CARACTERIZAÇÃO DE RESÍDUOS LODOS DE
ETA E DE ETE DE BRASÍLIA, PARA
UTILIZAÇÃO COMO MATERIAL FILER EM
REVESTIMENTOS ASFÁLTICOS.
Juan Gabriel Bastidas Martinez
Eng. Civil, Mestrando, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade de
Brasília, Colômbia, [email protected].
Lêda Christiane Lucena
Professora Doutora, Unidade Acadêmica de Engenharia Civil na Universidade Federal de Campina
Grande, Brasil, [email protected].
José Camapum de Carvalho
Pesquisador Colaborador do Programa de Pós-Graduação em Geotécnica da Universidade de
Brasília, Brasil, [email protected].
RESUMO: As Estações de Tratamento de Água (ETA) e de Esgoto (ETE) sanitários geram como
subprodutos de sua operação uma grande quantidade de lodo, que é considerado resíduo sólido pela
NBR 10004/2004. A disposição final dos resíduos, sem um adequado gerenciamento, pode resultar
em danos aos seres humanos e ao meio ambiente, portanto, em estudos como esse deve ser
considerado também o passivo ambiental que se vislumbra evitar. Este trabalho teve como
finalidade a caracterização dos resíduos e sua possível utilização em Concretos Asfálticos (CA),
proporcionando a sua melhoria de comportamento, sem levar em conta nessa fase inicial os custos
diretos do tratamento e nem do passivo ambiental. As amostras de lodo de ETA e ETE coletadas
das Estações de Tratamento de Agua e Esgoto de Brasília, foram secas ao ar e convertidas em
material filer, posteriormente foram feitos ensaios de granulometria e densidade. Também foram
caraterizadas quimicamente mediante a distribuição de minerais nos resíduos, Análise Térmica
Diferencial (ATD) e Gravimétrica (ATG), a fim de serem incorporados de forma estável no ligante
asfáltico e sobre o agregado miúdo. Os resultados das caraterização dos resíduos, indicam que os
mesmos podem ser calcinados e utilizados para revestimentos asfálticos, devido à estabilização da
variação da massa, podendo contribuir com o aumento das propriedades e constituí uma forma
segura de disposição final dos resíduos.
PALAVRAS-CHAVE: Resíduo, estável, Concreto Asfáltico.
1
INTRODUÇÃO
Os resíduos dos lodos de ETA e de ETE sem
um adequado gerenciamento, pode resultar em
danos aos seres humanos e ao meio ambiente.
Os tratamentos dos lodos representam até o
60% do custo total de operação (Andreolli &
Pinto, 2001), sendo uma área de estudo por
diferentes pesquisadores, a fim de encontrar
novas tecnologias e disposições seguras dos
resíduos, contribuindo à proteção do meio
ambiente e a redução dos custos de operação.
A finalidade trabalho é a avaliação e
determinação das caraterísticas dos resíduos dos
lodos e verificar a possibilidade de utilização
em
Concreto
Asfáltico
(granulometria,
densidade e estabilidade à variação de massa).
Para isso, realizou-se um tratamento térmico a
fim de se tornar um resíduo estável à variação
de peso, quando seja aquecido à temperatura de
estocagem do ligante, proporcionando a sua
melhoria de comportamento, sem levar em
conta nessa fase inicial os custos diretos do
tratamento e nem do passivo ambiental.
A pavimentação pela sua extensão e grandes
volumes de material mobilizado, constitui uma
alternativa ao reuso dos resíduos de lodo de
ETA e de ETE. Nesta tecnologia os resíduos
tóxicos são misturados com materiais que
tendem a criar uma matriz solida altamente
impermeável, capturando ou fixando os
resíduos dentro desta estrutura (Lucena, 2012).
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A diminuição do consumo de recursos naturais
e o encapsulamento de metais pesados
justificam a aplicação dos lodos de ETE como
agentes melhorativos das características dos
materiais empregados na construção civil
(Pereira, 2012). Várias alternativas do uso dos
lodos de esgoto convertidos em cinzas são
fomentadas no setor da engenharia civil, tais
como: concretos para estrutura (convencional e
de alto desempenho), argamassas, pavimentos e
blocos cerâmicos (Fontes, 2008).
Existem pesquisas que descrevem a utilização
dos lodos de Esgoto calcinados por combustão
como emprazo de agregado leve na fabricação
de concretos. Fontes (2003) e Pereira (2012)
citaram a: Brosch (1975), Tay (1987), Moralies
& Agopyan (1992), Monzó et al., (1996),
Khanbilvard & Afshari (1995) e Geyer (2001)
como os principais autores em realizar este tipo
de
concretos,
obtendo
características
compatíveis segundo os requisitos fixados pelas
especificações quanto ao ensaio de resistência à
abrasão e de resistência mecânica. Sua
aplicação pratica não tem sido desenvolvida
devido aos elevados custos com respeito às
alternativas disponíveis Geyer (2001).
O Brasil tem aproximadamente 7500 ETA,
presume-se que 70% da quantidade do lodo
gerado nestas é lançado deleitamento nos
corpos d’água mais próximos, produzindo
grandes impactos ambientais, tais como:
aumento de sólidos, assoreamento, amento da
cor, turbidez, concentração de alumino nos
corpos de água, liberação de odores, toxicidade
e impacto visual (Barroso, et al., 1999). A
Companhia de Saneamento Ambiental do
Distrito Federal CAESB conta com cinco
sistemas de produção de água, constituídos de
captações superficiais e subterrâneas como
capacidade total de produzir 9565, l/s,
abastecendo 98,1% da população do distrito
Federal. O nível de atendimento da coleta de
esgotos é do 82,2% da população, sendo
tratados na sua totalidade.
No Distrito Federal existem nove Estações de
Tratamento de Agua (ETA), das quais: três
estações que representam o 96% da quantidade
do lodo produzido, o qual é desidratado e
disposto na recuperação de áreas degradadas;
cinco estações estão desenvolvendo projetos
para definição do tratamento a ser efetuado, já
que são ETAs de pequeno porte e representam
3% da vazão total produzida. Finalmente a ETA
de Brasilândia que representa o 1% da produção
do lodo, realiza adensamento e disposição na
rede de esgoto.
Da produção de lodos de ETE no Distrito
Federal, observa-se que o 82.6% dos resíduos
são desidratados, diminuindo a umidade num
85% a fim de serem utilizados ou dispostos
como materiais sólidos. Os lodos desidratados
são armazenados para utilização de recuperação
de áreas degradadas de cascalheiras localizadas
em Planaltina e Ceilândia.
3
MATERIAIS E METODOLOGIA
3.1
Resíduos de Lodos de ETA e de ETE
Os resíduos de lodos utilizados constituíram o
produto das operações da Companhia de
Saneamento Ambiental do Distrito Federal
(CAESB) da ETA de Brasília e da ETE de
Brasília Norte.
3.2
Cal Hidratada
A Cal Hidratada foi utilizada para o efeito de
comparação com as misturas preparadas com
adição de lodos. Utilizou-se cal calcítica
produzida no estado de Minas Gerais. Esta
escolha fundamentou-se no fato de que na
bibliografia internacional, especialmente a
estadunidense, indica sempre o emprego de
cales com elevados teores de hidróxido de
cálcio para a obtenção de melhores resultados
quanto às melhorias de adesividade e
desempenho das misturas asfálticas.
3.3
Tratamentos Térmicos dos resíduos
No estudo dos resíduos no estado natural, os
lodos foram apenas secos ao ar durante quinze
(15). No estudo dos resíduos submetidos ao
tratamento térmico os lodos secos ao ar foram
calcinados em forno tipo mufla nas
temperaturas de 200 °C, 300 °C, 500 °C e 800
°C. A calcinação foi realizada por um período
de 45 minutos, período no qual o peso se
estabilizava.
Figura 1. Secagem ao ar dos lodos.
3.4
Especificações do Material Filer
Em a norma 367 (DNIT, 1997) apresentam as
características exigidas do material de
enchimento, fíler, utilizado em misturas
betuminosas. Para os resíduo apresentarem
características compatíveis com a granulometria
exigida em norma (ao menos 65% passando na
peneira de abertura 0,074mm) foi realizado um
destronamento primário, utilizado um almofariz
com a mão de gral, seguido de um moinho
mecânico convencional.
3.5
varredura de 2º/min, intervalo de medida de
0,05º, sendo a varredura de 2 a 70º 2q. As
interpretações
dos
difratogramas
e
identificações dos minerais ocorreram no
mesmo Laboratório utilizando software JADE
3.0 para Windows, XRD Pattern Processing for
the PC, 1991-1995 Materials Data, Inc.
Enquanto que as composições químicas do
minerais foram obtidas da literatura.
O ensaio de Análise Térmica Diferencial (ATD)
foi feito para determinar como o material reage
às diferentes temperaturas, com respeito às
transformações endotérmicas (desidratação) e
exotérmicas (oxidação e reconstrução da
estrutura
cristalina).
O
ensaio
de
Termogravimetria (TG) permite determinar as
variações do material (massa) com o
aquecimento do material. Utilizou-se uma taxa
de aquecimento de 10 °C/mm, um fluxo de ar
sintético de 50 ml/minuto e Nitrogênio com
Cadinho de Alumina 10 ml/minuto. A
temperatura inicial foi a ambiente, e a
temperatura final 900 °C.
4
ANÁLISE
RESULTADOS
E
DISCUSSÃO
DOS
4.1 Tratamentos térmicos dos lodos
As amostras calcinadas apresentaram perda
crescente em massa com o aumento da
temperatura de calcinação como apresentado na
Figura 2. Observa-se que o lodo de ETE
apresenta maior perda de massa por ter natureza
predominantemente orgânica, enquanto que o
lodo de ETA apresente uma concentração de
sílica, devida aos produtos químicos utilizados
durante o tratamento de água potável.
Caracterização dos resíduos lodos
Os resíduos foram avaliados quanto a
concentração dos principais minerais por meio
de ensaios de DRX (Difração dos Raios - X).
As análises foram realizadas no laboratório de
Raios X do instituto de Geociências da UnB
utilizando-se um aparelho Rigaku D-MAXB
Figura 2. Variação de massa – Temperatura de
incineração.
4.2
Tabela 2. Composição Química.
Granulometria material Filer
Após o destronamento dos grãos dos lodos com
a mão de gral e moinho, realizou-se
peneiramento de acordo com a norma DNIT–
EM 367/97. Os resultados da granulometria são
apresentados na Figura 3.
Mineral
Química
Composição
Cal Hidratada
Portlandita
Ca(OH)2
Hidróxido de Cálcio
Calcita
CaCO3
Dolomita
CaMg(CO3)2
Quartzo
SiO2
Carbonato de Cálcio
Carbonato de Cálcio e
magnésio
Dióxido de silício
Resíduo de Lodo-de-ETA
Quartzo
SiO2
Caulinita
Al2Si2O5(OH)4
Gibbsita
Al(OH)3
Dióxido de silício
Silicato de Alumínio
Hidratado
Hidróxido de alumino
Resíduo de Lodo-de-ETE
Quartz
SiO2
Caulinita
Al2Si2O5(OH)4
Gibbsita
Figura 3. Granulometria dos lodos de ETA e de ETE.
Pode-se observar que assim como a cal
hidratada, os resíduos lodos atendem as
dimensões necessárias para que o material se
enquadre como material filer.
4.3
Caracterizações dos resíduos de lodos de
ETA e de ETE
4.3.1 Mineralogia
A Figura 4 ilustra a curva de difratogramas para
os dois tipos de resíduos de lodos de ETA e de
ETE e para a Cal-hidratada, material de
referência, enquanto a Tabela 2apresenta os
principais componentes químicos encontrados
nos materiais de estudo.
Figura 4. Difratograma de raios-X dos lodos de ETA,
ETE (secos ao ar) e Cal Hidratada.
Dolomita
Al(OH)3
CaMg(CO3)2
Dióxido de silício
Silicato de Alumínio
Hidratado
Hidróxido de alumino
Carbonato de Cálcio e
magnésio
A Figura 4 apresenta picos característicos de
minerais tais como: Quartzo, Caulinita e
Gibbsita para ambos tipos de lodos, enquanto
que para a Cal hidratada apresenta-se picos de
portlandita significativos.
Na tabela 2, se apresentam os minerais
constituintes da Cal hidratada e dos lodos de
ETA e de ETE. Os minerais apresentam uma
composição dos elementos químicos como:
alumínio (Al), Sílica (Si), (O) oxigênio, e traços
de Magnésio (Mg), e Cálcio (Ca).
Na maioria das ETAs Brasileiras utiliza-se
sulfato de aluminio ou hidroxido de ferro como
coagulantes, os quais provalvemente estarão
presentes nos subprodutos gerados. Análises
quimicas encontradas na literatura refletem que
os elementos com maior predominancia nos
lodos de ETA são: Aluminio (22,8%), Silica
(13,42%) e outros como o Ferro (7,98%)
(Portella, 2003). Wolff (2005) trabalhou com
lodos da ETA da Cenibra – Belo Horizonte/MG
e encontrou resultados similares aos obtidos
nesta pesquisa.
Assim mesmo, encontra-se nos minerais
hidróxidos e silicatos de alumínio, os quais
podem geram compatibilidade de aderência com
moléculas
de
asfaltenos
devido
à
compatibilidade de cargas eletronegativa do
asfalto. Pois o alumínio tem a capacidade de
doar três elétrones por átomo, entrando em
equilíbrio com a carga eletronegativa do
Asfalto.
4.3.2 Análises Termogravimetricas
A Figura 5 apresenta a variação da perda massa
em relação à temperatura de aquecimento dos
materiais estudados.
Figura 5. Análise Termogravimétrica dos lodos de ETA,
ETE e Cal Hidratada.
A Cal Hidratada Ca(OH)2 apresenta um perfil
da perda de massa constante para três faixas de
temperaturas,
com
perdas
de
massa
significativas em aproximadamente 334, 403 e
675 °C. A Cal Hidratada apresenta uma
composição química de Oxido de Cálcio (CO) e
Agua (H20). A primeira perda de massa pode
ocorrer pela saída da água da estrutura,
enquanto que as outras duas perdas de massa
acontecer pela combustão da mesma, gerando o
Carbonato de Cálcio.
temperatura entre 70 – 80 °C. Observa-se uma
variação de massa ao longo de toda a faixa de
temperatura aplicada, sendo a maior faixa entre
150 – 450 °C. A variação da perda de massa se
deve a evaporação da água e da matéria
orgânica.
Observa-se que as faixas de temperaturas das
principais perdas de massa, são iguais para os
dois tipos de lodos, apesar dos lodos de ETE
apresentar maiores perdas. Os lodos de ETA
apresentam maior quantidade de hidróxidos de
alumínio devido à utilização de produtos
químicos durante o tratamento da água. O fato
dos lodos de ETE apresentarem maiores valores
de perda de massa ocorre por sua alta
quantidade de matéria orgânica, gerada pela
realização dos processos biológicos e pela
pouca quantidade de produtos químicos
empregados durante o tratamento do esgoto.
Para uma temperatura final de 900 °C, observase que o lodo de ETE apresentou uma perda de
massa aproximada de 65%, enquanto que para o
lodo de ETA a perda de massa aproximada foi
de 45%. Estes valores estão próximos do
valores referenciados na literatura baixo as
mesma condições do ensaio. Lucena (2012)
obteve uma perda de massa nos lodos de ETE
de 55% e para os lodos de ETA de 35%.
4.3.4 Análise Térmica Diferencial
As Figuras 6 a 8 apresentam os resultados dos
ensaios de ATD dos lodos de ETA, ETE e Cal
Hidratada, respectivamente.
O Lodo de ETA apresentou perda de massa
crescente entre 70 - 400°C, possivelmente pela
eliminação da matéria orgânica. Entre 450 e 550
°C ocorre uma menor variação de massa. Para
valores maiores de 600 °C, o material ainda
continua perdendo massa em menor proporção.
Os lodos de ETE e de ETA começaram
apresentar uma perda de massa numa faixa de
Figura 6. Análise Termo diferencial dos lodos de ETA,
ETE e Cal Hidratada.
Na Análise de ATD da Cal Hidratada observase dois picos endotérmicos de grande
intensidade numa faixa de temperatura entre
260 – 420 °C, atribuído à perda de água. Na
faixa de temperatura entre 420 – 700 °C não se
observam picos pela estabilidade do Carbonato
de Cálcio.
Figura 7. Análise Termo diferencial dos lodos de ETA,
ETE e Cal Hidratada.
Figura 8. Análise Termo diferencial dos lodos de ETE,
ETE e Cal Hidratada.
Nas Análises para os lodos de ETA e de ETE,
observa-se
simultaneamente
um
pico
endotérmico de grande intensidade numa faixa
de temperatura entre 60 – 100 °C, atribuído à
perda de água. Verifica-se a existência de três
picos exotérmico, entre as faixas de 260 -270;
380 - 400 e 460 - 470 °C, associados à
combustão da matéria orgânica. No lodo de
ETE, observa-se que nas temperaturas
superiores a 650 °C começa acontecer uma
degradação do material, onde não é possível
determinar os pontos de endotérmicos ou
exotérmicos.
Os lodos de ETA e de ETE, apesar das
diferentes composições, apresentam curvas de
ATD com comportamento similar, porém com
deslocamentos entre as mesmas.
CONCLUSÕES
Uma possível alternativa de utilização dos
resíduos de lodo em revestimento asfáltico seria
misturando-os com o ligante betuminoso, após
tratamento térmico, ou adicionado ao agregado
graúdo para favorecer os pontos de contato
entre estes. Recomenda-se realizar calcinação
dos resíduos nas faixas de temperaturas entre
150 – 200 e 450 -500 °C, pois os resíduos são
menos suscetíveis à variação de massa.
Pode-se concluir que os lodos de ETA e de ETE
após realização de tratamento térmico e da
realização de destoroamento em moinho
mecânico apresentam granulometria compatível
com a de um material filer convencional. Em
termos da adesividade, a carga eletrica dos
metais presentes nos lodos, tendem a serem
compatíveis com a carga elétrica do asfalto,
proporcionado a união das partículas finas ao
ligante. A utilização destes resíduos irá
depender das caraterísticas da camada onde
sejam dispostos, podendo ser considerando
como uma forma de disposição de resíduos
segura, proporcionando viabilidade ambiental e
técnica na engenharia rodoviária.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq pelo apoio ao
projeto de pesquisa.
REFERÊNCIAS
ANDREOLI, C. & PINTO, M.,Resíduos sólidos do
saneamento: processamento,reciclagem e disposição -Rio de Janeiro: RiMa, ABES, 2001.
BARROSO, M.M. & CORDEIRO, J.S. (1999).
Problemática dos metais nos resíduos gerados em
estações de tratamento de água, ABSE 21º Congresso
Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, João
Pessoa, PR, Vol 1, p 1-8.
DNER – Departamento Nacional de Estradas de
Rodagem DNER – EM 367/97: Material de enchimento
para misturas betuminosas – Especificação de material,
3p.
FONTES, C.M. (2003). Potencialidades da cinza de lodo
de Estações de Tratamento de Esgotos como material
suplementar para a produção de concretos com cimento
Portland. Dissertação de Mestrado, UFRJ, Rio de Janeiro,
RJ, 120 p.
GEYER, A.L. (2001). Contribuição ao estudo da
disposição final e aproveitamento da cinza de lodo de
estações de tratamento de esgotos sanitários como adição
ao concreto. Tese de doutorado, UFRGS, Porto Alegre,
RS, 238 p.
PEREIRA, K.L. (2012). Estabilização de um solo com
cimento e cinza de lodo para uso em pavimentos.
Dissertação de mestrado, UFRN, Natal, RN, 125p.
PORTELLA, K.F., ANDREOLI, C.V., HOPPEN, C.
SALES, A. BARON, O. (2003). Caraterização físicoquímica do lodo centrifugado da estação de tratamento de
água Passaúna, 22 Congresso Brasileiro de engenharia
sanitária ambiental. Sigla do Organizador, Curitiba,
Paraíba, Vol 1, p 1-10.