UNIR - Universidade Federal de Rondônia
Departamento de Engenharia
Engenharia Ambiental
Disciplina: Sistema de Água A
GERENCIAMENTO DE
RESÍDUOS DE ETAs
Prof. Dr. Marcelo Melo Barroso
Maio, 2008
SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUA
Insumos
Matéria-prima
Água Bruta
INDÚSTRIA
ETA
Rejeitos
PQ + Energia
Produto
Água Tratada
Lodo + ALAF
ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA
CONVENCIONAL DE CICLO COMPLETO
Auxiliar
Cal
Cloro
Al2(SO4)3
Mistura
Rápida
Mistura
Lenta
Decantador
Filtros
Lodo dos
Água de Lavagem
dos Filtros
(Floculadores)
resíduos
água
produtos
químicos
Decantadores
ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA
CONVENCIONAL DE CICLO COMPLETO
Lodo dos
Decantadores
Água de Lavagem
dos Filtros
APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
ETA – Estação de Tratamento de Água
APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
Resíduos de ETAs – Lodo de decantador
APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
Lavagem de decantador
APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
Descarga de resíduos de ETA nos rios brasileiros
Lavagem do Decantador (ETA São Carlos)
ETA
Rio
Vídeo 1
Vídeo 2
ETA - RIO CLARO
(Q = 520 L/s)
• ETA - tipo convencional
• A captação da água bruta - Rio Corumbataí
• Coagulante – Cloreto Férrico
• Filtros são limpos em média quatro vezes ao dia
• Decantadores a cada dois ou três meses
ACÚMULO DE LODO
ETA - RIO CLARO
(Q = 520 L/s)
 LIMPEZA DOS DECANTADORES
Resíduos Gerados em ETAs – Cenário Brasileiro
Brasil: População de 169,8 milhões, com 75% atendidos com
rede geral de abastecimento de água (IBGE, 2005).
Produção de água tratada: 41.106 m3/dia (PNSB, 2000).
 30,5.106 m3 /dia ou 93 % por ETAs Convencionais.
Mini fábricas de resíduos
1 a 4 % do volume total de água tratada
613.037 m3/dia de resíduos de ETAs
IMPACTO AMBIENTAL E ASPECTOS LEGAIS
Impacto Ambiental
A Constituição Federal de 1988 especifica em seu art. 225 que “Todos têm direito
ao meio ambiente ecologicamente equilibrado, bem de uso comum do povo e
essencial à sadia qualidade de vida, impondo-se ao Poder Público e à coletividade
o dever de defendê-lo e preservá-lo para as presentes e futuras gerações”.
 Potencialmente tóxicos e deletérios a constituintes significativos das comunidades
bentônicas e planctônicas, importantes na alimentação de peixes (CORNWELL et al., 1987).
 Riscos à saúde humana devido à presença de agentes patogênicos e metais pesados (ASCE
& AWWA, 1996).
 No Brasil
 Alterações nas características físicas e químicas no Córrego Monjolinho,
CORDEIRO (1993).
 Prejuízo à biota aquática e compromete a qualidade da água e do sedimento dos
corpos d’águas receptores, BARBOSA (2000).
 Lançamento de resíduos de ETAs com concentrações de metais pesados acima do
permitido pela legislação brasileira, BARROSO (2002)
IMPACTO AMBIENTAL E ASPECTOS LEGAIS
Rede de Interação dos Impactos Ambientais gerados pelo
lançamento in natura do lodo proveniente de ETAs
Aumento da
Turbidez
Matéria Orgânica
ETA
Lodo
Poluição dos
corpos d’água
Metais Pesados
(Al e Fe)
Degradação da
qualidade
ambiental
ACHON et al. (2005)
IMPACTO AMBIENTAL E ASPECTOS LEGAIS
Rede de Interação - cont.
Aumento da
Turbidez
Matéria Orgânica
Redução da camada eutrófica
Soterramento dos bentos
Diminuição do O2 dissolvido
Alterações físicas químicas e
biológicas
Metais Pesados
(Al e Fe)
Toxicidade
Alteração na Biota
aquática
Variação nas
comunidades (estrutura,
distribuição, abundância
e diversidade)
Destruição da camada
bentônica
Deficiências renais
Doenças cardiovasculares
Condições estéticas são afetadas
Degradação da
qualidade
ambiental
Aumento no custo de
recuperação e potabillizacao
Diminuição da potencialidade de
uso a jusante
Aumento da tarifa de água
Desemprego
IMPACTO AMBIENTAL E ASPECTOS LEGAIS
Aspectos Legais
Decreto no 24.643, de 10/7/34 - instituiu o Código de Águas.
Lei nº 6938, de 31/08/81 - “Dispõe Sobre a Política Nacional de Meio Ambiente”.
Resolução no 20 do Conselho Nacional de Meio Ambiente – CONAMA, revogada pela
Resolução nº 357 de março de 2005 que “Dispõe sobre a classificação dos corpos de água
e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e
padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências“.
Lei 9433/97 instituiu a Política Nacional de Recursos Hídricos – “... outorga pelo
poder público do direito de uso dos recursos hídricos, para fins de consumo final, insumo
de processo produtivo ou lançamento de resíduos, entre outros usos”.
Lei n.º 9.605/98 (Lei dos Crimes Ambientais) Punição civil, administrativa e criminal.
NBR-10.004: Dispõe sobre a definição e classificação de resíduos sólidos “...ficam incluídos
nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água .. ”
IMPACTO AMBIENTAL E ASPECTOS LEGAIS
Série NBR 10.004, 10.006, 10.007
•
A NBR-10.004/2004, dispõe sobre a definição e classificação
de resíduos sólidos
 Classificados em: Classe I - perigosos, Classe II - não perigosos
(Classe II A – não inertes; Classe II B – inertes)
– Resíduos de decantadores [resíduos sólidos]: concentração
de sólidos entre 30000 a 6000 mg/L
– Águas de lavagem de filtros [resíduo líquido]: concentração
de sólidos entre 50 a 300 mg/L.
•
NBR-10.006 (Solubilização de Resíduos) – Ensaio de
solubilização para definição de material inerte.
IMPACTO AMBIENTAL E ASPECTOS LEGAIS
Parâmetros
Unid.
Padrões de lançamento no Brasil
Di Bernardo
et al. (1999)
DATa
Barroso
(2002)
DCb
CONAMA
357/2005
SP
MG
PB
RS
SC
-
5-9
5-9
6-9
5-9
6-8.5
6-9
7.9
6.8
DQO
mg/L
-
-
90
-
var
-
640
1780
sólidos sedimentáveis
ml/L
1
-
1
-
-
-
-
990
sólidos suspensos
mg/L
-
-
100
-
var
-
22005
-
Alumínio
mg/L
-
-
-
-
10
-
-
553
Arsênio
mg/L
0.5
0.2
0.2
0.1
0.1
0.1
-
-
Cádmio
mg/L
0.2
0.2
0.1
0.1
0.1
0.1
0.05
ND
Chumbo
mg/L
0.5
0.5
0.1
0.1
0.5
0.5
0.88
10
Cobalto
mg/L
-
-
-
-
0.5
-
-
-
Cobre dissolvido
mg/L
1
1
0.5
0.5
0.5
0.5
1.05
32
Cromo VI
mg/L
0.1
0.5
0.5
0.1
0.1
Cromo III
mg/L
-
1
1
-
-
0.42*
19*
Ferro dissolvido
mg/L
15
15
10
15
10
15
940
69999
Mercúrio total
mg/L
0.01
0.0
0.0
0.01
0.01
0.005
-
-
pH
0,5*
1
Molibdênio
mg/L
-
-
-
-
0.5
-
-
-
Níquel total
mg/L
2
2
1
2
1
1
1.06
15
Zinco total
mg/L
5
5
5
1
1
1
1.7
49
Geração de Resíduos de ETAs
Função da tecnologia de tratamento empregada, tipo de coagulante,
condições operacionais da ETA, condições do manancial e etc.
Tecnologias de tratamento de água
 Filtração Lenta
 Filtração Direta Ascendente
 Dupla Filtração
 Floto-filtração
 Filtração em multíplas etapas
 ETA convencional de ciclo completo
Geração de Resíduos de ETAs
ETA convencional de Ciclo Completo
Água
bruta
Coagulação
Floculação
Sedimentação
Filtração
Água
Tratada
Mistura rápida
Lodo
ALAF
 1% a 5% do volume de água tratada (Souza Filho e Di
Bernardo, 1999)
 Lodo gerado no decantador - 0,25% a 0,6% do volume de
água tratada, (Grandin et al. 1993)
Frações de água dos Resíduos de ETAs
Remoção de água  viabilizar gerenciamento
Quantidades relativas  desempenho dos sistemas de
remoção de água (REALI, 1999)

Água livre – água não associada aos sólidos: facilmente separada por
sedimentação gravitacional simples;
 Água intersticial ou capilar – água presente no interior ou intimamente
ligada aos flocos: liberada na quebra do floco, mediante força mecânica
 Água vicinal – associada às partículas sólidas/estrutura molecular da
água/ pontes de hidrogênio: Não removida por meios mecânicos
 Água de hidratação – água quimicamente ligada às partículas sólidas:
liberada por destruição termoquímica das partículas.
Características dos Resíduos de ETAs
 Tamanho de partículas – 10 a 20 µm
 Frações de água no lodo
Água de hidratação ligada
à superfície das partículas
Água vicinal
Água intersticial
Água livre
Frações de água dos Resíduos de ETAs
Energia necessária
Vol. água
livre
E1
Vol. água
intersticial
E2
Vol. água
vicinal
E3
Vol. água de
hidratação
E4
E4 >>>> E1
Figura 4.2 – Esquema ilustrativo das frações de água constituintes dos
lodos de ETAs.
Fonte: adaptado Smollen e Kafaar (1994).
Figura 5.1: Ilustração esquemática de energia
requerida Ei para remoção dos diferentes
volumes de frações de água constituintes de lodo
de ETAs.
* Vol. = volume; ** Ei = Energia requerida.
Características dos Resíduos de ETAs
Composição
 Plâncton, sais diversos, microrganismos, substâncias
orgânicas e inorgânicas.
 Hidróxido de alumínio, hidróxido de ferro
 Metais: alumínio, chumbo, ferro, níquel, cobre, cromo,
zinco, etc.
 Colóides, areia, argila, sólidos sedimentáveis.
Caracterização dos Resíduos de ETAs
Características dos resíduos gerados em ETAs
 Micropropriedades:
definem
as
condições
intrínsecas
do
lodo
(características de suspensão)
 Macropropriedades:
características dos
micropropriedades(tratabilidade dos resíduos)
Micropropriedades
Distribuição e tamanho dos flocos
Estrutura/forma dos flocos
Força de cisalhamento do floco
Densidade
Concentração de sólidos
Viscosidade e temperatura
Tensão superficial
“Frações” de água
Composição química
Concentração de matéria orgânica
pH e alcalinidade
Carga das partículas
Fonte:DHARMAPPA et al. (1997)
resíduos
dependentes
Macropropriedades
Velocidade de sedimentação
Flotabilidade
Centrifugabilidade
Velocidade de drenagem em lagoas
Resistência específica
Tempo de filtração
Velocidade de drenagem no solo
Tempo de sucção por capilaridade
Compressibilidade
Lixiviação
Força cisalhante
das
Caracterização dos resíduos gerados em ETAs
Micropropriedades
Distribuição e tamanho dos flocos
Estrutura/forma dos flocos
Força de cisalhamento do floco
Densidade
Concentração de sólidos
Viscosidade e temperatura
Tensão superficial
“Frações” de água
Composição química
Concentração de matéria orgânica
pH e alcalinidade
Carga das partículas
Fonte:DHARMAPPA et al. (1997)
Macropropriedades
Velocidade de sedimentação
Flotabilidade
Centrifugabilidade
Velocidade de drenagem em lagoas
Resistência específica
Tempo de filtração
Velocidade de drenagem no solo
Tempo de sucção por capilaridade
Compressibilidade
Lixiviação
Força cisalhante
Caráter predominantemente empírico;
Caracterizações e ensaios: em escala de laboratório com objetivo de
“prever” o comportamento lodo e desempenho das tecnologias adotadas;
Reologia.
Propriedades dos Resíduos de ETAs
“As propriedades importantes para estudos de remoção de água
por sistemas naturais podem diferir, enormemente, dos estudos
por sistemas mecânicos de remoção”
Tamanho e distribuição de partículas
 processos
e
equipamentos
desaguamento
 tamanho médio dos flocos 20 .
para
Densidade
o
 influencia a resistência específica à
filtração e a taxa de desaguamento
Estruturas cristalinas
 disponibilidade e mobilidade
metais presentes
 peso amostra/peso de igual volume de água:
varia com o tamanho do floco
 1.03 e 1.19 (g/cm3)
 determinantes
à concentração
sólidos, obtido após desaguamento
de
Resistência Específica
dos
 metais pesados: complexados
resistência oferecida por um peso unitário de
lodo à passagem de água
 define taxa de desaguamento e dosagem de
condicionantes químicos p/ sistemas mecânicos
 pressão aplicada  filtração
Viscosidade
Compressibilidade
 fluido não-Newtoniano
 “viscosidade aparente”
concentração de sólidos
 altamente compressíveis
 decréscimo da taxa de desaguamento com o
aumento de pressão aplicado
varia
com
a
 avaliação de perdas de cargas em
tubulações
Reologia
“... estuda o escoamento e deformação da matéria, ou seja, descreve a deformação de um
corpo sob a influencia de tensões e remonta de postulações de Isaac Newton.“
fluidos newtonianos: tensão cisalhante tem relação direta e linear com o
gradiente de velocidade ou taxa de cisalhamento, descrita pela Lei de Newton
(Dentel, 1997).
τ= - μ.(dv/dy)
.
fluidos não-newtoniano: não obedecem a proporcionalidade direta entre a tensão
cisalhante e a taxa de cisalhamento ou deformação dv/dy, (Miki, 1998). coeficiente
de viscosidade é variável com a “taxa” de cisalhamento, o coeficiente de
viscosidade é definido como viscosidade aparente.
natureza tixotrópica da maioria dos lodos, ou seja, as características reológicas
são variáveis com o tempo, devido à tendência floculante dessas suspensões e
possíveis reações químicas diversas
•
Equação de Einstein
η = ηo [1+ ø/2/(1- ø)2 ] = ηo (1+ 2,5 ø)
Em que:
η, ηo = viscosidade da suspensão e solvente; Ø = fração
volumétrica ocupada por partículas.
Exemplo Prático
ETA Ciclo Completo
M1 = M2 C1.V1 = C2.V2
ALAF (0,04%), Vol. (1000m3)
0,04.1000 = 0,5.V2
V2 = X m3
LodoDAT (0,5%), Vol. (1000m3)
0,5.1000 = 3.V2
V2 = Y m3
ST = 30 % (Disposição aterro sanitário).
Quantificação dos Resíduos de ETAs
A caracterização e quantificação de resíduos gerados em ETAs são
fatores preponderantes à definição de métodos de minimização,
tratamento e disposição final.
Cada linha geradora de resíduos apresenta características distintas em
termos de vazão e concentração de sólidos.
Pode-se quantificar a produção dos resíduos, e em particular de
sólidos, através de três métodos:
Formulações empíricas.
Análise de balanço de massa
Determinação em campo.
Quantificação dos Resíduos de ETAs
Formulações empíricas
Formulação da produção de sólidos
(kg de matéria seca / m 3 de água bruta
tratada)
P = (SS + 0,07xC + H + A) x 10–3
P=(1,2xT+0,07xC+0,17xD+A)x10-3
P =(0,23xAS + 1,5xT) x 10-3
P = (0,44 x AS + 1,5 x T + A)x10-3
P = (DxFc1) + (TxFc2)
(kg de matéria
seca/dia)
W = 86400 x P x Q
W = 86400 x P x Q
W = 86400 x P x Q
W = 86400 x P x Q
-
Variáveis
Fonte
P – produção de sólidos (kg de matéria seca/m3 de água bruta tratada)
SS – sólidos em suspensão na água bruta (mg/L)
C – cor na água bruta (ºH)
H – hidróxido coagulante (mg/L)
A – outros aditivos, tal como o polímero (mg/L)
W – quantidade de sólidos secos (kg/dia)
Q – vazão de água bruta tratada (m3/s)
Water
P – produção de sólidos (kg de matéria seca/m3 de água bruta tratada)
T – turbidez da água bruta (uT)
C – cor aparente da água bruta (uC)
D – dosagem de sulfato de alumínio (mg/L)
A – outros aditivos, tal como o polímero (mg/L)
Association
Francai
se–
AFEE
(1982)
P – produção de sólidos (kg de matéria seca / m 3 de água bruta tratada)
AS – dosagem de sulfato de alumínio (mg/L)
T – turbidez da água bruta
W – quantidade de sólidos secos (kg/dia)
Q – vazão de água bruta tratada (m 3 / s)
CETESB
P – produção de sólidos (kg de matéria seca/m3 de água bruta tratada)
AS – dosagem de sulfato de alumínio (mg/L)
T – turbidez da água bruta
A – outros aditivos, tal como o polímero (mg/L)
W – quantidade de sólidos secos (kg/dia)
Q – vazão de água bruta tratada (m3/s)
CORNWELL
P – produção de sólidos (g de matéria seca/m3 de água bruta tratada)
D – dosagem de sulfato de alumínio (mg/L)
Fc1 – fator que depende do número de moléculas de água associadas a
cada molécula de sulfato de alumínio.
Fc2 – razão entre a concentração de sólidos suspensos totais presentes
na água bruta e turbidez da mesma.
KAWAMURA
(1991)
Researc
h
Center WCR
(1979)
Quantificação dos Resíduos de ETAs
Balanço de massa
QC
Cal
QS
Coagulante
DS
QP
Polímero
Dc
DP
QD , CD
QAT , CAT
Q
C1
Água Bruta
Mistura rápida
Filtros
Decantador
QR ,CR
Resíduo
QF , CF
Água de lavagem
Fluxograma de ETA convencional de ciclo completo – Balanço de massa
Desenvolvimento de balanço de massa
Global  W (kg/dia) = (SSABx QAB) + (0,26xDSA + 0,1xDSC) – (SSATx QAT)
Decantadores  W (kg/dia) = (SSABx QAB) + (0,26xDSA + 0,1xDSC) -(SSADxQAD)
Filtros  W (kg/dia) = (SSADx QAD) – (SSAFx QAF)
Considerações
Adição de produtos químicos  1 g de sólidos suspensos produz 1 g de sólidos,
1 g de sulfato de alumínio produz 0,26 g de sólidos e 1 g de cal produz 0,1 g de
sólidos, (REALI, 1999).
Produção global de sólidos
Carga de sólidos produzida diariamente na ETA  968 kg ou 0,96 toneladas
Contribuição proveniente da adição de produtos químicos  362 kg (37 % )
Coletas
3
4
5
6
7
8
9
Média
(IV) =
(I)+(II)-(III)
(I)
(II)
(III)
Água bruta
MPQ
Água tratada Produção total
Vazão [SSxQab] [coef.x adição] [SSxQat]
de sólidos
(L/s)
(kg/dia)
{kg/dia)
(kg/dia)
(kg/dia)
540
728
351
105
974
520
569
547
79
1038
500
1655
704
135
2224
530
490
240
46
684
520
571
269
0
840
550
360
240
0
599
480
236
181
0
417
520
658
362
52
968
Massa
grama de
sólidos/m3
água tratada
21
23
51
15
19
13
10
22
Testes de correlação  SS = b.T
CORNWELL (1987): b entre 0,7 e 2,2
RESULTADOS: SS = 0,671.T  (r2=0,796)
Análise de regressão múltipla  Produção diária de sólidos
CORNWELL (1987): PL = Q(4,89.DAl + SS + A).10-3
(kg/dia)
DAl = Al em mg/L
RESULTADOS: Psól. = 44.SS + 0,26.DSA + 63,765 (kg/dia)
DSA = [Al2SO4.14H2O] em kg/dia
Produção de sólidos na ETA-São Carlos:
equação proposta por CORNWELL (1987) e expressão resultante do balanço de
massa da ETA-São Carlos.
Produção de sólidos
3000
CORNWELL (1987)
2500
ETA-SÃO CARLOS
(2001)
(kg/dia)
2000
Psól. = 44.SS + 0,26.DSA + 63,765
1500
1000
500
0
3
4
5
6
Coletas
7
8
9
Considerações – Balanço de Massa
• Liberação de material dissolvido, ao longo das unidades
de tratamento da ETA;
• Parcela dos sólidos dissolvidos liberados, estão sob a
forma de metais dissolvidos ressolubilizados e/ou não
removidos;
• Adição de produtos químicos contribui ara a produção de
sólidos, sendo em média responsável por 37 % dos
sólidos gerados;
• Produção diária de 968 kg/dia de sólidos na ETA
– 765 kg/dia nos decantadores
– 211 kg/dia nos filtros.
Quantificação dos Resíduos de ETAs
Determinação em campo
Divisão de decantadores em seções longitudinais
Tampão
Tubo ou haste
graduada
Tubo 1 ½”
Cabo plástico
(marcação com
nós)
3,5 a 5,0 m
Disco de alumínio
Disco de madeira ou
metálico branco
25 cm
25 cm
Fonte: Valencia (1992), Fontana (2004)