GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS DE ETAs

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


Lavagem de decantador



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


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


Decreto no 24.643, de 10/7/34 - instituiu o Código de Águas.


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


• 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.


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.


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


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.


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

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