GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS DE ETAs 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 PQ + Energia Insumos INDÚSTRIA Matéria-prima Produto ETA Água Bruta Água Tratada Rejeitos Lodo + ALAF

ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA CONVENCIONAL DE CICLO COMPLETO Mistura Rápida Lenta Filtros Decantador Lodo dos Decantadores Água de Lavagem dos Filtros resíduos água Auxiliar Al2(SO4)3 Cal Cloro produtos químicos (Floculadores)

ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA CONVENCIONAL DE CICLO COMPLETO Água de Lavagem dos Filtros Lodo dos Decantadores

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) 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

Produção de água tratada: 41.106 m3/dia (PNSB, 2000). 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 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. Redução da camada eutrófica Aumento da Turbidez Soterramento dos bentos Alteração na Biota aquática Matéria Orgânica Diminuição do O2 dissolvido Variação nas comunidades (estrutura, distribuição, abundância e diversidade) Alterações físicas químicas e biológicas Metais Pesados (Al e Fe) Destruição da camada bentônica Toxicidade Deficiências renais Doenças cardiovasculares Condições estéticas são afetadas Aumento no custo de recuperação e potabillizacao Aumento da tarifa de água Degradação da qualidade ambiental Diminuição da potencialidade de uso a jusante Desemprego

IMPACTO AMBIENTAL E 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 pH - 5-9 6-9 6-8.5 7.9 6.8 DQO mg/L 90 var 640 1780 sólidos sedimentáveis ml/L 1 990 sólidos suspensos 100 22005 Alumínio 10 553 Arsênio 0.5 0.2 0.1 Cádmio 0.05 ND Chumbo 0.88 Cobalto Cobre dissolvido 1.05 32 Cromo VI 0,5* 0.42* 19* Cromo III Ferro dissolvido 15 940 69999 Mercúrio total 0.01 0.0 0.005 Molibdênio Níquel total 2 1.06 Zinco total 5 1.7 49

Tecnologias de tratamento de água Geração de Resíduos de ETAs Função da tecnologia de tratamento empregada, tipo de coagulante, condições operacionais da ETA, condições do manancial e etc. Filtração Lenta Filtração Direta Ascendente Dupla Filtração Floto-filtração Filtração em multíplas etapas ETA convencional de ciclo completo Tecnologias de tratamento de água

ETA convencional de Ciclo Completo Geração de Resíduos de ETAs ETA convencional de Ciclo Completo Água bruta Coagulação Floculação Sedimentação Filtração Água Tratada Lodo ALAF Mistura rápida 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.

Tamanho de partículas – 10 a 20 µm Frações de água no lodo 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 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. Figura 4.2 – Esquema ilustrativo das frações de água constituintes dos lodos de ETAs. Fonte: adaptado Smollen e Kafaar (1994).

Hidróxido de alumínio, hidróxido de ferro 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 resíduos dependentes das micropropriedades(tratabilidade dos resíduos)

Caracterização dos resíduos gerados em ETAs 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 para o desaguamento tamanho médio dos flocos 20 . influencia a resistência específica à filtração e a taxa de desaguamento Densidade peso amostra/peso de igual volume de água: varia com o tamanho do floco 1.03 e 1.19 (g/cm3) determinantes à concentração de sólidos, obtido após desaguamento Estruturas cristalinas disponibilidade e mobilidade dos metais presentes metais pesados: complexados Resistência Específica 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 fluido não-Newtoniano “viscosidade aparente” varia com a concentração de sólidos avaliação de perdas de cargas em tubulações Compressibilidade altamente compressíveis decréscimo da taxa de desaguamento com o aumento de pressão aplicado

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.

Formulações empíricas Formulação da produção de sólidos Quantificação dos Resíduos de ETAs Formulações empíricas Formulação da produção de sólidos Variáveis (kg de matéria seca / m3 de água bruta tratada) (kg de matéria seca/dia) P = (SS + 0,07xC + H + A) x 10–3 W = 86400 x P x Q 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 Research Center - WCR (1979) P=(1,2xT+0,07xC+0,17xD+A)x10-3 T – turbidez da água bruta (uT) C – cor aparente da água bruta (uC) D – dosagem de sulfato de alumínio (mg/L) Association Francaise– AFEE (1982) P =(0,23xAS + 1,5xT) x 10-3 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 Q – vazão de água bruta tratada (m 3 / s) CETESB P = (0,44 x AS + 1,5 x T + A)x10-3 CORNWELL P = (DxFc1) + (TxFc2) - P – produção de sólidos (g de matéria seca/m3 de água bruta tratada) 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) Fonte

Balanço de massa Quantificação dos Resíduos de ETAs Água Bruta Cal Decantador Filtros Mistura rápida Q Dc QC C1 QS DS Coagulante DP QP Polímero QR ,CR Resíduo QD , CD QF , CF QAT , CAT 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 % )

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. Psól. = 44.SS + 0,26.DSA + 63,765

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 25 cm Disco de madeira ou metálico branco Tubo ou haste graduada Tampão Tubo 1 ½” Disco de alumínio 3,5 a 5,0 m Cabo plástico (marcação com nós) Fonte: Valencia (1992), Fontana (2004)