UNIR - Universidade Federal de Rondônia
Departamento de Engenharia
Engenharia Ambiental
GERENCIAMENTO DE
RESÍDUOS DE ETAs
Prof. Dr. Marcelo Melo Barroso
Maio, 2008
Disciplina: Sistema de Água ADisciplina: Sistema de Água A
Produto
Rejeitos
Água Bruta
PQ + Energia
Lodo + ALAF
Água Tratada
Matéria-prima
Insumos
INDÚSTRIA
ETA
SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUA
Mistura
Rápida
Mistura
Lenta FiltrosDecantador
Lodo dos
Decantadores
Água de Lavagem
dos Filtrosresíduos
água
Auxiliar
Al2(SO4)3
Cal Cloro
produtosquímicos
ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA CONVENCIONAL DE CICLO COMPLETO
(Floculadores)
Lodo dos
Decantadores
Água de Lavagem
dos Filtros
ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA CONVENCIONAL DE CICLO COMPLETO
APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
ETA – Estação de Tratamento de Água
Resíduos de ETAs – Lodo de decantador
APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
Lavagem de decantador
APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
Descarga de resíduos de ETA nos rios brasileiros
Lavagem do Decantador (ETA São Carlos)
Vídeo 1
Vídeo 2
Rio
ETA
• ETA - tipo convencional
• A captação da água bruta - Rio Corumbataí
• Coagulante – Cloreto Férrico
ETA - RIO CLARO(Q = 520 L/s)
• 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
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)
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”.
Impacto Ambiental
Rede de Interação dos Impactos Ambientais gerados pelo lançamento in natura do lodo proveniente de ETAs
ETA Poluição dos corpos d’águaLodo
Aumento da Turbidez
Matéria Orgânica
Metais Pesados(Al e Fe)
Degradação da qualidade ambiental
IMPACTO AMBIENTAL E ASPECTOS LEGAIS
ACHON et al. (2005)
Rede de Interação - cont.
Aumento da Turbidez
Matéria Orgânica
Metais Pesados(Al e Fe)
Degradação da qualidade ambiental
Redução da camada eutrófica
Diminuição do O2 dissolvidoAlteração na Biota
aquática
Condições estéticas são afetadas
Aumento no custo de recuperação e potabillizacao
Diminuição da potencialidade de uso a jusante
Desemprego
Aumento da tarifa de água
Soterramento dos bentos
Alterações físicas químicas e biológicas
Toxicidade
Variação nas comunidades (estrutura, distribuição, abundância
e diversidade)
Destruição da camada bentônica
Deficiências renais
Doenças cardiovasculares
IMPACTO AMBIENTAL E ASPECTOS LEGAIS
Decreto no 24.643, de 10/7/34 - instituiu o Código de Águas.
IMPACTO AMBIENTAL E ASPECTOS LEGAIS
Aspectos Legais
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 .. ”
Série NBR 10.004, 10.006, 10.007
IMPACTO AMBIENTAL E ASPECTOS LEGAIS
• 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 Bernardoet al. (1999)
DATa
Barroso(2002)
DCbCONAMA 357/2005
SP MG PB RS SC
pH - 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/L0,5*
0.1 0.5 0.5 0.1 0.10.42* 19*
Cromo III mg/L - 1 1 - -
Ferro dissolvido mg/L 15 15 10 15 10 15 940 69999
Mercúrio total mg/L 0.01 0.0 0.01
0.01 0.01 0.005 - -
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.
Filtração Lenta
Filtração Direta Ascendente
Dupla Filtração
Floto-filtração
Filtração em multíplas etapas
ETA convencional de ciclo completo
Tecnologias de tratamento de água
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)
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.
Frações de água dos Resíduos de ETAs
Tamanho de partículas – 10 a 20 µm
Frações de água no lodo
Água livreÁgua livre
Água Água intersticialintersticial
Água Água vicinalvicinal
Água de hidratação Água de hidratação ligada à superfície ligada à superfície das partículasdas partículas
Características dos Resíduos de ETAs
Água livre
Água intersticial
Água vicinal
Água de hidratação ligada à superfície das partículas
Frações de água dos Resíduos de ETAs
Energia necessária
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).
Vol. água livre
E1
Vol. água intersticial
E2
Vol. água vicinal
E3
Vol. água de hidratação
E4
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.
Características dos Resíduos de ETAs
Composição
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)
Micropropriedades Macropropriedades Distribuição e tamanho dos flocos Velocidade de sedimentação Estrutura/forma dos flocos Flotabilidade Força de cisalhamento do floco Centrifugabilidade Densidade Velocidade de drenagem em lagoas Concentração de sólidos Resistência específica Viscosidade e temperatura Tempo de filtração Tensão superficial Velocidade de drenagem no solo “Frações” de água Tempo de sucção por capilaridade Composição química Compressibilidade Concentração de matéria orgânica Lixiviação pH e alcalinidade Força cisalhante Carga das partículas
Fonte:DHARMAPPA et al. (1997)
Caracterização dos Resíduos de ETAs
Caracterização dos resíduos gerados em ETAs
Micropropriedades Macropropriedades Distribuição e tamanho dos flocos Velocidade de sedimentação Estrutura/forma dos flocos Flotabilidade Força de cisalhamento do floco Centrifugabilidade Densidade Velocidade de drenagem em lagoas Concentração de sólidos Resistência específica Viscosidade e temperatura Tempo de filtração Tensão superficial Velocidade de drenagem no solo “Frações” de água Tempo de sucção por capilaridade Composição química Compressibilidade Concentração de matéria orgânica Lixiviação pH e alcalinidade Força cisalhante Carga das partículas
Fonte:DHARMAPPA et al. (1997)
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 Específicaresistência 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
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
ETA Ciclo Completo
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 empíricasFormulação 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 W = 86400 x P x Q
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 Francaise– AFEE (1982)
P =(0,23xAS + 1,5xT) x 10-3 W = 86400 x P x Q
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 brutaW – quantidade de sólidos secos (kg/dia)Q – vazão de água bruta tratada (m 3 / s)
CETESB
P = (0,44 x AS + 1,5 x T + A)x10-3 W = 86400 x P x Q
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 brutaA – 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 = (DxFc1) + (TxFc2) -
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)
Fonte
Quantificação dos Resíduos de ETAs
Balanço de massa
Água Bruta
Cal
Decantador FiltrosMistura 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
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).
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)
Coletas Vazão (L/s)
(I) Água bruta [SSxQab] {kg/dia)
(II) MPQ
[coef.x adição] (kg/dia)
(III) Água tratada
[SSxQat] (kg/dia)
(IV) = (I)+(II)-(III)
Produção total de sólidos (kg/dia)
Massa
grama de sólidos/m3
água tratada
3 540 728 351 105 974 21
4 520 569 547 79 1038 23
5 500 1655 704 135 2224 51
6 530 490 240 46 684 15
7 520 571 269 0 840 19
8 550 360 240 0 599 13
9 480 236 181 0 417 10
Média 520 658 362 52 968 22
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
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3 4 5 6 7 8 9
Coletas
(kg
/dia
)
CORNWELL (1987)
ETA-SÃO CARLOS(2001)
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
25 cm
Disco de madeira ou metálico branco
Tubo ou haste graduada
Tampão
Tubo 1 ½”
25 cm
Disco de alumínio
3,5 a 5,0 m
Cabo plástico (marcação com
nós)
Fonte: Valencia (1992), Fontana (2004)
Divisão de decantadores em seções longitudinais