21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
I-047- REDUÇÃO DO VOLUME DE LODO GERADO EM ESTAÇÕES DE
TRATAMENTO DE ÁGUA - A PROPOSTA DE RECUPERAÇÃO DO
COAGULANTE PELO PROCESSO DE ACIDIFICAÇÃO NO
SISTEMA RIO MANSO
Max Demattos(1)
Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais,
FOTO
atualmente trabalhando na Superintendência de Produção - SPPR da Companhia de
Saneamento de Minas Gerais - COPASA.
NÃO
Gilberto José Costa
DISPONIVEL
Administrador de Empresas pela Faculdade Newton de Paiva e Técnico Químico pela
Escola Técnica Vital Brasil, atualmente trabalhando na Divisão de Produção do Sistema
Rio Manso - DVRM da Companhia de Saneamento de Minas Gerais - COPASA.
Délio Antônio Fonseca
Engenheiro Mecânico pela Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, atualmente é
gerente da Divisão de Produção do Sistema Rio Manso - DVRM da Companhia de Saneamento de Minas
Gerais - COPASA.
Joaquim Paulo Coutinho Braga
Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia Kennedy de Minas Gerais, atualmente trabalhando na Divisão
de Produção do Sistema Rio Manso - DVRM da Companhia de Saneamento de Minas Gerais - COPASA.
Waldemar Janzen
Técnico em mecânica pelo CEFET - PR, especialização em Aplicações de Carvão Ativado pela Calgon
Carbon Center - Pittisburgh - EUA e em Controle de Odores pela Universidade de Birmingham - Inglaterra,
atualmente é consultor pela WAE Technologies.
Endereço(1) : Rua Turibaté 185/301 - Sion - Belo Horizonte - MG CEP: 30315410
Telefone : ( 31) 3223-2612 / Fax : (31) 3250-1486 / email : [email protected]
RESUMO
O objetivo deste trabalho é apresentar o desenvolvimento de um processo que permite a redução do volume
de lodo produzido na Unidade de Tratamento e Recuperação da Água de Lavagem dos Filtros e Descarga
dos Decantadores - UTR - do Sistema Rio Manso, a partir da recuperação do coagulante presente neste lodo.
A relação entre a turbidez e a quantidade de coagulante dosado na estação de tratamento da água no Sistema
Rio Manso é inferior a 1,5, por esta razão, dentre as alternativas estudadas para a redução do lodo, optou-se
pela recuperação do coagulante em detrimento à opção de desidratação mecânica do lodo adensado. Verificase que até 92% do volume do lodo é composto de produtos químicos enquanto que os restantes 8% são de fato
impurezas removidas da água.
Tanto o ácido clorídrico quanto o ácido sulfúrico são apropriados para a recuperação do coagulante, sendo
que para o Sistema Rio Manso optou-se pelo ácido clorídrico. O processo proposto para esta recuperação é
constituído de três tanques reatores, cada um com volume de 100 m3, onde é feita a mistura do lodo adensado
com o ácido. São previstos dois tanques de 20 m3 para a armazenagem do ácido clorídrico. O coagulante
obtido nos reatores retorna para a estação de tratamento por bombeamento e o lodo reduzido é encaminhado
para um pequeno filtro prensa com capacidade de 4 m3/h.
PALAVRAS-CHAVE: Lodo, Tratamento de Lodo, Resíduo de ETA, Recuperação de água em ETA,
Solubilização.
INTRODUÇÃO
O Sistema Produtor do Rio Manso é responsável pelo abastecimento de 28% da Região Metropolitana de
Belo Horizonte, produzindo em média 3,2 m3/s. A estação de tratamento de água do sistema é do tipo
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convencional, constituída basicamente de mistura rápida, 16 floculadores mecânicos com 3 câmaras dotadas
de agitadores de fluxo axial, 4 decantadores tipo piscina e 10 filtros rápidos com leito duplo de areia e
antracito.
Projetada em 1987, a estação de tratamento entrou em operação em 1991. Em julho de 1997 entrou em
operação a Unidade de Tratamento e Recuperação da Água de Lavagem dos Filtros e Descarga dos
Decantadores - UTR - construída junto à estação com a finalidade principal de evitar a poluição do meio
ambiente.
Esta UTR, também projetada em 1987, é dotada de 2 decantadores tipo piscina, chamados decantadores
secundários, que são responsáveis pelo recebimento da água de lavagem dos filtros. O sobrenadante destes
decantadores retorna para a ETA enquanto que o lodo é enviado para 2 adensadores, os quais recebem
também a descarga dos decantadores da ETA. O lodo afluente aos adensadores recebe aplicação de
polieletrólito e o sobrenadante retorna para a ETA. O lodo adensado é encaminhado para 5 lagoas de
secagem.
O fluxograma a seguir ilustra a concepção do tratamento.
DECANTADORES
DA ETA
FILTROS
DA ETA
APLICAÇÃO DE
POLIELETRÓLITO
ADENSADORES
VAI PARA OS
ADENSADORES
VAI PARA A
ELEVATÓRIA DE
SOBRENADANTE
DECANTADORES
SECUNDÁRIOS
ELEVATÓRIA DE
LODO DECANTADO
ELEVATÓRIA DE
SOBRENADANTE
ELEVATÓRIA DE
LODO ADENSADO
VAI PARA
A ETA
LAGOAS DE
SECAGEM
VAI PARA O
ATERRO
QUALIDADE DA ÁGUA BRUTA
A água bruta afluente à ETA é proveniente de uma barragem de regularização e tem como principais
características a baixa turbidez e a presença de cor, ferro e manganês. Ao longo do ano ocorrem variações na
qualidade da água, destacando-se o período das chuvas e o fenômeno da inversão térmica. Nesta ocasião o
lago fica homotermal e as águas da superfície e do fundo se misturam provocando a deterioração da
qualidade da água, isto ocorre no início do período de temperaturas mais baixas.
A Tabela 1 apresenta os valores máximos e mínimos ocorridos na água bruta no ano de 2000.
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Tabela 1: Qualidade da água bruta em 2000
Parâmetro
Valor Máximo
Cor Verdadeira ( uC )
80
Turbidez ( uT )
45
pH
7,5
Ferro Total ( mg/l )
2,01
Manganês Total ( mg/l )
1,13
Valor Mínimo
2,5
0,78
6,5
0,18
0,12
Para proceder o tratamento utiliza-se a pré-cloração em pH elevado para a oxidação dos metais presentes na
água e a coagulação é obtida com coagulantes a base de sais férricos, ou seja, cloreto férrico ou sulfato
ferroso clorado.
A Tabela 2 apresenta os valores máximos e mínimos das dosagens de produtos químicos utilizados no
tratamento no ano de 2000.
Tabela 2: Dosagem de produtos químicos em 2000
Produto
Dosagem Máxima
( mg/l )
Cloreto Férrico - FeCl3
30,0
Cal Virgem - CaO
42,0
Cloro - Cl2
6,7
Dosagem Mínima
( mg/l )
8,0
11,0
1,6
Os dados apresentados nas duas tabelas mostram que a relação entre a turbidez e a quantidade de coagulante
dosado variou entre 1,50 e 0,10, valores que indicam a possibilidade de se recuperar o coagulante presente no
lodo oriundo do tratamento.
VOLUME DE LODO PRODUZIDO
Como a UTR foi projetada há mais de 10 anos e com parâmetros de bibliografia que se referiam às condições
de qualidade de água da Europa e dos Estados Unidos, quando da sua entrada em operação verificou-se uma
grande diferença entre os volumes e concentrações de lodo previstos em projeto e o verificado na operação,
conforme apresentado na Tabela 3.
Tabela 3: Volume de Lodo
Valores de Projeto
Origem do Lodo
Lavagem dos Filtros
Descarga dos Decantadores da ETA
Descarga
dos
Decantadores
Secundários
Descarga dos Adensadores
Volume
( m3/h )
400,0
40,0
40,0
Concentração
(%)
0,10
2,0
2,0
2,0
8,0
Valores de Operação
( 2000 )
Volume
Concentração
( m3/h )
(%)
104,0
0,08
62,0
0,4 a 1,0
4,0
0,8 a 1,0
6,0 a 12,0
2,0 a 3,7
Pode-se inferir dos valores apresentados na tabela que a descarga dos adensadores, que é lançado diretamente
nas 5 lagoas de secagem, apresenta um volume até 6 vezes superior ao projetado e uma concentração 4 vezes
menor, provocando o enchimento das lagoas em um tempo muito inferior ao previsto e impossibilitando a
secagem do lodo.
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Isto requer a retirada frequente do lodo das lagoas e seu lançamento em aterro. Este aterro, planejado para
receber um lodo com concentração de 20%, terá uma redução significativa na sua vida útil caso continue a
receber o lodo nas condições atuais.
ALTERNATIVAS ESTUDADAS PARA A REDUÇÃO DO VOLUME DE LODO
Em função da capacidade limitada das lagoas para a secagem do lodo nas atuais condições, procurou-se
estudar as alternativas viáveis para a redução do volume de lodo. Foram estudadas, na ordem apresentada, as
seguintes alternativas :
-
Centrífuga
A centrífuga produziu um concentrado médio de 20% de teor de sólidos e um custo de operação muito
elevado, principalmente no que se refere ao consumo de polieletrólitos.
-
Filtro-Prensa
Os testes com o filtro prensa produziram um lodo com teor de sólidos médio de 40% mas o seu custo de
implantação é muito elevado.
-
Filtros de Membrana
Os testes com o filtro de membrana não produziram um concentrado de teor de sólidos aceitável por causa de
um comportamento singular do lodo do Sistema Rio Manso, o qual se transforma em um espécie de gelatina
quando passa pelo equipamento.
-
Solubilização do Lodo
Pelos resultados obtidos com os testes de desidratação mecânica citados procurou-se estudar o processo de
solubilização do lodo para possibilitar a recuperação do coagulante e como consequencia a redução do
volume de lodo.
SOLUBILIZAÇÃO DO LODO
Os principais sais metálicos utilizados no tratamento de água são os sais de Alumínio e Ferro.
Diluídos na água a ser tratada, reagem com a alcalinidade natural da mesma, se esta estiver em concentração
suficiente, e/ou com alcalinidade adicionada. Geralmente é uma composição das duas.
As reações são as seguintes:
• Cloreto férrico com hidróxido de Cálcio:
2FeCl3 + 6H2O + 3Ca(OH)2 -> 2Fe(OH)3 + 3CaCl2
• Sulfato férrico com hidróxido de Cálcio:
Fe(SO4)3 + 3Ca(OH)2 -> Fe(OH)3 + 3Ca(SO4)
• Sulfato de Alumínio com hidróxido de Cálcio:
Al2(SO4)3. 18H2O + 3Ca(OH)2 -> 2Al (OH)3 + 3Ca(SO4) + 18HO2
A estabilidade e tamanho dos flocos resultantes é determinada pelo pH desde que se tenha a dosagem correta
de coagulante. A recuperação dos metais dos respectivos hidróxidos metálicos só se dá em valores de pH fora
dos limites de estabilidade dos flocos.
A recuperação do coagulante a partir do ácido clorídrico é viável quando se tem o hidróxido ferroso, neste
caso temos as seguintes condições :
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• Ácido clorídrico com hidróxido ferroso
Fe(OH)3 + 3HCl -> Fe Cl3 + 3H2O
A dosagem do ácido é estabelecida estequiometricamente, a partir da análise do teor de Ferro contido no
lodo. Sabendo-se que são necessárias 3 moléculas de ácido clorídrico para cada molécula de hidróxido
ferroso e que o peso molecular do Fe é de 56 g/mol e do ácido clorídrico de 36,5 g/mol, pode-se calcular o
volume necessário de ácido para a recuperação do coagulante através da fórmula :
V = Fe (%) x V lodo x 3 x 36,5
56 x Densi x Conc.(%)
onde:
V = volume de ácido clorídrico em litros
Fe (%) = porcentagem de ferro presente no lodo
Densi = densidade do ácido
Conc. = concentração do ácido
Quando se utiliza o ácido sulfúrico temos as seguintes condições:
• Ácido sulfúrico com hidróxido ferroso
Fe(OH)3 + 3H2SO4 -> Fe2(SO4)3 + 3H2O + 1,5H2
Sabendo-se que neste caso também são necessárias 3 moléculas de ácido sulfúrico para cada molécula de
hidróxido ferroso e que o peso molecular do Fe é de 56 g/mol e do ácido sulfúrico de 98 g/mol, pode-se
calcular o volume necessário de ácido para a recuperação do coagulante através da formula :
V = Fe (%) x V lodo x 3 x 98
2x56 x Densi x Conc.(%)
onde:
V = volume de ácido sulfúrico em litros
Fe (%) = porcentagem de ferro presente no lodo
Densi = densidade do ácido
Conc. = concentração do ácido
• Ácido sulfúrico com hidróxido de alumínio
Al2(OH)6 + 3H2SO4 -> Al2(SO4)3 + 6H2O
Sabendo-se que neste caso são necessárias 3 moléculas de ácido sulfúrico para 2 moléculas de alumínio e que
o peso molecular do Al é de 27 g/mol e do ácido sulfúrico de 98 g/mol, pode-se calcular o volume necessário
de ácido para a recuperação do coagulante através da formula :
V = Al (%) x V lodo x 3 x 98
27 x Densi x Conc.(%)
onde:
V = volume de ácido sulfúrico em litros
Al (%) = porcentagem de alumínio presente no lodo
Densi = densidade do ácido
Conc. = concentração do ácido
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TESTES EFETUADOS
Apesar de terem sido feitos testes de acidificação com o ácido sulfúrico, foi dado maior ênfase aos testes com
o ácido clorídrico uma vez que o cloreto férrico é o coagulante que apresenta a melhor performance na
estação de tratamento do Sistema Rio Manso.
• Testes em laboratório
Inicialmente foram executados os testes de solubilização do ferro e redução do volume do lodo em
laboratório. Tomou-se uma proveta graduada de um litro e após o enchimento com o lodo adensado aplicouse o ácido até a solubilização total do ferro presente no lodo. As principais características do lodo utilizado
nos testes foram : Sólidos Totais de 1,8%, Concentração de Ferro de 0,68% e pH de 8,8.
A Tabela 4 apresenta os resultados encontrados.
Tabela 4 - Solubilização do Ferro e Redução de Lodo
Dosagem de Ácido
Volume de Lodo
Ferro Solubilizado
( ml )
Sedimentado
(%)
( ml )
0
1000
0
1
980
0,020
2
980
0,041
3
970
0,061
4
970
0,082
5
970
0,103
6
970
0,123
9
970
0,184
10
970
0,205
12
970
0,246
15
880
0,308
20
520
0,410
22
670
0,450
25
450
0,513
27
420
0,554
30
360
0,615
32
270
0,656
35
340
0,656
40
210
0,656
Redução
de Lodo
(%)
0
2
2
3
3
3
3
3
3
3
12
33
48
55
58
64
66
73
79
Pode-se inferir da tabela :
• A relação estequiométrica entre a concentração de ferro do lodo e a dosagem de ácido citada
anteriormente se aplica perfeitamente.
• Verifica-se uma redução da ordem de 64% do volume do lodo para a dosagem correspondente à
solubilização do ferro definida pela relação estequiométrica.
O lodo remanescente foi submetido a filtração a vácuo em funil Buchemer e teve seu volume reduzido em
80%, o que significa uma recuperação total de 92% do volume de lodo como coagulante e os 8% restantes
como resíduos.
Em seguida procedeu-se a execução de testes de floculação e decantação em aparelho jar test a partir do
cloreto férrico obtido em laboratório, sua concentração é próxima ao teor de ferro presente no lodo, ou seja,
0,66%. Verificou-se que a sua eficiência é a mesma do cloreto férrico comercial.
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• Testes em piloto
Após os testes de laboratório passou-se aos testes com o aparelho piloto. Utilizou-se um reator com 75 cm de
diâmetro e 4,60 m de altura, fabricado em fibra de vidro reforçada.
O reator foi abastecido com volume de lodo em torno de 1460 litros. Na recuperação do coagulante utilizouse o ácido clorídrico com densidade de 1,18 g/cm3 e concentração de 34%, cujo volume foi determinado
estequiometricamente pelo teor de ferro contido no lodo. As principais características do lodo utilizado nestes
testes foram : Sólidos Totais de 2,3%, Concentração de Ferro de 0,88% e pH de9,0. Pela fórmula obtém-se :
V = Fe (%) x V lodo x 3 x 36,5 = 0,88 x 1460 x 3 x 36,5 = 63 litros
56 x Densi x Conc.(%)
56 x 1,18 x 34
Dosado o ácido, a mistura foi feita mediante borbulhamento de ar comprimido, injetado através de um
distribuidor no fundo do piloto. Apenas alguns minutos de agitação se mostraram eficientes para a completa
mistura de ácido e lodo, deixando-se, em seguida, o lodo em repouso.
A Tabela 5 apresenta a redução do volume do lodo em função do tempo.
Tabela 5 - Redução do Lodo em Função do Tempo
Tempo
Volume de Lodo
( min )
( litros )
0
1460
5
470
10
400
15
390
20
380
25
370
30
370
35
365
40
320
45
290
50
250
55
250
60
250
Redução de Lodo
(%)
0
68
73
73
74
75
75
75
78
80
83
83
83
A partir dos dados apresentados na tabela e dos das análises efetuadas, tem-se as seguintes observações :
• A curva de decantação de lodo apresenta uma inflexão em torno de 50 minutos de decantação. Após este
tempo a taxa de adensamento remanescente é desprezível.
• O lodo foi reduzido em 83% e o ferro foi totalmente solubilizado
• O pH da solução ficou em 2,0
• A concentração do lodo remanescente é a mesma do lodo inicial.
O coagulante recuperado foi levado à estação de tratamento de água da cidade de Brumadinho e aplicado por
um período de 10 horas consecutivas. A estação é do tipo convencional, opera com uma vazão média de 50
l/s e utiliza o sulfato de alumínio como coagulante. Durante o período do teste a qualidade da água tratada
permaneceu inalterada. No entanto, ocorreu uma sensível melhora na turbidez da água decantada.
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CONCEPÇÃO DO PROJETO
A concepção do processo projetado para o Sistema Rio Manso é composto basicamente de três tanques
reatores, dois tanques de ácido, elevatória para retorno do coagulante recuperado e um filtro prensa.
O lodo dos adensadores atuais será encaminhado a três tanques reatores, cada um com 100 m3, onde ocorrerá
a mistura deste lodo com o ácido. Para a transferência do lodo serão utilizadas bombas de deslocamento
positivo e para a mistura é prevista uma linha de ar comprimido interligado ao fundo de cada um dos
reatores.
Os dois tanques de ácido clorídrico, com volume unitário de 20 m3, alimentarão os reatores por gravidade.
São previstos três níveis de tomadas de dreno de coagulante recuperado em cada reator que permitem a
escolha correta do nível entre coagulante recuperado e lodo reduzido.
Uma bomba centrífuga de transferência alimentará o coagulante recuperado nos dosadores na entrada da
ETA. Três dos seis tanques de coagulante existentes servirão de tanques pulmão para absorver eventuais
flutuações na dosagem de coagulante recuperado.
O lodo reduzido irá por gravidade para um tanque pulmão específico. A partir daí uma bomba de
deslocamento positivo alimentará um filtro prensa com capacidade de 4m3/h ou, opcionalmente, transportará
o lodo para as lagoas.
O coagulante recuperado do deságüe do lodo será transferido, através de uma bomba centrífuga, à linha de
transferência de coagulante recuperado.
CONCLUSÕES
Conforme os testes demonstram, a solubilização é uma alternativa tecnicamente viável para o Sistema Rio
Manso. O custo para a implantação do processo está orçado em R$ 1.770.000,00 ( um milhão e setecentos e
setenta mil reais ) , preços de outubro de 2000.
Considerando que o consumo médio atual de coagulante é de aproximadamente 7800 l/dia e que na operação
do processo proposto estima-se uma recuperação de 95%, haverá uma economia diária de 7410 litros de
coagulante, sendo que para a recuperação deste coagulante serão necessários 5170 litros de ácido clorídrico.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.
PIOTTO,Z.C., Regeneração do potencial de coagulação de lodos químicos de estações de tratamento de água
para reutilização no tratamento físico-químico de diferentes tipos de águas residuárias. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Espirito Santo, Espirito Santo, 1995.
2. PIGEON,P.E, et al.. Recovery and reuse of iron coagulants in water treatment. Journal AWWA, Denver,
p.397-403, Jul., 1978.
3. REALI, M.A.P. ,Noções gerais de tratamento e disposição final de lodos de estações de tratamento de água.
Rio de Janeiro, ABES, 1999.
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