utilizado como matéria prima nas fábricas de cimento.
A EPAL – Empresa Portuguesa de Águas Livres, possui capacidade de produção
diária de 1.017.000 m
3
e atende a mais de 350 mil clientes diretos. Utiliza sistema de
alcalinização da água a fim de corrigir o caráter excessivamente doce da mesma, o que se
traduz na baixa quantidade de sais de cálcio existentes. A correção da agressividade é
realizada com base na adição de cal hidratada, sob a forma de uma solução de água de cal,
seguindo-se a injeção de dióxido de carbono, formando, deste modo, os bicarbonatos que
permanecem na água. Os efluentes líquidos derivados do processo de tratamento da água são
os lodos e os insolúveis de cal, que resultam da preparação da água de cal. Os lodos são
espessados em dois espessadores, com o uso de polieletrólito aniônico. O sobrenadante é
recirculado à entrada da ETA e o lodo espessado é misturado com os insolúveis de cal. Essa
mistura é submetida a dois filtros de banda contínua, de onde saem com 20 % de matéria seca.
Estes lodos secos estão sendo utilizados na indústria do cimento, o que permite a redução de
seu impacto ambiental. (EPAL, 2004)
TORRES (1941) descreve os principais componentes da matéria-prima do cimento
portland:
44
CaO: a cal é o componente essencial dos cimentos, figurando numa porcentagem de
60 a 67 %. Na maior parte provém da decomposição do carbonato de cálcio. Pode-se dizer
que as propriedades mecânicas do cimento portland aumentam com o teor de cal, desde que se
encontre completamente combinada.
SiO
2
:
a proporção de sílica no cimento portland varia de 17 a 25%. Ela encontra-se
combinada com outros componentes e e provém das argilas usadas como matéria-prima. É da
sua combinação com a cal que resultam os compostos mais importantes do portland.
Al
2
O
3
: também da argila provém a alumina do cimento; seu teor varia geralmente de 3
a 8%. O composto formado pela combinação deste óxido com a cal acelera a pega do
aglomerante e reduz sua resistência aos sulfatos, pelo que a quantidade presente deve ser
pequena. Praticamente não se pode prescindir da alumina porque agindo como fundente
facilita o desenvolvimento das reações que possibilitam a formação do clínquer (produto
intermediário que sai do forno rotativo, durante a etapa de fabricação do cimento, com massa
granular dura e tamanho de partícula ente 3 e 19 mm).
Fe
2
O
3
: esse óxido, oriundo da argila, aparece geralmente no cimento portland em
quantidades muito pequenas, 0,5 a 6%, combinado com outros óxidos presentes. O óxido de
ferro, desde que em porcentagem não muito elevada, é útil pelo seu papel de fundente,
desenvolvendo nesse sentido uma ação talvez mais enérgica que da alumina. Acredita-se que
os teores relativamente altos de alumina e óxido de ferro possam facilitar a produção
comercial de um cimento com porcentagem de cal suficientemente alta para converter toda a
sílica em silicato tricálcico sem que resulte cal livre em quantidades indesejáveis.
SO
3
: tem sua origem principalmente no sulfato de cálcio adicionado corretamente ao
cimento para regular sua pega, retardando-a. Estabelecem as especificações o teor máximo de
3% de SO
3
, considerando-se perigosa sua presença acima deste limite em virtude da formação
de sulfoaluminato.
MgO: a magnésia no cimento provém do carbonato de magnésio presente no calcáreo,
geralmente sob a forma de dolomita (CaCO
3
, MgCO
3
), ou, em pequena quantidade na argila.
Seu teor no cimento varia de 0,1 a 6%. Admite-se que no cimento a magnésia não se encontra
combinada. Em quantidades superiores a certos limites, esse óxido atua como expansivo,
agindo de forma nociva sobre a estabilidade de volume das argamassas e concretos.
45
K
2
O e Na
2
O: os álcalis encontram-se com freqüência no cimento portland , em teores
de 0,5 a 1,3%, desenvolvendo papel de fundentes na cozedura e agindo como aceleradores da
pega.
3.5.5.1 - Etapas do processo de fabricação do cimento
a) Evaporação da água livre
Ocorre em temperaturas abaixo de 100°C.
H
2
O líquido (100°C) H
2
O vapor (100°C) (12)
b) Decomposição do carbonato de magnésio
A decomposição da dolomita tem início em 340°C, porém a medida que o teor de
cálcio aumenta, também se eleva a temperatura de decomposição.
MgCO
3
(s) (340°C) MgO (s) + CO
2
(g) (13)
c) Decomposição do carbonato de cálcio
Esta reação tem início em temperatura acima de 805°C, sendo 894°C a temperatura
crítica de dissociação do carbonato de cálcio puro a 1 atm de pressão.
CaCO
3
(s) CaO (s) + CO
2
(g) (14)
d) Desidroxilação das argilas
As primeiras reações de formação do clínquer iniciam-se em 550°C, com a
desidroxilação da fração argilosa. A argila perde a água combinada, que oscila entre 5 e 7%,
dando origem a silicatos de alumínio e ferro altamente reativos com o CaO que está sendo
liberado pela decomposição do calcário.
e) Formação do 2CaO.SiO
2
A formação do 2CaO.SiO
2
tem início em temperatura de 900°C onde mesmo sílica
livre e CaO já reagem lentamente. Na presença de Ferro e Alumínio esta reação é acelerada.
2CaO + SiO
2
(1200°C) 2CaO.SiO
2
(15)
46
f) Formação do 3CaO.SiO
2
O silicato tricálcico inicia sua formação entre 1200°C e 1300°C a 1400°C os
produtos de reação são 3CaO.SiO
2
, 2CaO.SiO
2
, 3CaO.Al
2
O
3
e 4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
e o
restante de CaO não combinado.
2CaO.SiO
2
+ CaO (1260 a 1450°C) 3CaO.SiO
2
(16)
g) Resfriamento
A complementação das reações de clinquerização podem ser afetadas pelo
resfriamento sofrido pelo clínquer. Um resfriamento lento leva a um cimento de baixa
qualidade.
Nesta etapa pode ocorrer a decomposição do 3CaO.SiO
2
segundo a reação:
3CaO.SiO
2
2CaO.SiO
2
+ CaO (17)
O cimento é produzido moendo-se o clínquer produzido no forno, com o gesso. O
gesso é destinado ao controle do tempo de pega do cimento, para propiciar o manuseio ao
adicionar água.O teor de gesso varia em torno de 3% no cimento (BASILIO, 1983).
3.5.5.2 - Reações químicas do cimento Portland
Os compostos anidros do cimento Portland reagem com a água, por hidrólise, dando
origem a numerosos compostos hidratados. Em forma abreviada são indicadas algumas das
principais reações de hidratação (BASILIO, 1983):
1) O 3CaO.Al
2
O
3
é o primeiro a reagir, da seguinte forma:
3CaO.Al
2
O
3
+ CaO + 12H
2
O Al
2
O
3
. 4CaO . 12H
2
O (18)
2) O 3CaO.SiO
2
reage a seguir:
3CaO.SiO
2
+ 4,5H
2
O SiO
2
. CaO . 2,5H
2
O + 2Ca(OH)
2
(19)
2[3CaO.SiO
2
]+ 6H 3CaO.2SiO
2
. 3H
2
+ 3Ca(OH)
2
(20)
3) O 2CaO.SiO
2
reage muito mais tarde, do seguinte modo:
2CaO.SiO
2
+ 3,5H
2
O SiO
2
. CaO . 2,5H
2
O + Ca(OH)
2
(21)
2[2CaO . SiO
2
] + 3H
2
O 3CaO . 2SiO
2
. 4H + Ca(OH)
2
22)
47
Os silicatos de cálcio anidros dão origem a silicatos monocálcicos hidratados e ao
hidróxido de cálcio, que cristaliza em escamas hexagonais, dando origem à portlandita.
O silicato de cálcio hidratado apresenta-se com semelhança ao mineral denominado
tobermorita e como se parece com um gel é denominado gel de tobermorita.
4) Reação de retardo do endurecimento - utilizando gesso
2[3CaO.Al
2
O
3
]+ CaSO
4
. 2H
2
O 3CaO . 2Al
2
O
3
. 3CaSO
4
. 31H
2
O (23)
3CaO.Al
2
O
3
+ CaSO
4
. 2H
2
O 3CaO . Al
2
O
3
. CaSO
4
.12H
2
O (24)
48
4. METODOLOGIA
A parte prática deste trabalho foi dividida em dois experimentos distintos.
No primeiro experimento, foi testada uma modificação na montagem dos leitos de
secagem convencionais, utilizando tijolos cerâmicos vazados na sua base, com o objetivo de
avaliar o efeito da capilaridade dos tijolos na desidratação do lodo. Foram estudados lodos
provenientes de duas ETAs do DMAE que operam com características bem distintas.
No segundo experimento, foi avaliada a possibilidade de condicionamento do lodo
com resíduo de cal, proveniente do sistema de alcalinização de água, existente na própria
ETA. Foram testados diferentes percentuais de resíduo de cal misturados ao lodo, bem como
o efeito do pH desta mistura na solubilidade dos metais presentes no lodo.
49
4.1 – Primeiro Experimento
4.1.1 – Aspectos gerais
O objetivo deste experimento é verificar se a ação de capilaridade dos materiais
cerâmicos (tijolos) dispostos na base dos leitos de secagem aumenta a drenagem da água
presente no lodo. É importante lembrar que a ação da capilaridade somente atuará enquanto os
tijolos não estiverem totalmente saturados de umidade. Para tanto, espera-se que a convecção
natural do ar atmosférico através dos furos dos tijolos promova a secagem constante dos
mesmos.
Todos os leitos receberam cobertura, a fim de que chuvas intensas não interferissem
no desenvolvimento do experimento. Esta cobertura foi montada de forma a não prejudicar a
secagem do lodo na superfície do leito. Também foram monitoradas as temperaturas máxima
e mínima e a umidade relativa do ar no local do experimento.
Como a velocidade de desidratação dos lodos depende, principalmente, da qualidade
da água bruta e do processo de clarificação utilizado na ETA, foi utilizado lodo de duas ETAs
que operam de forma distintas. As principais características destas ETAs são descritas a
seguir.
4.1.1.1 – ETA José Loureiro da Silva
Localizada no bairro Menino Deus, a estação de tratamento de água José Loureiro da
Silva (JLS) atende, atualmente, uma população de aproximadamente 500.000 habitantes.
Apesar de possuir capacidade de recalque de água bruta de 3.200 L/s, a vazão máxima atual é
de 2.900 L/s.
A ETA JLS utiliza sulfato de alumínio como agente coagulante e opera com sistema
convencional, isto é, a floculação é se dá por fluxo mecânico seguida de três decantadores e
de oito filtros rápidos. Seus decantadores estão ilustrados na figura 4.1.
50
Figura 4.1: ETA José Loureiro da Silva
A desinfecção é realizada com gás cloro, em duas etapas: inter-cloração
(imediatamente anterior à filtração) e pós-cloração (imediatamente posterior à filtração).
A etapa de fluoretação é realizada com bombas dosadoras de ácido fluossilícico e a
alcalinização é realizada com cal hidratada, obtida a partir da cal virgem, através de uma
unidade de extinção para a cal existente na própria ETA. A dosagem do agente alcalinizante é
realizada com bombas dosadoras.
Quando necessário é realizada a aplicação de carvão ativado na água bruta, com o
objetivo de remover odores ocasionados pela proliferação exagerada de algas no manancial
que abastece a ETA.
Na ETA JLS a extração do lodo gerado na etapa de clarificação ocorre no momento da
lavagem dos decantadores da ETA. A limpeza se dá aproximadamente a cada 40 dias. As
características deste lodo estão ilustradas na tabela 4.1:
51
Tabela 4.1: Resultados obtidos na análise do lodo desidratado da ETA José Loureiro
da Silva.
Parâmetro Lodo desidratado
Sólidos totais (%) 22,6
Sólidos fixos totais (%) 20,0
Nitrogênio (%) 0,430
Fósforo (%) 0,220
Potássio (%) 0,056
Zinco (%) 0,008
Cálcio (%) 0,016
Magnésio (%) 0,122
Ferro (%) 3,879
Alumínio (%) 4,957
Cobre (%) <0,003
Manganês (%) 0,063
Fonte: SILVA (1999). Os parâmetros foram expressos em base seca.
4.1.1.2 – ETA São João
A estação de tratamento de água São João (SJ) está localizada no bairro Higienópolis
abastece ma população de aproximadamente 430.000 habitantes. Apesar de possuir
capacidade de recalque de água bruta de 4.000 L/s, a vazão máxima atual é de 2.200 L/s.
A ETA São João utiliza sulfato de alumínio como agente coagulante primário e
polieletrólito não iônico como auxiliar de coagulação. A ETA opera com sistema do tipo
pulsator, isto é, a floculação é se dá por contato com manto de lodo seguido de decantação
ascendente e filtração rápida. A ETA São João encontra-se ilustrada na figura 4.2:
52
Figura 4.2: ETA São João
A desinfecção é realizada com gás cloro, em três etapas: pré-cloração (aplicação de
cloro na água bruta), inter-cloração (imediatamente anterior à filtração) e pós-cloração
(imediatamente posterior à filtração).
Assim como a na ETA José Loureiro da Silva, a ETA São João também realiza a
fluoretação com bombas dosadoras de ácido fluossilícico e a alcalinização com cal hidratada,
obtida a partir da cal virgem. Quando necessário é realizada a aplicação de carvão ativado na
água bruta.
Na ETA São João a extração do lodo gerado ocorre de forma intermitente, em
intervalos de 10 minutos. Como conseqüência, as características deste lodo são bem distintas
das características do lodo da ETA José Loureiro da Silva e estão ilustrados na tabela 4.2:
53
Tabela 4.2: Resultados obtidos na análise do lodo desidratado na ETA São João.
Parâmetro Lodo desidratado
Sólidos totais (%) 23,6 – 23,96
Sólidos fixos totais (%) 2,10 – 3,50
Nitrogênio (%) 0,02 – 1,99
Fósforo (%) 0,22 – 0,41
Potássio (%) 0,29 – 0,40
Zinco (%) 1,36 – 1,60
Cálcio (%) 0,01 – 0,03
Magnésio (%) 0,27 – 0,52
Ferro (%) 5,7 – 6,1
Alumínio (%) 4,49 – 7,49
Cobre (%) 0,66 – 0,75
Manganês (%) 3,99 – 4,83
Sódio (%) 1,77 – 2,53
Fonte: ABOY (1999). Os parâmetros foram expressos em base seca.
Este experimento tem por objetivo testar o comportamento dos lodos frente a uma
modificação na estrutura e montagem dos leitos de secagem, utilizando tijolos perfurados
cerâmicos na sua base e eliminando as camadas de areia no leito filtrante.
4.1.2 – Montagem dos leitos
Os leitos de secagem foram montados no pátio de uma unidade do DMAE, a ETA José
Loureiro da Silva, bairro Menino Deus, em Porto Alegre. Foram construídos seis leitos
convencionais e seis leitos modificados, com estrutura em alvenaria, sobre uma laje de
concreto armado. Cada leito media 0,60 m de largura por 0,80 m de comprimento e possuía
um caimento de fundo na ordem de 1 cm, no sentido do comprimento. Tal caimento tinha o
objetivo de melhorar o escoamento do percolado em direção a um dreno de fundo. A estrutura
dos leitos de secagem foi totalmente construída de tijolos maciços e a mesma recebeu
cobertura contra chuvas intensas (telhado), conforme ilustrado na figura 4.3.
54
Figura 4.3: Estrutura dos leitos de secagem em alvenaria.
4.1.2.1 - Leitos convencionais
Os leitos convencionais foram montados conforme o esquema apresentado na figura
4.4. A altura de cada leito era de 0,50 m.
Figura 4.4: Seção transversal dos leitos convencionais.
55
A seqüência da montagem consistiu em:
1) Forrar internamente (fundo e laterais) de cada leito com a lona preta de 170 micra
de espessura. Tal lona servia de material isolante entre a parede de tijolos e o lodo.
É importante salientar que a lona era inteira, pois a mesma não podia ser cortada e
nem ter emendas, sob risco de ocorrerem vazamentos;
2) Colocar o dreno de fundo perfurando a lona. O dreno consistia em um pedaço de
mangueira de jardim, que atravessava a parede de tijolos. A vedação do dreno
junto à lona foi realizada com massa de calafetar;
3) Colocar no fundo do leito uma camada de brita número zero, com altura
aproximada de 5 cm, de forma a cobrir o dreno de fundo;
4) Sob a brita, cobrindo as laterais e o fundo dos leitos foi colocado a manta geotêxtil,
Bidim, OP-20.
Bidim é um geotêxtil de excelente qualidade e resistência, 100% poliéster de
filamentos contínuos mecanicamente ligados por agulhagem. São classificados pela
gramatura. Ex: BIDIM OP 20 = 200 gr/m
2
.
A escolha da manta geotêxtil OP-20 deu-se em função dos resultados obtidos por
SILVA (1999), que testou vários tipos diferentes de mantas geotêxtil e verificou que a OP-20
apresentou os melhores resultados na desidratação dos lodos de ETAs.
A seqüência de montagem dos leitos convencionais está ilustrada na figura 4.5:
56
Figura 4.5: Montagem dos leitos convencionais: (a) lona revestindo o fundo e as
paredes laterais internas do leito; (b) brita colocada sobre a lona, cobrindo o dreno de fundo;
(c) bidim colocado sobre a brita.
4.1.2.2 - Leitos modificados
Os leitos modificados foram montados como ilustrado na figura 4.6:
Figura 4.6: Seção transversal dos leitos modificados.
57
É importante salientar que os leitos modificados eram dotados de uma abertura
(janela) rente ao fundo, com 20 cm de altura e ocupando toda a dimensão lateral do leito no
sentido da largura. A seqüência da montagem dos leitos modificados consistiu em:
1) Forrar internamente (fundo e laterais) de cada leito com a lona. Neste caso, a lona
também era inteira; porém, foi cortada fora no encaixe da abertura;
2) Colocar o dreno de fundo perfurando a lona. O dreno estava localizado três
centímetros abaixo da abertura. A vedação do dreno junto à lona foi realizada com
massa de calafetar;
3) Colocar no fundo do leito uma camada de brita, de modo que a camada de brita e a
abertura lateral ficassem no mesmo nível. Neste caso, a brita tem também a função
de nivelar os tijolos, já que o fundo do leito tinha um caimento de 1 cm;
4) Colocar sobre a brita três fileiras de tijolos perfurados deitados com os furos
direcionados para a abertura lateral do leito, de modo a permitir a passagem de ar
pelos furos dos tijolos;
5) Preencher o vão formado entre as fileiras de tijolos com brita;
6) Adicionar mais cinco fileiras de tijolos perfurados, desta vez de pé, ocupando,
assim, toda a altura da janela lateral do leito. Preencher o vão formado nesta
segunda camada, também com brita.
7) Sobre a segunda camada de tijolos, colocar a manta geotêxtil, Bidim, OP-20, de
modo a cobrir o fundo e as paredes internas dos leitos;
Detalhe das aberturas laterais (no sentido da largura) nos leitos modificados podem ser
visualizadas na figura 4.7:
58
Figura 4.7: Aberturas laterais nos leitos modificados.
Foi posto ao lado dos leitos, sob a estrutura de alvenaria, um termômetro de máximas
e mínimas para registrar as temperaturas extremas ao longo do dia. Também foi utilizado um
conjunto de termômetros de bulbo seco e de bulbo úmido para a determinação da umidade
relativa do ar no local do experimento.
Para efeito de comparação, os leitos de controle foram denominados C1, C2, C3, C4,
C5 e C6; os leitos modificados M1, M2, M3, M4, M5 e M6. A figura 4.7 apresenta um layout
da alocação destes leitos na estrutura montada no pátio da ETA.
M6 M5 M4 C6 C5 C4
M3 M2 M1 C3 C2 C1
Figura 4.8: Layout da alocação dos leitos de secagem.
59
Após a realização do ensaio com o lodo da ETA São João, o lodo remanescente nos
leitos foi removido com o auxílio de uma pequena pá. Optou-se pela limpeza da manta
geotêxtil in loco, de modo que a mesma não foi removida dos leitos. A manta geotêxtil
recebeu jatos de água provenientes de uma mangueira, conectada a uma tubulação de água. O
objetivo era preparar os leitos para a segunda etapa deste experimento, ou seja, utilizar o lodo
da ETA José Loureiro da Silva. A opção pela limpeza da manta in loco se justifica, pois a
retirada das mantas de cada leito para a limpeza não seria viável em termos operacionais.
4.2 - Segundo Experimento
Neste experimento, utilizou-se uma mistura de lodo com resíduo de cal oriundo do
Sistema de Alcalinização da ETA José Loureiro da Silva. Tal resíduo, após seco, é depositado
no pátio da referida ETA.
4.2.1 - Montagem dos Leitos de secagem
O experimento foi montado nas dependências do Laboratório de Físico-Química, da
Divisão de Tratamento do DMAE. Utilizaram-se 18 leitos de secagem, cada um constituído
de um balde plástico de 18 litros, dotado de um dreno de fundo, para recolhimento do líquido
percolado. No interior do leito foi colocada uma camada de material de sustentação (cilindros
plásticos vazados), de altura aproximada de 5 cm, sobre o qual o líquido teria que percolar,
antes de atingir o dreno de fundo, conforme ilustrado na figura 4.8:
Figura 4.9: Cilindros plásticos vazados,
(camada de sustentação)
S
obre esta camada de sustentação foi
colocada a manta geotêxtil (bidim),
OP-
20, previamente costurada, de
forma a cobrir o fundo e as paredes
laterais do leito. Cada leito de secagem
recebeu 10 kg da mescla lodo/resíduo
de cal, nas proporções indicadas na
t
abela 4.3. Conforme pode ser
observado, os ensaios foram realizados
em triplicatas.
60
Tabela 4.3: composição percentual dos leitos de secagem
leitos Lodo Resíduo de cal
1, 2 e 3 100 % 0,0 %
4, 5 e 6 97,5 %
2,5 %
7, 8 e 9 95,0 %
5,0 %
10, 11 e 12
92,5 %
7,5 %
13, 14 e 15
90,0 %
10,0 %
16, 17 e 18
0,0 % 100 %
4.2.2 – Coleta do lodo do decantador
O lodo utilizado no experimento foi gerado nos decantadores da ETA José Loureiro da
Silva. A coleta do lodo neste dia não pôde ser realizada com o caminhão sugador, que estava
em manutenção. Desta forma, a coleta foi realizada manualmente, utilizando-se baldes e
corda.
4.2.3 – Coleta do resíduo de cal
O resíduo de cal foi recolhido dos leitos de secagem de resíduo do sistema de
alcalinização da ETA José Loureiro da Silva, conforme visualizado na figura 4.10:
Figura 4.10: Leitos de secagem de resíduo do sistema de alcalinização
O resíduo foi armazenado em um recipiente plástico de 60 litros, para posterior
utilização.
61
4.2.4 - O Experimento: mistura de lodo com resíduo de cal
A massa necessária de lodo a ser adicionada a um determinado leito era inicialmente
depositada em um recipiente. Posteriormente, pesava-se a massa necessária de resíduo de cal
e a mesma era adicionada ao recipiente que continha o lodo, homogeneizando-se a mistura
com uma pá. Após, a mistura era vertida nos leitos de secagem. Mesmo nos leitos que
receberam apenas um dos constituintes da mistura (apenas lodo ou apenas resíduo de cal) o
processo de homogeneização era realizado.
Após a homogeneização, uma pequena amostra da mistura era coletada em frasco
hermético e armazenada em câmara-fria (temperatura de
±
4°C) para posteriores análises
(umidade, pH, etc).
Durante o experimento, foi monitorado o volume de percolado de cada leito em
função do tempo. Inicialmente, foram utilizados intervalos de ± 10 minutos, aumentando-se o
valor do intervalo de tempo à medida que o volume de percolado coletado diminuía.
Todo o percolado dos leitos foi coletado, exceção feita aos leitos 1,2 e 3, que, mesmo
depois de decorridas 72 horas do início do experimento ainda continuavam drenando líquido.
O experimento foi dado por encerrado após as 72 horas de início e esta última parcela nestes
leitos foi desprezada. Havia um recipiente para a coleta do líquido percolado abaixo do dreno
de cada leito e um outro recipiente, maior, para o armazenamento deste líquido.
O percolado foi armazenado para análises futuras (pH e turbidez). Uma parte foi
preservada com ácido nítrico para as análises de metais.
Uma fração do percolado dos leitos 5, 9, 11 e 13 foi neutralizada com ácido clorídrico
até pH 6,5 – 7,5 e deixada em repouso por 24 horas. Após este período, procedeu-se a coleta
do líquido sobrenadante, o qual foi encaminhado para análise de alumínio.
A massa sólida remanescente nos leitos de secagem, após o término do experimento,
foi seca em estufa a 105 °C e moída até passagem em peneira de 200 mesh. Amostras foram
encaminhadas ao Centro de estudos em Petrologia e Geoquímica, da Universidade Federal do
Rio Grande do Sul, para análises de espectrometria de fluorescência de Raio X.
62
A parcela de percolado destinada à análise de metais foi digerida durante 15 dias com
porções de ácido nítrico concentrado. A digestão foi realizada no Laboratório Central da
Divisão de Tratamento do DMAE e após, as amostras foram encaminhadas para o Laboratório
de Absorção Atômica da Divisão de Pesquisa do DMAE, onde foram realizadas as leituras.
Utilizou-se uma prova em branco contendo apenas água ultra-pura, utilizada nas diluições, e o
ácido nítrico concentrado.
No fluxograma da figura 4.11 são apresentadas as etapas do segundo experimento:
Figura 4.11: Fluxograma das etapas do segundo experimento.
Lodo de ETA
Condicionamento químico com resíduo de cal
Leitos de secagem
Fração sólida Fração líquida
Matéria-prima para
produção do clínquer
neutralização
Manancial / esgoto pluvial
Fração sólida Fração líquida
63
4.3 – Análises realizadas
A análise de teor de umidade foi realizada ao longo do primeiro experimento. No
segundo experimento, as análises químicas e físico-químicas foram efetuadas apenas no início
e no final do experimento. No percolado, a análise foi realizada apenas no final do
experimento (amostra composta).
A caracterização do resíduo de cal empregado no experimento foi realizada no
Laboratório Central da Divisão de Tratamento do DMAE, conforme NBR 10.790.
Para a realização das análises dos efluentes líquidos, foram seguidas as recomendações
da STANDARD METHODS FOR EXAMINATION OF WATER AND WASTEWATER –
APHA, AWWA, WPCF (1992).
A tabela 4.4 apresenta a relação dos métodos empregados nas análises das amostras,
bem como o laboratório em que a mesma foi realizada.
Tabela 4.4: métodos empregados nas análises das amostras
Análise Método Laboratório
pH eletrométrico DVT/DMAE
turbidez turbidimétrico DVT/DMAE
metais espectrofotometria de absorção atômica DVP/DMAE
fluorescência de raio X Amostras fundidas em tetraborato de lítio CPGq/UFRGS
teor de umidade Diferença após aquecimento em estufa (105 °C)
DVT/DMAE
4.4 – Tratamento estatístico dos resultados
A interpretação dos resultados obtidos foi realizada pela análise de variância a um
fator (tabela ANOVA), para verificar a semelhança entre os dois tipos de leitos
(convencionais e modificados).
Este tratamento estatístico também foi empregado no segundo experimento,
comparando os cinco tratamentos em termos de diferença de umidade, turbidez do líquido
percolado e teor de alumínio solúvel no líquido percolado.
64
5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 – Primeiro Experimento
5.1.1 – Lodo ETA São João
Na primeira etapa deste experimento, os leitos foram colocados em carga com o lodo
da ETA São João.No momento do descarregamento observou-se que o lodo era muito fluido,
como pode ser visualizado na figura 5.1:
Figura 5.1: Lodo da ETA São João sendo descarregado nos leitos.
Logo no início do experimento, enquanto o leito era posto em carga, uma quantidade
muito grande de líquido foi drenado. Nos instantes iniciais a aparência do líquido drenado era
muito escura. Após, talvez devido à formação de uma película de lodo compactado no leito
rente ao bidim, o líquido drenado passou a ter aparência límpida. Foi impossível realizar a
coleta do líquido drenado, pois a quantidade foi muito grande desde o início do processo.
65
Nos leitos modificados, o líquido drenado não se restringia a sair apenas pelo dreno,
mas por qualquer local onde pudesse escoar, conforme ilustrado na figura 5.2. Nesta mesma
figura, a aparência do líquido drenado já é límpida nos leitos 1 e 2, enquanto que o leito 3
ainda está sendo carregado.
Figura 5.2: Líquido drenado nos leitos modificados.
Após aproximadamente uma hora do descarregamento do lodo, formaram-se, nos
leitos, duas camadas distintas: uma de aproximadamente dois centímetros, rente ao fundo do
leito, constituída de lodo compactado; e outra camada, sob a primeira, de líquido límpido,
medindo aproximadamente 10 centímetros. Salienta-se que os leitos foram carregados até 30
cm, o que indica que o restante do líquido já havia sido drenado.
Aproximadamente 16 horas após o início do processo, o lodo encontrava-se sem a
camada de líquido por cima, restando apenas a fina camada de lodo compactado. Observou-
se, visualmente, que os leitos convencionais pareciam estar com o processo de secagem mais
acelerado. Isso foi confirmado na análise de teor de umidade nos leitos. A média da umidade
dos leitos convencionais era de 94,16 %, contra 96,05 % dos leitos modificados.
Cinco dias após o início, o experimento foi interrompido, pois a ETA José Loureiro da
Silva iniciava seu ciclo de lavagem de decantadores. Era de interesse preparar os leitos para
receber o lodo desta ETA, uma vez que o lodo da ETA São João não se mostrou adequado
para a análise experimental em questão. Antes da interrupção do experimento, foi realizada a
coleta de amostra para a determinação final da umidade do lodo. Os resultados estão
ilustrados na figura 5.3:
66
Lodo ETA São João
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
0 1 2 3 4 5
tempo (dias)
umidade (%)
Leitos Convencionais
Umidade relativa do ar
Leitos Modificados
Figura 5.3: Tempo (em dias) versus umidade dos leitos.
Salienta-se que, no fim do experimento, não foi observada diferença visual entre os
leitos: ambos pareciam estar com o processo de secagem no mesmo estágio. Dados detalhados
encontram-se na tabela 5.1. A diferença de umidade apresentada na última coluna da tabela é
relativa a hora zero. Nos leitos C4 e M4 houve problemas de vazamentos que comprometeram
os resultados; portanto, os mesmos não foram considerados.
Tabela 5.1: Dados de umidade do lodo dos leitos da ETA São João.
leitos 0 hora 16 horas 138 horas diferença
C1 99,37% 93,49% 83,14% 16,23%
C2 99,42% 95,86% 83,67% 15,75%
C3 99,38% 95,27% 84,04% 15,34%
C5 99,51% 93,59% 82,49% 17,02%
C6 99,47% 92,61% 84,04% 15,43%
M1 99,41% 95,96% 83,03% 16,38%
M2 99,39% 95,12% 82,55% 16,85%
M3 99,42% 95,64% 84,30% 15,12%
M5 99,43% 96,55% 83,35% 16,29%
M6 99,45% 96,22% 84,12% 16,08%
Durante os cinco dias de desenvolvimento dos testes com o lodo da ETA São João, a
temperatura máxima registrada nos termômetros localizados junto aos leitos de secagem foi
67
de 31,5 °C. Já a temperatura mínima foi de 22,0 °C. A umidade relativa do ar manteve-se em
torno de 92 %, registrando-se um máximo de 93%, no final do experimento e um mínimo de
90 %, no início do experimento.
Ao final do experimento, o teor umidade tanto nos leitos convencionais, quanto nos
leitos modificados ficou em torno de 82,5 %.
A análise de variância a um fator para a diferença de umidade permite afirmar que
estatisticamente não existe diferença ao nível de significância de 5% entre os leitos
convencionais e modificados, conforme resultados apresentados na tabela 5.2.
Tabela 5.2: Tabela ANOVA para lodo da ETA São João – umidade
5.1.2 – Lodo ETA José Loureiro da Silva
Na segunda etapa deste experimento, os leitos foram colocados em carga com o lodo
da ETA José Loureiro da Silva. A coleta do lodo foi realizada em um ponto do decantador em
que o lodo encontrava-se bastante denso e, por vezes, a bomba do caminhão sugador que fazia
a retirada do lodo teve dificuldades em operar.
Foi realizada a coleta de amostras em cada leito, para a análise de umidade inicial do
lodo. Para tanto, amostras de lodo eram recolhidas, procurando-se seguir a diagonal de fundo
e recolher a amostra em toda a profundidade do leito. As amostras eram colocadas em
recipientes de vidro de boro-silicato (copos de béquer) e imediatamente cobertos com filme
plástico. A alocação dos leitos seguiu os padrões estabelecidos na figura 4.6; porém, o leito
C4 não foi posto em carga, pois foi verificada uma perfuração na lona, o que poderia ser causa
de vazamentos, comprometendo o resultado do experimento.
RESUMO
Grupo Contagem Soma Média Variância
Leitos convencionais
5 79,77 15,9537 0,47644
Leitos modificados 5 79,76 15,9517 0,51711
ANOVA
Fonte da variação SQ gl MQ F
F crí (5%)
F crí (1%) F crí (0,1%)
Entre grupos 9,19E-06 1 9,2E-06 1,85E-05 5,318 11,259 25,415
Dentro dos grupos 3,974172 8 0,49677
Total 3,974182 9
68
O experimento foi conduzido ao longo de 40 dias. Neste período foram realizadas seis
análises de umidade no lodo. Quatro horas após o início do experimento, houve uma chuva
bem forte, que atingiu mais os leitos M3 e M6; porém, não prejudicou o andamento dos testes.
No segundo dia era perceptível a formação de uma camada de lodo mais espessa junto às
paredes laterais de todos os leitos e, apesar de ainda haver uma lâmina de líquido incolor
sobre o lodo, os leitos trincaram. As trincas formadas estavam encobertas pelo líquido
sobrenadante que apresentava-se confinado no centro do leito.
É possível que a formação destas trincas deva-se à forma como os leitos foram
operados: quando foi realizada a remoção do lodo de dentro dos leitos, no experimento
anterior (lodo da ETA São João), não foi efetuada a substituição da manta geotêxtil. O lodo
apenas foi removido, raspando-se bem o fundo e as laterais do leito. Após, a limpeza foi
concluída com o auxílio de um jato de água, fornecido por uma mangueira. A manta geotêxtil
em nenhum momento foi removida do leito. Com isso, as laterais ficaram bem limpas, mas no
fundo de cada leito ficou depositada uma camada muito fina de lodo, que pode ter obstruído
os poros da manta geotêxtil na base do leito. Talvez o fato de que nas laterais do leito o bidim
estivesse desobstruído (limpo), a passagem da água tenha sido favorecida por ali, acelerando a
drenagem do líquido e formando, indesejavelmente, uma camada de lodo mais espesso junto
às paredes laterais do leito. Essa secagem mais acelerada nas laterais pode ter provocado o
trincamento do lodo no centro devido à contração do lodo nas laterais.
Nos dias seguintes, a camada de líquido sobrenadante desapareceu e as trincas foram
aumentando, bem como a camada de lodo mais espesso junto às paredes laterais do leito, que
se apresentava cada vez mais seca (chegando, inclusive, a se soltar da parede, envergando
para o centro do leito). É importante salientar que estas observações dizem respeito a todos os
leitos, pois não foi observada nenhuma diferença visual entre os leitos convencionais e os
leitos modificados.
O aspecto do lodo nos leitos pode ser visualizado na figura 5.4. Nesta figura também
está ilustrado o aspecto do lodo ao término do experimento, onde é possível determinar os
locais onde foram coletadas as amostras de lodo para a execução das análises de umidade.
Procurou-se coletar o lodo em toda a profundidade do leito, em três pontos distintos, seguindo
a diagonal de fundo.
69
(a) (b)
Figura 5.4: Aspecto do lodo nos leitos de secagem; (a) trincas sem líquido
sobrenadante; (b) lodo pronto para ser removido do leito, ao término do experimento (38
dias).
Durante o desenvolvimento dos testes com o lodo da ETA José Loureiro da Silva, a
temperatura máxima registrada nos termômetros localizados junto aos leitos de secagem foi
de 37,0 °C e a média das temperaturas máximas diárias foi de 34,3 °C. Já a temperatura
mínima foi de 18,0 °C, sendo a média das temperaturas mínimas diárias de 23,3 °C. A
umidade relativa do ar manteve-se em torno de 87 %, registrando-se um máximo de 90%, no
início do experimento e um mínimo de 80 %, no final do experimento.
O gráfico que relaciona a umidade do lodo nos leitos em função do tempo pode ser
visualizado na figura 5.5.
70
Lodo ETA José Loureiro da Silva
67
69
71
73
75
77
79
81
83
85
87
89
91
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
tempo (dias)
umidade (%)
Leitos Convencionais
Leitos Modificados
Umidade Relativa do Ar
Figura 5.5: Umidade média dos leitos em função do tempo.
Dados mais detalhados podem ser visualizados na tabela 5.3, que exibe a umidade do
lodo em cada leito de secagem. No leito C1, a partir do décimo nono dia verificou-se que as
laterais da lona no leito haviam se desprendido, caindo sobre o lodo. Desta forma, optou-se
por desprezar este leito, em função de o mesmo não contar com a secagem por convecção
superior. O mesmo foi verificado com o leito M1 no momento da coleta da última amostra.
Tabela 5.3: Dados de umidade do lodo nos leitos de secagem para o lodo da ETA José
Loureiro da Silva.
leitos
umidade do lodo (%)
dia 0 dia 3 dia 11 dia 19 dia 31 dia 38 Diferença
C1 90,21 88,12 83,47 AP AP AP
C2 89,68 AP 83,86 79,62 75,71 70,59 19,09
C3 89,49 88,27 84,46 79,89 78,06 69,59 19,90
C5 90,44 88,96 84,33 78,04 76,50 64,85 25,59
C6 90,07 89,12 83,74 78,78 79,30 69,09 20,98
M1 89,72 87,46 83,10 77,80 76,70 AP
M2 88,55 87,23 82,45 75,71 75,50 67,17 21,38
M3 89,03 88,01 83,19 76,67 76,20 66,82 22,21
M5 90,57 88,98 84,23 79,04 77,38 66,19 24,38
M6 90,36 87,91 84,74 78,40 76,67 69,58 20,78
AP = amostra prejudicada.
A análise de variância a um fator para a diferença de umidade permite afirmar que
estatisticamente não existe diferença ao nível de significância de 5% entre os leitos
convencionais e modificados, conforme resultados apresentados na tabela 5.4.
71
Tabela 5.4: Tabela ANOVA para lodo da ETA JLS – umidade
RESUMO
Grupo Contag
Soma Média Variância
Leitos convencionais
4 85,57 21,3916
8,448367
Leitos modificados 4 88,76 22,1899
2,482443
ANOVA
Fonte da variação SQ gl MQ F F crít (5%)
F crít (1%)
F crít (0,1%)
Entre grupos 1,2744
1 1,27448
0,233 5,987 13,745 35,507
Dentro dos grupos 32,792
6 5,46541
Total 34,066
7
5.2 – Segundo Experimento
5.2.1 – Resultados das análises do resíduo de cal
Os resultados obtidos nos ensaios de caracterização do resíduo de cal utilizado no
experimento encontram-se ilustrados na tabela 5.5:
Tabela 5.5: Caracterização do resíduo de cal.
Parâmetros Valores
Teor de hidróxido de cálcio – Ca(OH)
2
68,9 % *
Teor de carbonato de cálcio – CaCO
3
13,6 % *
Teor de hidróxido de magnésio – Mg(OH)
2
2,3 % *
Teor de umidade 53,4 %
*base seca (105 °C)
Pode-se perceber, pelos resultados obtidos, que uma quantidade considerável de
hidróxido de cálcio é perdida no momento do descarte dos insolúveis (carbonato de cálcio).
72
5.2.2 – Resultados das análises de lodo
O lodo utilizado apresentou as características constantes na tabela 5.6:
Tabela 5.6: Caracterização do lodo utilizado no experimento.
Parâmetros Valores
pH
6,5
Teor de umidade 90,6 %
5.2.3 – Resultados das análises das mesclas de lodo com resíduo de cal
Foram realizados ensaios de pH e umidade das mesclas de lodo com resíduo de cal
depositadas nos leitos, no início do experimento. Os resultados são apresentados na tabela 5.7.
O valor de pH inicial verificado no leito número seis destoa muito dos demais leitos
(números quatro e cinco) que apresentam a mesma percentagem de resíduo de cal. No
momento em que o experimento terminou, foi verificado que a mistura entre o lodo e o
resíduo de cal neste leito não havia sido suficientemente homogeneizada, pois havia pequenos
acúmulos de resíduo de cal no interior da massa desidratada. Por este motivo, os resultados de
diferença de umidade para este leito não foram considerados e a média foi realizada apenas
com os resultados dos leitos quatro e cinco.
Verificou-se que a mistura lodo com resíduo de cal apresentava forte odor
característico das argamassas comumente utilizadas na construção civil. O odor permaneceu
no ambiente mesmo depois de decorridos vários dias do término do experimento, quando já
não havia mais resquício da mistura na sala.
A análise de variância a um fator para a diferença de umidade permite afirmar que
existe diferença estatística ao nível de significância de 0,1 % entre os leitos, pois o valor de F
calculado é maior do que o valor de F crítico a 0,1 %, conforme resultados apresentados na
tabela 5.8.
73
Tabela 5.7: Ensaios realizados nas misturas presentes em cada leito.
Leitos
teor de resíduo
de cal
pH
inicial
umidade
inicial
umidade
final
diferença
média da
diferença
1 0,0 % 6,5 90,6% 87,4% 3,2%
2 0,0 % 6,5 90,6% 86,3% 4,3% 4,1 %
3 0,0 % 6,5 90,5% 85,8% 4,7%
4 2,5 % 10,1 90,2% 82,5% 7,7%
5 2,5 % 10,7 90,1% 82,5% 7,6% 7,7 %
6 2,5 % 8,7
7 5,0 % 11,2 90,2% 81,7% 8,5%
8 5,0 % 11,8 88,7% 80,5% 8,2% 8,0 %
9 5,0 % 12,0 87,5% 80,4% 7,2%
10 7,5 % 12,4 86,4% 80,3% 6,0%
11 7,5 % 12,3 86,9% 81,1% 5,8% 6,2 %
12 7,5 % 12,2 86,6% 80,0% 6,6%
13 10,0 % 12,2 87,0% 80,1% 6,9%
14 10,0 % 12,3 86,6% 80,0% 6,5% 6,1 %
15 10,0 % 12,7 84,4% 79,7% 4,8%
16 100,0 % 12,8 54,6% 49,9% 4,6%
17 100,0 % 12,8 52,9% 48,6% 4,3% 4,7 %
18 100,0 % 12,8 52,9% 47,6% 5,2%
Tabela 5.8: Tabela ANOVA - umidade da mistura de lodo com resíduo de cal.
RESUMO
Grupo Contag.
Soma Média
Variância
0,0% de resíduo cal
3 12,302
4,101 0,60402
2,5% de resíduo cal
3 24,223
8,074 0,588204
5,0% de resíduo cal
3 23,845
7,948 0,48035
7,5% de resíduo cal
3 18,474
6,158 0,158952
10,0% de resídu cal
3 18,154
6,051 1,287303
ANOVA
Fonte da variação SQ gl MQ F F crít (5%)
F crít (1%)
F crít (0,1%)
Entre grupos 31,933 4 7,983 12,79848
3,4780498 5,9943659
11,2831913
Dentro dos grupos 6,2376 10 0,624
Total 38,170 14
74
O gráfico que relaciona o teor de resíduo de cal adicionado ao lodo com a diferença de
umidade obtida entre o início e o final do experimento encontra-se ilustrado na figura 5.6:
Figura 5.6: Teor de resíduo de cal versus percentual de redução de umidade obtido.
5.2.4 – Resultados das análises do percolado dos leitos
No percolado recolhido dos leitos, foram realizados ensaios de pH, turbidez e metais
na amostra composta. Os resultados encontrados são apresentados na tabela 5.9.
A turbidez média do percolado obtido nos leitos que continham apenas lodo é de 162
NTU. A adição de 2,5 % de resíduo de cal ao lodo produziu líquido percolado com turbidez
média de 110 NTU, o que indica uma redução de 32 %. O percentual de redução da turbidez
para o percolado dos leitos que continham 5,0 % de resíduo de cal, quando comparados ao
percolado dos leitos que continham apenas lodo foi de 71 % (turbidez média de 47 NTU).
Seguindo o mesmo procedimento, encontram-se os valores de 81 % de redução para os leitos
com 7,5 % de resíduo de cal, e de 90 %, para os leitos com 10,0 % de resíduo de cal.
3,5
4,5
5,5
6,5
7,5
8,5
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0
Teor de resíduo no lodo (%)
Diferença de umidade (%)
75
Tabela 5.9: Ensaios realizados no percolado dos leitos.
Leitos
teor de
resíduo
de cal
pH do
percolado
turbidez do
percolado
(NTU)
Alumínio
(mg/L)
Ferro
(mg/L)
Cálcio
(mg/L)
Magnésio
(mg/L)
1
0,0 %
5,9
168
10,1
17,2
11,76
3,71
2 0,0 % 5,7 157 8,9 17,7 10,82 3,48
3 0,0 % 5,5 161 7,3 19,4 8,63 3,56
4
2,5 %
9,4
97
68,4
2,0
128,35
0,14
5 2,5 % 9,8 128 146,9 2,9 139,99 0,17
6 2,5 % 10,0 104 138,9 2,3 139,84 0,14
7
5,0 %
11,8
33
171,6
1,5
> 150,00
< 0,09
8 5,0 % 11,5 64 213,1 2,8 > 150,00
0,19
9 5,0 % 11,1 44 191,8 1,6 148,98 0,14
10
7,5 %
11,9
38
175,1
2,4
> 150,00
0,11
11 7,5 % 12,0 31 158,7 1,3 > 150,00
0,10
12 7,5 % 12,2 23 86,1 1,4 > 150,00
< 0,09
13
10,0 %
11,8
24
163,7
< 0,9
> 150,00
< 0,09
14 10,0 % 12,0 12,2 111,3 < 0,9 > 150,00
ND
15 10,0 % 12,2 12,2 37,4 0,9 > 150,00
< 0,09
16
100,0 %
12,6
*
0,2
ND
> 150,00
3,66
17 100,0 % 12,6 * 0,6 < 0,9 > 150,00
2,15
18 100,0 % 12,7 * 0,1 ND > 150,00
2,71
*amostra de aspecto leitoso.
A análise de variância a um fator para a turbidez média do percolado dos leitos
permite afirmar que há forte evidência de diferença estatística entre as amostras para os
diferentes teores de cal, conforme pode ser verificado na tabela 5.10:
Tabela 5.10: ANOVA – turbidez do percolado da mistura de lodo com resíduo de cal.
RESUMO
Grupo Contag.
Soma Média Variância
0,0% de resíduo cal
3 486 162 31
2,5% de resíduo cal
3 329 109,66 264,333
5,0% de resíduo cal
3 141 47 247
7,5% de resíduo cal
3 92 30,666 56,3333
10,0% de resídu cal
3 48,4 16,133 46,4133
ANOVA
Fonte da variação SQ gl MQ F F crít(5%)
F crít (1%) F crít (0,1%)
Entre grupos 44902 4 11225,5
87,0086 3,47805 5,9943659 11,2831913
Dentro dos grupos 1290,16
10 129,016
Total 46192,1
14
76
Já os valores de alumínio presente no percolado (alumínio solúvel) aumentaram
consideravelmente com a adição de resíduo de cal ao lodo, ultrapassando o limite estabelecido
pela legislação estadual (Norma Técnica n° 01/89 da SSMA/RS), inviabilizando a disposição
do percolado destes leitos diretamente nos corpos de água. Desta forma, procedeu-se a
neutralização do percolado para modificar a solubilidade do metal.
Após proceder-se a neutralização do percolado para valores de pH entre 6,5 e 7,5
houve a formação de um precipitado gelatinoso, conforme ilustrado na figura 5.7. Análises de
absorção atômica da fração líquida sobrenadante mostram que todo o alumínio inicialmente
dissolvido em pH alcalino passa para a forma insolúvel em pH neutro, conforme ilustrado na
tabela 5.11. Isso confirma os resultados apresentados pelo COMMITEE REPORT – PART 2
(AWWA, 1978) e pelo diagrama de diagrama de estabilidade do alumínio, apresentado na
figura 3.1 (GONÇALVES, 1997).
Tabela 5.11: Teores de alumínio antes e após a neutralização do percolado.
leitos
composição %
de resíduo de
cal
pH do
percolado
alumínio
solúvel
(mg/L)
pH do
percolado após
ajuste c/ HCl
alumínio
solúvel
(mg/L)
% de redução
no teor de
alumínio
5 2,5% 9,8 146,9 6,7 24,7 83,2%
9 5,0% 11,1 191,8 7,4 < 1,0 100%
11 7,5% 12,0 158,7 7,2 < 1,0 100%
13 10,0% 11,8 163,7 6,8 < 1,0 100%
Figura 5.7: Aspecto do precipitado formado após a neutralização do percolado.
77
No percolado do leito cinco haviam se formado flocos gelatinosos no fundo do
recipiente, porém, também foi observada a flotação de pequenos flocos. Talvez o tempo de
repouso (24 horas) não tenha sido suficiente para a separação da fase insolúvel.
A tabela 5.12 apresenta os valores de F calculado e de F crítico a 0,1 % obtidos pela
tabela ANOVA para os valores de alumínio solúvel no percolado dos leitos. Conforme pode
ser visualizado, há diferença estatística a 1% de significância;
Tabela 5.12: Tabela ANOVA – alumínio solúvel no percolado da mistura de lodo
com resíduo de cal.
RESUMO
Grupo Contag. Soma
Média Variância
0,0% de resíduo cal
3 26,3 8,766 1,973333
2,5% de resíduo cal
3 354,2
118,0 1866,083
5,0% de resíduo cal
3 576,5
192,1 430,6633
7,5% de resíduo cal
3 419,9
139,9 2243,453
10,0% de resídu cal
3 312,4
104,1 4026,443
ANOVA
Fonte da variação SQ gl MQ F F crít (5%)
F crít (1%)
F crít (0,1%)
Entre grupos 53888,1 4 13472 7,861268 3,4780498
5,9943659
11,2831913
Dentro dos grupos 17137,2 10 1713,72
Total 71025,3 14
É importante salientar que, no percolado dos leitos que continham cal, os valores de
ferro e de manganês diminuíram abruptamente com a adição de resíduo de cal ao lodo,
indicando que em pH mais alcalino, estes compostos encontram-se na forma insolúvel. Assim,
no percolado destes leitos apenas o metal alumínio excedeu o limite da legislação estadual.
78
A neutralização do percolado exigiria a construção de unidades destinadas a este fim,
com tubulações, bombas, decantadores, etc., além de gastos com produtos químicos; porém,
se for considerado apenas os teores de alumínio, ferro, cálcio e manganês, o líquido percolado
dos leitos que contém mais de 5,0 % de resíduo de cal pode, após a neutralização, ser
lançados diretamente nos corpos receptores, pois não ultrapassa o limite estabelecido pela
Norma Técnica estadual nº 01/89 da SSMA/RS.
A aparência do percolado dos leitos está apresentada na figura 5.8:
Figura 5.8: Aspecto do percolado do leito 1, leito 4, leito 7 e do leito 10.
A aparência da mistura depositada nos leitos quatro horas após o início do
experimento pode ser visualizada na figura 5.9.
Leito 1 (apenas lodo)
Leito
4 (lodo + 2,5 %
de resíduo de cal)
Leito
7 (lodo + 5,0 %
de resíduo de cal)
Leito
10 (lodo + 7,5 %
de resíduo de cal)
79
Figura 5.9: Aparência da mistura nos leitos quatro horas após o início do experimento
5.2.5 – Análise do volume de líquido percolado em função do tempo
Durante as 72 horas do experimento, foi monitorado o volume de líquido percolado
em função do tempo, para cada leito. Antes de ser armazenado, o volume de líquido e o
horário eram registrado em uma planilha. Os resultados são apresentados nas tabelas 5.13 a
5.18.
Leito 1 (apenas lodo)
Leito
4 (lodo + 2,5 %
de resíduo de cal)
Leito
7 (lodo + 5,0 %
de resíduo de cal)
Leito
10 (lodo + 7,5 %
de resíduo de cal)
Leito
13
(lodo + 10 %
de resíduo de cal)
Leito 16 (apenas resíduo de cal)
80
Tabela 5.13: Volumes de líquido percolado em função do tempo para os leitos com 0,0 % de resíduo de cal.
Leito 1
Leito 2
Leito 3
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
0 0 0
0 0 0
0 0 0
10 35 35
10 71 71
10 105 105
20 170 205
20 55 126
20 76 181
30 43 248
30 57 183
30 36 217
40 24 272
40 28 211
40 0 217
50 26 298
50 31 242
50 64 281
70 49 347
60 28 270
50 23 304
90 44 391
80 50 320
80 61 365
122 38 429
100 46 366
100 51 416
173 84 513
120 38 404
124 52 468
242 93 606
168 80 484
166 86 554
329 96 702
238 98 582
236 121 675
500 165 867
324 100 682
322 128 803
1044 411 1278
496 180 862
494 225 1028
1461 188 1466
1039 411 1273
1041 517 1545
1910 270 1736
1456 188 1461
1455 287 1832
2667 369 2105
1905 270 1731
1907 290 2122
2778 47 2152
2662 369 2100
2660 415 2537
4415 541 2693
2773 47 2147
2771 36 2573
4410 541 2688
4406 500 3073
81
Tabela 5.14: Volumes de líquido percolado em função do tempo para os leitos com 2,5 % de resíduo de cal.
Leito 4
Leito 5
Leito 6
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
0 0 0
0 0 0
0 0 0
10 276 276
10 533 533
10 500 500
20 163 439
20 193 726
20 253 753
30 105 544
30 210 936
30 263 1016
40 106 650
40 154 1090
34 185 1201
50 105 755
50 116 1206
44 150 1351
70 80 835
60 140 1346
54 165 1516
81 160 995
80 195 1541
74 188 1704
91 125 1120
99 132 1673
94 140 1844
112 69 1189
112 91 1764
115 162 2006
132 118 1307
130 110 1874
134 141 2147
159 130 1437
153 129 2003
148 88 2235
196 159 1596
191 174 2177
186 208 2443
229 141 1737
223 122 2299
218 137 2580
315 268 2005
310 253 2552
305 296 2876
502 417 2422
483 312 2864
490 398 3274
1036 582 3004
1032 442 3306
1028 443 3717
1448 230 3234
1443 192 3498
1438 148 3865
1900 174 3408
1894 147 3645
1889 107 3972
2654 204 3612
2648 177 3822
2645 119 4091
4398 238 3850
4391 196 4018
4384 104 4195
82
Tabela 5.15: Volumes de líquido percolado em função do tempo para os leitos com 5,0 % de resíduo de cal.
Leito 7
Leito 8
Leito 9
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
0 0 0
0 0 0
0 0 0
10 1150 1150
10 906 906
10 605 605
20 540 1690
20 497 1403
20 300 905
30 387 2077
30 292 1695
30 258 1163
40 247 2324
40 206 1901
40 184 1347
60 211 2535
63 345 2246
53 180 1527
70 144 2679
68 70 2316
62 126 1653
90 225 2904
87 189 2505
83 215 1868
100 80 2984
99 97 2602
92 93 1961
110 124 3108
139 220 2822
134 277 2238
129 90 3198
170 116 2938
164 138 2376
142 49 3247
258 198 3136
252 243 2619
181 108 3355
431 188 3324
425 233 2852
212 60 3415
980 159 3483
975 229 3081
300 114 3529
1389 58 3541
1383 18 3099
474 118 3647
1841 49 3590
1834 69 3168
1023 117 3764
2597 51 3641
2590 75 3243
1883 30 3794
2650 17 3811
83
Tabela 5.16: Volumes de líquido percolado em função do tempo para os leitos com 7,5 % de resíduo de cal.
Leito 10
Leito 11
Leito 12
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
0 0 0
0 0 0
0 0 0
10 740 740
13 770 770
13 775 775
20 378 1118
23 373 1143
22 757 1532
30 280 1398
31 241 1384
31 227 1759
40 271 1669
41 167 1551
42 144 1903
61 240 1909
50 110 1661
56 123 2026
71 100 2009
60 89 1750
73 94 2120
89 115 2124
77 100 1850
97 87 2207
129 207 2331
101 122 1972
126 65 2272
158 90 2421
130 95 2067
217 104 2376
247 161 2582
220 151 2218
387 79 2455
420 138 2720
391 140 2358
937 82 2537
970 138 2858
942 40 2398
1344 28 2565
1377 38 2896
1349 22 2420
1795 29 2594
1800 27 2447
84
Tabela 5.17: Volumes de líquido percolado em função do tempo para os leitos com 10,0 % de resíduo de cal.
Leito 13
Leito 14
Leito 15
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
0 0 0
0 0 0
0 0 0
13 588 588
11 647 647
9 802 802
23 310 898
20 371 1018
20 327 1129
34 207 1105
28 165 1183
34 215 1344
43 105 1210
41 180 1363
66 200 1544
52 83 1293
71 231 1594
93 91 1635
63 72 1365
99 114 1708
186 100 1735
91 118 1483
191 162 1870
354 70 1805
120 77 1560
360 0 1870
211 127 1687
380 103 1790
85
Tabela 5.18: Volumes de líquido percolado em função do tempo para os leitos com 100,0 % de resíduo de cal.
Leito 16
Leito 17
Leito 18
tempo
(min)
volume
coletado
(mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado (mL)
volume
acumulado
(mL)
tempo
(min)
volume
coletado (mL)
volume
acumulado
(mL)
0 0 0
0 0 0
0 0 0
10 337 35
10 198 244
10 244 244
20 182 217
20 121 365
20 126 370
30 120 337
30 105 470
30 83 453
40 94 431
40 61 531
40 66 519
50 73 504
50 41 572
50 54 573
60 57 561
60 55 627
60 41 614
70 56 617
70 52 679
70 46 660
90 76 693
90 42 721
90 56 716
110 77 770
110 49 770
110 45 761
130 47 817
130 48 818
130 37 798
160 65 882
220 47 865
220 59 857
230 51 933
387 45 910
379 55 912
391 36 969
553 19 988
86
Os dados de volume de percolado de cada leito em função do tempo geraram os
gráficos apresentados nas figuras 5.10, 5.11, 5.12, 5.13, 5.14 e 5.15.
0,0 % de resíduo de cal
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0,0 12,0 24,0 36,0 48,0 60,0 72,0
tempo (h)
volume (L)
Leito 1
Leito 2
Leito 3
Figura 5.10: Volume de líquido percolado em função do tempo, para os leitos que
continham apenas lodo.
2,5 % de resíduo de cal
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0,0 12,0 24,0 36,0 48,0 60,0 72,0
tempo (h)
volume (L)
Leito 4
Leito 5
Leito 6
Figura 5.11: Volume de líquido percolado em função do tempo, para os leitos que
continham 2,5 % de resíduo de cal.
87
5,0 % de resíduo de cal
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0,0 12,0 24,0 36,0 48,0 60,0 72,0
tempo (h)
volume (L)
Leito 7
Leito 8
Leito 9
Figura 5.12: Volume de líquido percolado em função do tempo, para os leitos que
continham 5,0 % de resíduo de cal.
7,5 % de resíduo de cal
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0,0 12,0 24,0 36,0 48,0 60,0 72,0
tempo (h)
volume (L)
Leito 10
Leito 11
Leito 12
Figura 5.13: Volume de líquido percolado em função do tempo, para os leitos que
continham 7,5 % de resíduo de cal.
88
10,0 % de resíduo de cal
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0,0 12,0 24,0 36,0 48,0 60,0 72,0
tempo (h)
volume (L)
Leito 13
Leito 14
Leito 15
Figura 5.14: Volume de líquido percolado em função do tempo, para os leitos que
continham 10,0 % de resíduo de cal.
100,0 % de resíduo de cal
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0,0 12,0 24,0 36,0 48,0 60,0 72,0
tempo (h)
volume (L)
Leito 16
Leito 17
Leito 18
Figura 5.15: Volume de líquido percolado em função do tempo, para os leitos que
continham apenas resíduo de cal.
89
A análise das figuras 5.10 a 5.15, que relacionam o volume de percolado em cada leito
em função do tempo, permite as seguintes observações:
1) A curva do volume acumulado em função do tempo, para os leitos com mistura
de cal, apresentou um platô, ou seja, um ponto a partir do qual a quantidade de
líquido percolado cessava ou apresenta variação muito pequena;
2) O platô ocorreu quando aproximadamente 90 % do total de líquido percolado já
havia sido coletado;
3) Os leitos que continham apenas lodo (figura 5.10) continuavam drenando líquido
continuamente, mesmo depois de decorridas 72 horas do início do experimento
(momento no qual o experimento foi dado por encerrado), chegando ao volume
total de quase três litros de líquido percolado;
4) Os leitos que continham lodo com 2,5% de resíduo de cal (figura 5.11) drenaram
um total de aproximadamente 4 L de líquido;
5) Os leitos que continham lodo com 5,0% de resíduo de cal (figura 5.12) drenaram
um total de 3,6 L de líquido;
6) O platô apresentado na curva dos leitos que continham lodo com 7,5 % de
resíduo de cal (figura 5.13) iniciou depois de decorridos aproximadamente
quatro horas do início do experimento. O volume total drenado nestes leitos foi
de aproximadamente 2,7 L;
7) Os leitos que continham lodo com 10,0% de resíduo de cal (figura 5.14) também
apresentaram platô, o qual se deu aproximadamente duas horas após o início do
experimento. O volume total de percolado foi da ordem de 1,8 L após seis horas
do início do experimento;
8) Os leitos que continham apenas resíduo de cal (figura 5.15) drenaram um total de
0,9 L de líquido percolado e apresentaram platô aproximadamente duas horas
após o início do experimento;
O platô nos apresentado nos leitos com mistura de cal (figuras 5.11 a 5.15) aconteceu
em tempos distintos para os diferentes leitos.
90
• Leitos que continham apenas lodo não apresentaram platô. Considerando o
volume total de líquido coletado (quase três litros), os leitos levaram
aproximadamente 60 horas para drenar 90 % deste total;
•
Leitos que continham lodo com 2,5% de resíduo de cal levaram
aproximadamente 32 horas para atingirem o platô, ou seja, quase a metade do
tempo gasto, se comparado aos leitos que não continham resíduo de cal;
• Leitos que continham lodo com 5,0% de resíduo de cal levaram
aproximadamente
seis horas
para atingirem o platô, ou seja, quase 10% do
tempo gasto pelos leitos que não continham resíduo de cal;
• Leitos que continham lodo com 7,5% de resíduo de cal levaram
aproximadamente quatro horas para atingirem o platô, ou seja, quase 7% do
tempo gasto pelos leitos que não continham resíduo de cal;
• Leitos que continham lodo com 10,0% de resíduo de cal levaram
aproximadamente 1,5 hora para atingirem o platô, ou seja, quase 3% do tempo
gasto pelos leitos que não continham resíduo de cal;
•
Leitos que continham apenas resíduo de cal levaram aproximadamente de
2,5
horas para atingirem o platô, ou seja, drenar 90 % do total de líquido coletado;
Analisando-se a quantidade total de água presente no lodo (teor de umidade) e
considerando-se a densidade do líquido percolado igual à densidade da água, percebe-se que
nem toda a água presente nos leitos apresentava-se na forma possível de ser drenada. Por
exemplo, os leitos que continham lodo com 10,0 % de cal, apresentaram teor de umidade
inicial na ordem de 86 %, ou seja, dos 10 kg de mistura depositadas nos leitos, 8,6 kg eram de
água; porém, deste total apenas 1,8 kg foram drenados, o que sugere que apenas 21% da água
presente no lodo era passível de drenagem. Raciocínio análogo conduz aos resultados
ilustrados na tabela 5.19:
91
Tabela 5.19: quantidade de água passível de ser drenada presente nos leitos
teor de resíduo
de cal
massa total de água
presente
massa de água
drenada*
teor de água passível de
drenagem
0,0 % 9,05 kg 2,7** kg 30 %
2,5 % 9,03 kg 4,0 kg 45 %
5,0 % 8,9 kg 3,6 kg 40 %
7,5 % 8,7 kg 2,9 kg 33 %
10,0 % 8,6 kg 1,8 kg 21 %
100,0 % 5,3 kg 0,9 kg 17 %
* considerando-se a densidade do líquido drenado igual a 1,00.
** massa drenada até o término do experimento
Salienta-se que nos leitos que continham apenas lodo o experimento foi encerrado sem
que a curva de volume acumulado em função do tempo tenha atingido um platô. Isso significa
que, mesmo depois de decorridas 72 horas do início do experimento, não chegou a ser
coletado todo o volume de água passível de ser drenada contida nestes leitos.
A análise dos dados da tabela 5.19 sugere que a adição do resíduo de cal ao lodo
possibilitou a formação de compostos que “aprisionaram” a água entre suas moléculas.
5.2.6 - Resultados da análise de fluorescência de raio X
A composição química da mistura sólida, remanescente nos leitos após o término do
experimento, foi realizada por espectrometria de fluorescência de raio X. Os resultados
encontram-se ilustrados na tabela 5.20:
92
Tabela 5.20: Resultados de fluorescência de RX
Amostra Lodo sem
cal
Lodo c/
2,5% cal
Lodo c/
5,0 % cal
Lodo c/
7,5% cal
Lodo c/
10 % cal
Matéria-prima do
cimento*
SiO
2
(%) 37,28 33,24 26,67 24,30 21,13 17 – 25
Al
2
O
3
(%) 25,63 22,62 18,31 16,00 13,97 3 - 8
TiO
2
(%) 0,84 0,72 0,51 0,47 0,39 -
Fe
2
O
3
(%) 9,97 8,14 6,47 5,10 4,13 0,5 – 6,0
MnO (%) 0,05 0,05 0,05 0,04 0,03 -
MgO (%) 0,74 1,05 1,49 1,65 1,91 0,1 - 6
CaO (%) 0,29 8,62 18,44 22,82 29,51 60 - 67
Na
2
O (%) 0,09 0,07 0,00 0,02 0,02 0,5 – 1,3
K
2
O (%) 0,70 0,64 0,52 0,51 0,46 0,5 – 1,3
P
2
O
5
(%) 0,75 0,71 0,65 0,61 0,58 -
P. F. (%) 25,14 25,14 27,39 27,98 28,78 -
*Segundo TORRES, 1941.
Conforme pode ser observado, os valores de óxido de silício (SiO
2
) decrescem à
medida que aumenta o percentual de resíduo de cal adicionado ao lodo. O contrário ocorre
com os valores de óxido de cálcio (CaO). É importante salientar que o cálcio aparece na
forma de óxido e não de hidróxido ou de carbonato, devido à calcinação à qual é submetida a
amostra durante a realização da análise de fluorescência de RX (1.000 °C).
Os elementos encontrados na mistura sólida remanescente nos leitos são os mesmos
presentes na matéria-prima do cimento, variando apenas em composição percentual. Isso
sugere que esta massa sólida pode ser empregada na indústria, substituindo, em parte, a
matéria-prima empregada na fabricação de cimentos.
93
6. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
6.1 – Conclusões
Os resultados obtidos durante o desenvolvimento desta pesquisa, permitem emitir as
seguintes conclusões:
1. É necessário um prévio adensamento no lodo da ETA São João para que o mesmo seja
depositado em leitos de secagem. Um tanque de sedimentação bastaria para adensar o
lodo. O líquido sobrenadante poderia ser encaminhado para o início do processo de
tratamento de água, enquanto que os sólidos presentes no fundo poderiam ser
encaminhados para os leitos de secagem. Pelo observado durante o experimento, o
lodo da ETA São João pode ser considerado condicionado, pois a ETA utiliza
polieletrólito não iônico como agente secundário de coagulação e tal material parece
atuar também no lodo, favorecendo sua desidratação;
2. Não foi observada diferença entre os resultados apresentados pelos leitos de secagem
convencionais e modificados, em todas as etapas dos experimentos realizados, tanto
para o lodo da ETA José Loureiro da Silva quanto para o lodo da ETA São João;
3. A adição de resíduo de cal ao lodo favoreceu a rápida desidratação do mesmo. Para
leitos com 10,0 % de resíduo de cal o tempo gasto para drenar 90 % do total de água
coletada (1,5 horas) foi 40 vezes menor se comparado ao tempo gasto pelos leitos que
não continham cal (60 horas);
4. Os leitos com 5,0 % de resíduo de cal apresentam uma melhor relação entre a
quantidade de líquido drenada e a velocidade de drenagem de líquido;
5. Verificou-se que, quanto maior o percentual de resíduo de cal adicionado ao lodo,
maior a velocidade com que a água presente na mistura era drenada. Leitos com 2,5 %
de resíduo de cal levaram 32 horas para atingirem o platô (ponto no qual 90 % do total
de líquido percolado já havia sido coletado) ao passo que os leitos com 10,0 % de
resíduo de cal atingiram o platô em apenas uma 1,5 hora;
6. Por outro lado, observou-se que quanto maior a percentagem de resíduo de cal
adicionado ao lodo, menor era o volume de líquido percolado. Os leitos que continham
lodo com 2,5 % de resíduo de cal drenaram quatro litros de líquido (45 % do total de
água presente na mistura) ao passo que os leitos com 10,0 % de resíduo de cal
94
drenaram menos de dois litros de líquido (21 % do total de água presente na mistura),
ou seja, apesar dos leitos com maior teor de resíduo de cal drenarem a água mais
rapidamente, o volume de água drenado é menor, de modo que a umidade final da
fração sólida é maior;
7. Nem toda água presente nos leitos encontrava-se na forma passível de ser drenada.
Quanto maior a adição de resíduo de cal ao lodo, menor era o volume de líquido
coletado, o que indica a formação de compostos que “aprisionam” água. Essa
observação também foi confirmada pela diferença de umidade inicial e final nos leitos.
Leitos com 5,0 % de resíduo de cal apresentaram uma diferença de umidade em torno
de 8 % ao passo nos leitos com 10,0 % de resíduo de cal a diferença de umidade
observada foi de aproximadamente 6 %;
8. A turbidez do percolado dos leitos que continham cal diminuía com o aumento da
percentagem de cal adicionada. A diferença foi maior para o percolado dos leitos com
5,0 % de resíduo de cal (71 % de redução de turbidez);
9. Os valores de alumínio presente no líquido percolado (alumínio solúvel) aumentaram
consideravelmente com a adição de resíduo de cal ao lodo;
10. Os valores de ferro e de manganês presente no líquido percolado diminuíram
abruptamente com a adição de resíduo de cal ao lodo, indicando que em pH mais
alcalino estes compostos encontram-se na forma insolúvel;
11. A neutralização do percolado dos leitos que solubilizaram alumínio para a faixa de pH
entre 6,5 e 7,5 tornou o metal insolúvel, formando um precipitado gelatinoso;
12. Se considerados apenas os teores de alumínio, ferro, cálcio e manganês, o líquido
percolado dos leitos que contém mais de 5,0 % de resíduo de cal podem, após a
neutralização, ser lançados diretamente nos corpos receptores, pois não ultrapassam o
limite estabelecida pela Norma Técnica estadual nº 01/89 da SSMA/RS.
13. A fração sólida desidratada resultante do condicionamento do lodo com resíduo de cal
apresenta composição química qualitativa semelhante à matéria-prima empregada na
fabricação do cimento, variando apenas em composição percentual. Isso permite que
esta fração sólida seja co-processada na indústria cimenteira, substituindo, em parte, a
matéria-prima empregada na fabricação de cimentos.
95
14. O lodo dos decantadores, ainda que não venha a ser acondicionado com lodo de cal,
apresenta composição química qualitativa semelhante à matéria prima empregada na
indústria cimenteira. Para que o transporte do lodo às indústrias de cimento
seja viável, caracterizando o uso de resíduo como matéria prima, o teor de umidade
do resíduo deve ser adequado.
15. Através do condicionamento químico com resíduo de cal consegue-se transformar dois
tipos de resíduos sólidos produzidos em ETAs (e até então cada um deles tem
disposição final problemática) em matéria prima para um processo industrial.
6.2 - Recomendações
As conclusões finais deste estudo sugerem as seguintes recomendações:
1.Avaliar se o alto pH da mistura não solubiliza outros compostos que possam estar
presentes no lodo, como, por exemplo, metais pesados;
2.Avaliar a viabilidade econômica do condicionamento de lodos de ETAs com resíduo
de cal, bem como desidratar a mistura utilizando-se centrífugas ao invés de leitos de
secagem. O possível emprego de centrífugas resultou de estudos que vem sendo
desenvolvidos nos últimos anos pelo DMAE e que culminaram com a breve instalação
de uma centrífuga a ser usada em caráter experimental na desidratação de lodos.
3.Como foi observado, o lodo da ETA São João adensa com facilidade (o que favorece
sua desidratação), talvez porque a operação desta ETA utiliza polieletrólito não iônico
como auxiliar de floculação. Assim, recomenda-se avaliar o efeito da mistura de lodos
das ETAs São João com os da ETA José Loureiro da Silva, a fim de avaliar o
comportamento da mistura destes lodos frente à desidratação.
4.Realizar testes piloto nas indústrias cimenteiras para confirmar, em escala real, a
viabilidade de incorporação da mistura de lodo com resíduo de cal ao cimento, bem
como de lodo sem resíduo de cal já que a composição química de ambos
(principalmente pelos teores de alumínio e cálcio) apresenta excelente potencial de
aplicação na composição dos módulos químicos da farinha crua para forno de
clinquerização.
96
7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABOY, N. (1999). Secagem Natural e Disposição Final de Lodos de Estações de
Tratamento de Água. Porto Alegre, 97 p. Dissertação (Mestrado) – Programa de Pós-
graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental, Universidade
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