Métodos e Técnicas de Tratamento e Disposição dos Resíduos Gerados em Estações de Tratamento de Água by Editora Cubo

Luiz Di Bernardo Angela Di Bernardo Dantas Paulo Eduardo Nogueira Voltan

LUIZ DI BERNARDO

ANGELA DI BERNARDO DANTAS Engenheira civil, mestre, doutora e pós-doutarada pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, especializada em abastecimento e tratamento de água e tratamento dos resíduos gerados em ETAs. É diretora da Hidrosan Engenharia SS Ltda e professora do mestrado em Tecnologia Ambiental da Universidade de Ribeirão Preto (Unaerp).

PAULO EDUARDO NOGUEIRA VOLTAN Engenheiro civil, mestre e doutorando pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, em Engenharia Civil: Hidráulica e Saneamento. É engenheiro do corpo técnico da Hidrosan Engenharia SS Ltda. e professor Ğŵ ĐƵƌƐŽƐ ĚĞ ŐƌĂĚƵĂĕĆŽ Ğŵ ĞŶŐĞŶŚĂƌŝĂ Đŝǀŝů Ğ ĂŵďŝĞŶƚĂů͘

MÉTODOS E TÉCNICAS DE TRATAMENTO E DISPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS GERADOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA

Engenheiro civil, mestre e doutor pela Escola de Engenharia ĚĞ ^ĆŽ ĂƌůŽƐ ĚĂ hŶŝǀĞƌƐŝĚĂĚĞ ĚĞ ^ĆŽ WĂƵůŽ͕ ŝŶƐƟƚƵŝĕĆŽ Ğŵ ƋƵĞ ĞǆĞƌĐĞƵ ĂƟǀŝĚĂĚĞƐ ĚĞ ĞŶƐŝŶŽ͕ ƉĞƐƋƵŝƐĂ Ğ ƉƌĞƐƚĂĕĆŽ ĚĞ ƐĞƌǀŝĕŽƐ ă ĐŽŵƵŶŝĚĂĚĞ ƌĞůĂĐŝŽŶĂĚŽƐ ĂŽ ƐĂŶĞĂŵĞŶƚŽ͕ ĐŽŵ ênfase em qualidade e tratamento de água para consumo humano durante trinta e seis anos. Aposentou-se em 2009 e atualmente é diretor da Hidrosan Engenharia SS Ltda.

MÉTODOS E TÉCNICAS DE TRATAMENTO E DISPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS GERADOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA Luiz Di Bernardo Angela Di Bernardo Dantas Paulo Eduardo Nogueira Voltan

Métodos e Técnicas de Tratamento e Disposição dos Resíduos Gerados em Estações de Tratamento de Água

Luiz Di Bernardo Angela Di Bernardo Dantas Paulo Eduardo Nogueira Voltan

São Carlos – SP 2012

Di Bernardo, Luiz Métodos e Técnicas de Tratamento e Disposição dos Resíduos Gerados em Estações de Tratamento de Água / Luiz Di Bernardo / Angela Di Bernardo Dantas / Paulo Eduardo Nogueira Voltan – São Carlos: LDiBe, 2012. 540 p. ISBN 978-85-62324-04-8 1. A Problemática dos Resíduos Gerados em Estações de Tratamento de Água. Capítulo 2. Tecnologias de Tratamento de Água, Caracterização Qualitativa e Quantitativa dos Resíduos. Capítulo 3. Eficiência das Estações de Tratamento de Água e sua Influência na Produção de Resíduos. 4. Índices Físicos, Propriedades dos Resíduos e Características do Escoamento. 5. Legislação e Classificação dos RETAs. 6. Tecnologias de Tratamento dos RETAs. 7. Tanque de Recepção e Regularização de Vazão. 8. Adensamento. 9. Desaguamento. 10. Secagem e Incineração. 11. Disposição de Lodo e Regeneração de Coagulante. I. Dantas, Angela Di Bernardo. II. Voltan, Paulo Eduardo Nogueira. III. Título.

Revisora da língua portuguesa Ruth de Gouvêa Duarte Tiragem 1200 exemplares Editoração eletrônica

www.editoraldibe.com.br Av. São Carlos 2205, sala 103 CEP 13560-900 São Carlos - SP, Brasil Fone: 55 (16) 33713466; Fax: 55 (16) 33710723

À Costancia, minha esposa que, espiritualmente, tem me apoiado em todos os momentos da minha vida. Aos meus filhos, Angela, Bruno, Mário e Laura e aos netos, Henrique e Daniel, dos quais espero que concordem que o maior tesouro que se pode acumular na vida é o saber. Luiz Di Bernardo

Ao meu pai, Luiz Di Bernardo, pelos preciosos ensinamentos e incentivo durante toda a minha vida. À minha mãe Costancia, pela ajuda, carinho e apoio. Ao meu marido Frederico e aos meus filhos Henrique e Daniel – amores da minha vida. Angela Di Bernardo Dantas

À minha família e aos meus amigos, pois são motivação, inspiração e suporte nas horas difíceis. À Vivi, meu amor, que me faz ir além e alcançar lugares que nunca imaginei. Aos colegas de trabalho, pela agradável convivência todos estes anos. E, especialmente, à Angela e ao Prof. Luiz, pela confiança e amizade. Paulo Eduardo Nogueira Voltan

Sobre os Autores Luiz Di Bernardo Engenheiro civil, mestre e doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP) e Pós-doutorado pela Iowa State University – EUA. Foi professor de disciplinas de graduação em saneamento na Faculdade de Engenharia Civil de Araraquara e na Fundação Educacional de Barretos na década de 1970. Foi professor de disciplinas de pós-graduação na Faculdade de Engenharia Civil da UNICAMP na década de 1980. Foi professor de disciplinas de graduação nos cursos de Engenharia Civil e de Engenharia Ambiental e de pós-graduação em Hidráulica e Saneamento da EESC-USP de 1973 a 2009, tendo se aposentado como professor titular. Orientou 15 estudantes de iniciação científica, 55 de mestrado e 34 de doutorado na EESC-USP, desenvolveu mais de 100 trabalhos de assessoria e consultoria e elaborou aproximadamente 150 projetos de estações de tratamento de água. Publicou cerca de 60 trabalhos em periódicos nacionais e internacionais e apresentou, aproximadamente, 300 trabalhos em congressos, seminários e simpósios nacionais e internacionais. Autor principal de 6 livros em tratamento de água e de capítulos de 12 livros nacionais e internacionais. Detentor do prêmio Rudolph Hering Medal por trabalho publicado no Journal of Environmental Engineering Division – American Society of Civil Engineers (EUA); recebeu 4 prêmios Abel Wolman, outorgados pela Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental [Argentina, Guatemala, Puerto Rico (2)]. Atualmente é diretor da Hidrosan Engenharia SS Ltda. e professor colaborador da UNAERP, universidade na qual coordena pesquisas no Programa de Mestrado em Tecnologia Ambiental.

Angela Di Bernardo Dantas Formada em 1997 no curso de Engenharia Civil da Escola de Engenharia de São Carlos – EESC-USP, fez mestrado (1998-2000), doutorado (2000-2004) e pós-doutorado (2005-2009) no Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC-USP na área de pesquisa de tratamento de água de abastecimento. Durante o doutorado, realizou estágio no Georgia Institute of Technology (Atlanta, EUA) sob orientação do Prof. Appiah Amirtharajah. Profissionalmente, teve oportunidade de participar de vários projetos de Estações de Tratamento de Água e de Estudos de Tratabilidade de Água. Autora de vários trabalhos científicos, publicados em revistas nacionais e internacionais, ou apresentados em congressos nacionais e internacionais. Co-autora dos livros Tratabilidade de Água e dos Resíduos gerados em ETAs, Florações de Algas e de Cianobactérias: Suas Influências na Qualidade da Água e nas Tecnologias de Tratamento e da segunda edição do livro Métodos e Técnicas de Tratamento de Água. Atualmente é diretora técnica da Hidrosan Engenharia e professora do mestrado em Tecnologia Ambiental da Universidade de Ribeirão Preto (UNAERP).

Paulo Eduardo Nogueira Voltan Engenheiro Civil formado pela Escola de Engenharia de São Carlos EESC-USP, mestre em engenharia civil – Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC-USP, mesma instituição na qual atualmente cursa o doutorado. Participou de diversos trabalhos envolvendo projetos de Estações de Tratamento de Água (ETA) e dos resíduos gerados em ETA, análise de desempenho de ETA, estudos de tratabilidade de água e dos resíduos gerados no tratamento de água. Atualmente participa do corpo técnico da Hidrosan Engenharia SS Ltda. e é professor em cursos de graduação de engenharia civil e ambiental.

Nota dos Autores Embora alguns livros de autoria do Prof. Luiz Di Bernardo e colaboradores contenham capítulos específicos sobre os resíduos gerados em estações de tratamento de água - RETAs, o referido professor, juntamente com outros autores, publicam agora, este livro que contém informações imprescindíveis aos profissionais envolvidos com o projeto e a operação de estações de tratamento dos resíduos - ETRs. O livro buscou atualizar conhecimentos sobre origem, qualidade e propriedades dos resíduos; características do escoamento; aspectos legais pertinentes; tecnologias de tratamento de água e resíduos então gerados – além de incluir diversos exemplos de projeto. O Capítulo 1 versa sobre a problemática dos RETAs enquanto os Capítulos 2 e 3 resumem as tecnologias de tratamento de água e as respectivas eficiências relacionadas às características qualitativas e quantitativas dos resíduos gerados. O Capítulo 4 apresenta os índices físicos, as propriedades dos resíduos e as características do escoamento; o Capítulo 5 contém informações sobre a legislação e a classificação dos resíduos; o Capítulo 6 resume as tecnologias de tratamento dos RETAs. Os capítulos 7, 8, 9, 10 e 11 apresentam os diversos tipos de unidades de tratamento dos RETAs e exemplos de dimensionamento.

Sumário

Capítulo 1 – A Problemática dos Resíduos Gerados em Estações de Tratamento de Água 1.1. Introdução ................................................................................................................................................ 1

Capítulo 2 – Tecnologias de Tratamento de Água, Caracterização Qualitativa e Quantitativa dos Resíduos 2.1. Introdução ................................................................................................................................................ 5 2.2. Tecnologias de tratamento de água ...................................................................................................... 6 2.2.1.

ETAs de ciclo completo.......................................................................................................... 11

2.2.2.

ETAs de filtração direta.......................................................................................................... 29

2.2.3.

ETAs de floto-filtração ........................................................................................................... 32

2.2.4.

ETAs de filtração lenta e filtração em múltiplas etapas .................................................... 32

2.2.5.

ETAs de separação por membranas..................................................................................... 35

Capítulo 3 – Eficiência das Estações de Tratamento de Água e sua Influência na Produção de Resíduos 3.1. Introdução .............................................................................................................................................. 43 3.2. Qualidade da água bruta ...................................................................................................................... 43 3.2.1.

Turbidez .................................................................................................................................... 44

3.2.2.

Cor aparente............................................................................................................................. 46

3.2.3.

pH .............................................................................................................................................. 46

3.2.4.

Oxigênio consumido .............................................................................................................. 50

3.2.5.

Oxigênio dissolvido ................................................................................................................ 52

3.2.6.

Demanda bioquímica de oxigênio ....................................................................................... 53

3.2.7.

Alcalinidade ............................................................................................................................. 54

3.2.8.

Cloretos..................................................................................................................................... 54

3.2.9.

Dureza....................................................................................................................................... 54

3.2.10. Alumínio .................................................................................................................................. 54 3.2.11. Ferro .......................................................................................................................................... 55

3.2.12. Manganês ................................................................................................................................. 56 3.2.13. Nitrogênio total ....................................................................................................................... 56 3.2.14. Fósforo total ............................................................................................................................. 57 3.2.15. Condutividade elétrica ........................................................................................................... 57 3.2.16. Surfactantes .............................................................................................................................. 58 3.2.17. Fenóis ........................................................................................................................................ 58 3.2.18. Sólidos totais ............................................................................................................................ 59 3.2.19. Coliformes termotolerantes .................................................................................................. 59 3.2.20. Coliformes fecais ..................................................................................................................... 60 3.2.21. Clorofila-a ................................................................................................................................ 60 3.2.22. Características hidrobiológicas............................................................................................. 61 3.2.23. Considerações finais ............................................................................................................... 62 3.3. Diagnóstico da ETA .............................................................................................................................. 63 3.3.1.

Qualidade da água tratada..................................................................................................... 63

3.3.2.

Turbidez da água efluente das diferentes unidades de tratamento................................. 68

3.3.3.

Consumo de produtos químicos ..........................................................................................68

3.3.4.

Divisão de vazão para as unidades da ETA ........................................................................ 71

3.3.5.

Extração de resíduos em decantadores, flotadores e água de lavagem de filtros ......... 74

Capítulo 4 – Índices Físicos, Propriedades dos Resíduos e Características do Escoamento 4.1. Introdução .............................................................................................................................................. 83 4.2. Índices e propriedades.......................................................................................................................... 84 4.2.1.

Considerações gerais .............................................................................................................. 84

4.2.2.

Análise granulométrica dos sólidos ..................................................................................... 85

4.2.3.

Massa específica (ρ) ................................................................................................................ 86

4.2.4.

Teor de umidade (TU) ........................................................................................................... 90

4.2.5.

Índice de vazios (IV) .............................................................................................................. 90

4.2.6.

Porosidade (P) ......................................................................................................................... 91

4.2.7.

Relação entre porosidade e índice de vazios ...................................................................... 91

4.2.8.

Grau de saturação (GS) .......................................................................................................... 91

4.2.9.

Peso específico ......................................................................................................................... 91

4.2.10. Plasticidade e consistência..................................................................................................... 92 4.2.11. Resistência específica.............................................................................................................. 94

4.3. Propriedades reológicas e características do escoamento .............................................................. 97 4.3.1.

Considerações gerais .............................................................................................................. 97

4.3.2.

Perda de carga em tubulação curta que veicula resíduo de ETA com baixa concentração de SST .........................................................................................101

4.3.3.

Perda de carga em tubulação curta que veicula resíduo de ETA com elevada concentração de SST .....................................................................................103

4.3.4.

Perda de carga em tubulação longa que veicula resíduo de ETA..................................106

4.3.5.

Bombeamento e transporte dos resíduos .........................................................................108

Capítulo 5 – Legislação e Classificação dos RETAs Capítulo 6 – Tecnologias de Tratamento dos RETAs 6.1. Introdução ............................................................................................................................................129 6.2. Concepção dos sistemas de tratamento dos RETAs......................................................................129 6.2.1.

ETAs de ciclo completo com limpeza manual de decantadores ...................................130

6.2.2.

ETAs de filtração direta........................................................................................................131

6.2.3.

ETAs de ciclo completo com remoção hidráulica ou mecanizada de lodo dos decantadores ..........................................................................................................................134

6.2.4.

ETAs de ciclo completo com remoção mecanizada de lodo dos flotadores e ETAs de floto-filtração....................................................................................135

Capítulo 7 – Tanque de Recepção e Regularização de Vazão 7.1. Introdução ............................................................................................................................................151 7.2. Tanques de recepção com funcionamento por batelada ..............................................................151 7.3. Tanques de recepção com funcionamento contínuo ou semi-contínuo ................................................................................................................................170

Capítulo 8 – Adensamento 8.1. Introdução ............................................................................................................................................187 8.2. Adensamento por gravidade e por flotação ....................................................................................187 8.2.1.

Considerações gerais ............................................................................................................187

8.2.2.

Adensadores por gravidade.................................................................................................188

8.2.3.

Adensador por flotação........................................................................................................197

8.3. Adensamento mecânico .....................................................................................................................216

Capítulo 9 – Desaguamento 9.1. Considerações iniciais ........................................................................................................................227 9.2. Desaguamento mecânico ...................................................................................................................227 9.2.1.

Centrífuga ..............................................................................................................................227

9.2.2.

Filtro prensa de esteira .........................................................................................................288

9.2.3.

Filtro prensa de placas ..........................................................................................................292

9.2.4.

Prensa desaguadora tipo parafuso (Contipress) ...............................................................295

9.2.5.

Outros sistemas mecanizados de desaguamento ............................................................307

9.3. Desaguamento natural .......................................................................................................................309 9.3.1.

Lagoa .......................................................................................................................................309

9.3.2.

Filtração em leito de secagem e em leito de drenagem ..................................................322

9.3.3.

Filtração em geotêxtil ...........................................................................................................346

Capítulo 10 – Secagem e Incineração 10.1. Introdução..........................................................................................................................................363 10.2. Sistemas não mecanizados para secagem .....................................................................................363 10.3. Sistemas mecanizados para secagem .............................................................................................367 10.4. Incineradores ....................................................................................................................................371 10.5. Considerações finais sobre a secagem e a incineração ...............................................................373

Capítulo 11 – Disposição de Lodo e Regeneração de Coagulante 11.1. Introdução..........................................................................................................................................375 11.2. Aterros ................................................................................................................................................375 11.3. Construção de artefatos de concreto, cimento e argila...............................................................388 11.4. Outros usos benéficos dos RETAs .................................................................................................420 11.5. Disposição dos RETAs em ETEs ....................................................................................................427 11.6. Regeneração de coagulante .............................................................................................................495

A Problemática dos Resíduos Gerados em Estações de Tratamento de Água

1.1. Introdução Algumas formas comumente são usadas na prática para denominar os resíduos gerados em uma Estação de Tratamento de Água – ETA, como lodo de ETAs – LETAs, rejeitos de ETAs etc. Neste livro, os resíduos gerados em ETAs – RETAs será a expressão usual, embora, muitas vezes, sejam empregadas outras específicas em função do estado em que se encontram os referidos resíduos. Independente da denominação, o problema com os RETAs é mundial e, em função das condições climáticas da região onde se encontra o país, são propostas alternativas diferentes daquelas geralmente consideradas no Brasil. Por exemplo, em alguns países nórdicos e em outros da Europa e da América do Norte, o congelamento dos RETAs é alternativa comumente considerada enquanto, é impensável tal possibilidade em países de clima tropical, como o Brasil. Apesar da legislação brasileira exigir que os RETAs sejam tratados antes de, direta ou indiretamente, serem lançados nos cursos de água ou no solo, é fácil observar a falta de conscientização dos responsáveis pelo abastecimento de água e de coleta, tratamento e disposição de esgotos sanitários de muitas cidades – quanto à necessidade urgente em resolver o problema relacionado à disposição adequada desses resíduos. Segundo a Pesquisa Nacional de Saneamento Básico do IBGE (2008), em 2008, o Brasil possuía 5564 municípios, dos quais 56,4% (3141) utilizavam mananciais superficiais para seu abastecimento. e, deles, 26,7% (838) das fontes de captação recebiam algum tipo de poluição ou contaminação. Do total de municípios brasileiros, 37,7% (2098) geravam lodo nas ETAs e cerca de 67,4% (1415) dispunham os resíduos em rios, geralmente, sem qualquer tipo de tratamento (ver Figura 1.1). O número de ETAs em operação em 2008 era 6040, com a distribuição por população atendida mostrada na Tabela 1.1. De acordo com o Seminário Nacional sobre Tratamento, Disposição e Usos Benéficos dos Lodos de Estações de Tratamento de Água, realizado 2008 pelo Instituto de Engenharia de São Paulo, foi observado que: i) até aquele ano, a maioria das ETAs ainda lançava seus resíduos diretamente nos corpos de água mais próximos; ii) é preciso que o setor de saneamento tenha visão mais abrangente do sistema de tratamento de água, pois ela ainda é horizontal e prioriza apenas a produção de água potável. É preciso olhar o sistema como uma indústria, que usa matéria-prima (água bruta), insumos (produtos químicos) e energia para gerar um produto (água tratada) e, em contrapartida, produz resíduos. Nesta visão mais abrangente, o dirigente deve se preocupar não apenas com a qualidade da água tratada mas, também, com a da água bruta e dos produtos químicos empregados, com a otimização do processo produtivo e com a minimização, reciclagem/reuso e disposição final dos resíduos; iii) há uma tendência internacional em reduzir a quantidade de lodo produzido nas ETAs; o restante deve ser reciclado/reusado e, somente o que não puder ser aproveitado, deve ser disposto. Tabela 1.1. Estação de Tratamento de Água em operação no Brasil em 2008 em função da população atendida (IBGE, 2008). População (habitantes) Até 50000 >50000 a 100000 >100000 a 300000 >300000 a 500000 >500000 a 1000000 >1000000

Número de ETAs Número (%) 4777 79,1 607 10,1 388 6,4 153 2,5 55 0,9 60 1,0

Métodos e técnicas de tratamento e disposição dos resíduos gerados em ETAs

A Figura 1.1 apresenta situações inadequadas do lançamento direto dos RETAs nas coleções de água. As características quantitativas e qualitativas de tais resíduos dependem de diversos fatores relacionados às ETAs, e merecem destaque a qualidade da água bruta, a tecnologia de tratamento de água, a eficiência das unidades de tratamento, as características e dosagens dos produtos químicos empregados, as condições de operação e manutenção etc. Por isso, para a elaboração de um projeto de tratamento dos RETAs, é imprescindível a realização de estudos sobre a gestão da bacia hidrográfica na qual está localizado o manancial de abastecimento, a forma de captação da água, a qualidade da água e sua variação durante pelo menos três anos consecutivos, a eficiência das unidades de tratamento, a qualificação e quantificação dos resíduos gerados, a forma de limpeza das unidades que geram resíduos etc. Não obstante a escolha da tecnologia de tratamento para tratar a água de determinado manancial, ela depende primordialmente da qualidade da água bruta; usualmente ,o que tem sido observado nas últimas décadas é a adoção indiscriminada da tecnologia de ciclo completo (conforme será visto no Capítulo 2) com a clarificação realizada pela decantação ou flotação. Desta forma, os RETAs são essencialmente originados nas descargas ou limpezas das unidades de clarificação (decantadores e flotadores) e nas lavagens dos filtros. Como tais resíduos possuem características muito distintas, há diversas concepções para seu tratamento, desde sua mistura até seu segregamento e tratamento individualizado em parte da Estação de Tratamento dos Resíduos – ETR.

Figura 1.1. Lançamentos indevidos dos resíduos de ETAs sem tratamento em corpos de água.

Na prática, os autores deste livro têm encontrado inúmeras situações que, momentaneamente, causam impactos ambientais mais ou menos acentuados. Há ETAs que lavam seguidamente os filtros durante o período noturno, outras que lavam dois ou mais filtros por dia, outras que possuem removedores mecanizados ou hidráulicos de lodo dos decantadores com descargas diárias e, outras ainda, que possuem decantadores convencionais com limpezas mensais durante algumas horas. Em todos esses casos, se não houver tratamento dos RETAs, os corpos receptores são significativamente poluídos e contaminados, além de apresentarem aspectos visuais deploráveis. Vale ressaltar que, em muitas situações, esses corpos receptores cortam as cidades e, então, são indevidamente usados, na zona rural, para irrigação, dessedentação de animais e outros fins. O lançamento indiscriminado de RETAs nos corpos de água – seja direta ou indiretamente –, causa aumento da concentração de metais tóxicos no sedimento, os quais sempre estão presentes em alguns trechos do corpo receptor, limitação da luminosidade do meio líquido devido ao aumento da concentração de SST – o que afeta a reprodutibilidade da biota em geral e, geralmente, limita ou até mesmo impede o uso do corpo receptor como fonte de dessedentação de animais ou como manancial de abastecimento de comunidades localizadas à jusante, além de haver compostos orgânicos tóxicos removidos ou formados nas unidades de tratamento da ETA. Vale ressaltar que, invariavelmente, os RETAs possuem elevada quantidade e grande diversidade de organismos patogênicos, conforme mostra a Figura 1.2.

Capítulo 1 – A Problemática dos Resíduos Gerados em Estações de Tratamento de Água

Figura 1.2. Organismos encontrados em RETAs.

Métodos e técnicas de tratamento e disposição dos resíduos gerados em ETAs

Em função da qualidade da água bruta, da capacidade da ETA, dos produtos químicos usados e do tipo de tecnologia, podem ser gerados RETAs com características diversas, o que dificulta a extrapolação de dados de uma situação para outra. Vale dizer que, em cada caso, é preciso coletar amostras nas unidades que geram os resíduos e caracterizá-los qualitativa e quantitativamente. Informações podem ser obtidas em estudo dos dados de registros operacionais de ETAs existentes. Obviamente, devem ser realizados estudos nas unidades das ETAs com vista à diminuição da quantidade de lodo, pois as Estações de Tratamento dos Resíduos – ETRs apresentam custos relativamente elevados de implantação, operação e manutenção. Finalmente, o leitor deve estar ciente da existência de inúmeras técnicas para tratar os RETAs e, em cada caso, é preciso efetuar comparação de diferentes alternativas, levando em conta todos os custos envolvidos, além de haver necessidade de pessoal qualificado para operar e manter a ETR em funcionamento. A Figura 1.3 apresenta um esquema do SIT – sistema integrado de tratamento da água e dos resíduos gerados, que considera a comunidade e o meio ambiente. Nesta figura pode ser visto que há relação intrínseca entre as tecnologias de tratamento viáveis do ponto de vista tecnológico e aquelas, também viáveis, de tratamento dos resíduos. Como são diversas as alternativas – tanto para tratamento de água quanto para tratamento dos resíduos – é preciso dispor de dados confiáveis para a elaboração dos projetos das várias ETAs e das ETRs, quantificar seus custos de implantação e os de operação e manutenção por um período de projeto não inferior a 20 anos, além de atentar para os impactos no meio ambiente e a influência da comunidade na seleção final das tecnologias da ETA e da ETR. As maiores dificuldades que geralmente os projetistas encontram para projetar um sistema de tratamento de água integrado, seguindo um caminho racional, estão relacionadas ao: i) desconhecimento da qualidade da água a ser tratada e suas variações horárias, diárias e anuais; ii) desconhecimento da existência de diferentes tecnologias de tratamento de água e dos resíduos; iii) desconhecimento dos fundamentos das tecnologias de tratamento e dos seus funcionamentos; iv) falta de pesquisas que comprovem as aplicações das tecnologias para águas com diferentes características; v) desconhecimento dos produtos químicos disponíveis no mercado, suas características e aplicações; vi) Padrão de Potabilidade em vigor no país; vii) inexistência de parâmetros de projeto obtidos em ensaios de tratabilidade; viii) uso de programas impróprios para estimar os custos de implantação, operação e manutenção de ETAs e ETRs; ix) existência de mão de obra para implementação da tecnologia, operação e manutenção; x) aceitação da tecnologia por parte do contratante, operadores etc. Somente com conhecimento de todos os fatores mencionados será possível elaborar criteriosamente o projeto de um SIT sustentável.

Figura 1.3. Sistema integrado de tratamento de água e dos resíduos gerados (Di Bernardo, 2011).

Referências bibliográficas Di Bernardo, L. (2011). Importância e dificuldades para a implantação de novas tecnologias de tratamento de águas superficiais. In: Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 26., Porto Alegre, RS, Brasil. Anais Eletrônicos... Palestra apresentada no Painel. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE (2008). Plano Nacional de Pesquisa em Saneamento Básico Brasil. Rio de Janeiro: IBGE.

Tecnologias de Tratamento de Água, Caracterização Qualitativa e Quantitativa dos Resíduos

2.1. Introdução O projeto de ETA (Estação de Tratamento de Água) normalmente deve ser baseado em dados de estudos de laboratório, obtidos por meio de instalações constituídas de reatores estáticos ou, preferivelmente, instalações pilotos de escoamento contínuo. Ainda que a qualidade da água bruta seja conhecida, o projetista pode incorrer em graves erro ao selecionar a tecnologia de tratamento ou ao adotar arbitrariamente parâmetros de projeto. Em alguns países tem sido observado não existir relação entre a qualidade da água bruta e a tecnologia de tratamento, com comprometimento da operação da estação, tanto em relação ao consumo exagerado de produtos químicos, quanto à qualidade da água produzida. Di Bernardo et al. (2009) retrataram muito bem os aspectos técnicos, econômicos, ambientais, sociais etc., que envolvem: o meio ambiente e os recursos locais de onde será captada a água bruta e construída a ETA; as tecnologias de tratamento de água disponíveis; os custos e gastos de construção, operação e manutenção e as condições da comunidade para que as tecnologia de tratamento de água selecionadas sejam sustentáveis no que tange aos aspectos técnicos, econômicos e financeiros. Posteriormente, para cada tipo de ETA previamente selecionada, os autores discutiram as diversas tecnologias de tratamento dos resíduos para, finalmente selecionar, a ETA e a ETR (estação de tratamento de resíduos) que além de conduzirem à solução conjunta de menor custo, seja sustentável pela comunidade em questão. A Figura 2.1 apresenta uma visão geral dos aspectos considerados para a seleção prévia das tecnologias de tratamento de água e de tratamento dos resíduos.

Figura 2.1. Visão geral dos aspectos envolvidos na seleção prévia das tecnologias de tratamento de água e de tratamento dos resíduos (Adaptado de Di Bernardo et al., 2009).

A interseção dos círculos que relacionam o ambiente e os recursos locais com o das tecnologias de tratamento de água (área delineada pelos pontos A, D, B, E) da Figura 2.1a indica as possíveis alternativas tecnológicas para reduzir o risco presente na água bruta. A interseção dos círculos que relacionam o

Métodos e técnicas de tratamento e disposição dos resíduos gerados em ETAs

ambiente e os recursos locais com os da comunidade, indica os tipos de riscos que deverão ser considerados (área delineada pelos pontos B, C, D, E). A interseção dos círculos que relacionam a comunidade com as tecnologias de tratamento de água (área delineada pelos pontos B, D, E, F) indica a possibilidade de apropriação das tecnologias de tratamento pelos membros da comunidade. As alternativas a serem previamente selecionadas resultam da inter-relação entre as três áreas consideradas conforme mostrado na Figura 2.1a. Uma vez obtidas as alternativas previamente selecionadas para o tratamento de água, são consideradas as diversas alternativas que podem ser adotadas para o tratamento dos resíduos gerados nas ETAs previamente selecionadas, ou seja, existe dependência intrínseca entre as tecnologias de tratamento de água e as de resíduos e essa dependência precisa ser analisada. A Figura 2.1b mostra a inter-relação entre as tecnologias de tratamento dos resíduos, a comunidade e os aspectos da disposição final. Consideradas as tecnologias de tratamento dos resíduos e a disposição final dos resíduos tratados, a relação entre eles pode ser visualizada na Figura 2.1b por meio da interseção de ambos os círculos (pontos A e B), uma vez que ela engloba todas as técnicas possíveis de serem utilizadas para atender às diferentes condições de disposição. Por outro lado, a consideração dos círculos relativos às tecnologias de tratamento dos resíduos e a comunidade, Pontos E e F, fazem resultar as tecnologias que podem ser apropriadas para comunidade em questão. Da análise conjunta entre as técnicas de disposição final dos resíduos tratados e a comunidade (pontos C e D), resultam as alternativas sustentáveis do ponto de vista ambiental. Por último, se forem considerados conjuntamente os três aspectos, resultarão alternativas sustentáveis, para tratamento e disposição final dos resíduos tratados, dos pontos de vista técnico, ambiental e social. As alternativas para tratamento da água bruta juntamente com as alternativas de tratamento dos resíduos e disposição final dos resíduos tratados precisam ser analisadas do ponto de vista econômicofinanceiro para ser possível obter a solução final. O leitor deve estar atento para o fato que, muitas vezes a solução encontrada pode não ser aquela adotada, pois o estudo econômico-financeiro das alternativas tecnicamente sustentáveis sempre conduz àquela de menor custo global presente (implantação, operação e manutenção) para o período de projeto considerado; mas quando é analisada a disponibilidade de verba para implantação, é adotada a de menor custo de implantação independente dos gastos com operação e manutenção ao longo do período de projeto.

2.2. Tecnologias de tratamento de água Independente de qualquer outra variável, a qualidade da água bruta desempenha papel fundamental para a pré-seleção das tecnologias de tratamento de água tecnicamente factíveis. Este fato, o leitor pode facilmente observar na Figura 2.2, na qual são mostradas fotos de diferentes mananciais usados para abastecimento. É evidente que águas provenientes dessas fontes poderão ser tratadas por diferentes tecnologias e, certamente, irão gerar lodos em quantidade e qualidade totalmente distintas, de onde a necessidade de sua caracterização apropriada. A quantidade e a qualidade dos resíduos produzidos em uma ETA dependem da: i) qualidade da água bruta; ii) tecnologia de tratamento; iii) características da coagulação: tipo e dosagem de coagulante e de alcalinizante ou de acidificante; iv) uso, característica e dosagem do auxiliar de coagulação (floculação ou filtração); v) uso de oxidante; vi) uso de carvão ativado pulverizado; vii) método de limpeza dos decantadores (ou flotadores); viii) método de lavagem dos filtros; ix) habilidade dos operadores; x) automação de processos e operações na ETA e; xi) reuso da água recuperada no sistema de tratamento. O processo de coagulação tem grande importância na geração de resíduos nas ETAs, com exceção das tecnologias de filtração lenta, filtração em múltiplas etapas e na de separação por membranas sem pré-tratamento. O processo de coagulação é a principal diferença entre as tecnologias de ciclo completo e as de filtração direta. Enquanto nas ETAs de ciclo completo a coagulação é predominantemente realizada no mecanismo de varredura (com produção de excesso de precipitados do metal do coagulante), nas de filtração direta a coagulação ocorre no mecanismo de neutralização de cargas das impurezas presentes na água bruta. Por consequência, tanto a massa seca quanto o volume de resíduos gerados nas ETAs de ciclo completo são maiores que aqueles observados nas ETAs de filtração direta. A seguir são feitas

Capítulo 2 – Tecnologias de Tratamento de Água, Caracterização Qualitativa...

algumas considerações sobre o processo de coagulação, mas é recomendado que o leitor acesse referências dos autores para aprofundar seus conhecimentos sobre o tema (Tratamento de Água por Filtração Direta, 2003; Métodos e técnicas de tratamento de água, 2005; Seleção de tecnologias de tratamento de água, 2009; Florações de algas e de cianobactérias: suas influências na qualidade da água e nas tecnologias de tratamento, 2010; Tratabilidade de água e dos resíduos gerados em estações de tratamento de água, 2011).

Figura 2.2. Mananciais superficiais usados para o abastecimento de água.

Em função exclusiva da qualidade da água bruta, as tecnologias de tratamento de água podem ser resumidas em dois grupos, sem coagulação e com coagulação, conforme indicado na Figura 2.3.

Figura 2.3. Classificação geral das tecnologias de tratamento de água.

A água pode conter grande variedade de impurezas, com destaque para partículas coloidais, matéria orgânica dissolvida e organismos em geral, impurezas que por apresentarem carga superficial negativa, impedem que elas se aproximem umas das outras e elas permanecerão no meio líquido, caso suas características não sejam alteradas. Para que as impurezas possam ser removidas, é preciso alterar algumas características da água e, consequentemente, das impurezas, através da coagulação, floculação,

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sedimentação (ou flotação) e filtração. A coagulação depende, fundamentalmente, das características da água e das impurezas presentes, conhecidas através de parâmetros tais como pH, alcalinidade, cor verdadeira, turbidez, temperatura, potencial zeta, condutividade elétrica, tamanho e distribuição de tamanhos das partículas em estado coloidal e em suspensão etc. A coagulação constitui o processo mais importante para a produção de água filtrada com qualidade satisfatória, principalmente quando é aplicada uma das técnicas de filtração direta. A coagulação, quando feita de maneira inadequada, pode acarretar a produção de efluente de má qualidade, mesmo para baixas taxas de filtração. Por sua vez, no tratamento em ciclo completo, a floculação também pode resultar ineficiente e comprometer o desempenho da sedimentação e da filtração. A coagulação é um processo que consiste na desestabilização das partículas coloidais ou neutralização das moléculas de matéria orgânica dissolvida através de dois fenômenos – um químico, no qual acontecem as reações de hidrólise do metal; e outro físico, que consiste no transporte das espécies hidrolisadas ou dos precipitados formados para que haja contato com as impurezas presentes na água. O processo de coagulação é realizado em unidades de mistura rápida, as quais podem ser hidráulicas ou mecânicas. A coagulação é considerada como resultado individual ou combinado da ação de quatro mecanismos distintos: a) compressão da dupla camada elétrica; b) adsorção e neutralização; c) varredura; d) adsorção e formação de pontes. No mecanismo da varredura, as dosagens de coagulante e os valores de pH são relativamente altos, com presença de excesso de precipitados de alumínio ou de ferro [Al(OH)3 (p) ou Fe(OH)3 (p)], que promovem o emaranhamento das impurezas entre eles. A coagulação, devido à neutralização de carga das impurezas, decorre do precipitado com carga positiva ou de espécies hidrolisadas positivas, caracterizando-se por dosagem de coagulante e valores de pH menores que os observados no mecanismo de varredura.

Figura 2.4. Principais caminhos para a coagulação por adsorção-neutralização de carga e por varredura utilizando sulfato de alumínio (Adaptado de AWWA, 1999).

O mecanismo da varredura é intensivamente utilizado nas estações de tratamento de água em que exista floculação e sedimentação (ou flotação) que anteceda a filtração rápida. Geralmente, os flocos obtidos com esse mecanismo são maiores e sedimentam ou flotam mais facilmente que os flocos obtidos com a coagulação realizada no mecanismo de adsorção e neutralização de cargas. Os mecanismos de coagulação por adsorção e neutralização de cargas e por varredura, quando é utilizado o sulfato de alumínio, podem ocorrer segundo os caminhos indicados na Figura 2.4.

Capítulo 2 – Tecnologias de Tratamento de Água, Caracterização Qualitativa...

Na Figura 2.5a é apresentado o diagrama típico de coagulação desenvolvido por Amirtharajah et al. (1982), a partir do diagrama de solubilidade do alumínio e das condições da coagulação – dosagem de sulfato de alumínio × pH de mistura – no tratamento de diferentes tipos de águas naturais e sintéticas, com turbidez relativamente alta se comparada à cor verdadeira. Nas Figuras 2.5b, 2.5c e 2.5d são mostrados diagramas de coagulação com sulfato de alumínio para águas com diferentes características. O diagrama da Figura 2.5a corresponde a uma situação particular que ilustra o uso do diagrama de solubilidade do alumínio, pois as linhas que delimitam as diferentes regiões são alteradas em função das características da água. Com a relação à parte inferior da Figura 2.5a, são fundamentais alguns esclarecimentos. O ponto isoelétrico (PIZ) para o hidróxido de alumínio encontra-se na faixa de pH compreendida entre 7 e 9, dependendo dos íons presentes na água (principalmente os ânions). Nessa figura, foi admitido um valor de pH igual a 8 para o PIZ do hidróxido de alumínio, de forma que o precipitado se torna positivo ou negativo para valores de pH inferiores ou superiores a 8, respectivamente. Na Figura 2.5a existem quatro regiões distintas, caracterizadas pelos pares de valores dosagem de coagulante × pH da mistura, que distinguem os diferentes mecanismos de coagulação e a reestabilização das partículas coloidais. Região 1: ocorre a neutralização de carga das partículas coloidais pelas espécies hidrolisadas positivas de alumínio, que são adsorvidas na superfície dos colóides. Da interação entre tais espécies de alumínio, positivas, e os colóides, negativos, resulta uma curva em que o potencial zeta (negativo) se aproxima de zero, em valor de pH da ordem de 4,8, caracterizando o ponto isoelétrico dos colóides recobertos com espécies hidrolisadas de alumínio. É evidente que, se o pH de 4,8 for mantido constante, a dosagem de sulfato de alumínio poderá variar de aproximadamente 3 a 70 mg/L. Região 2: seja, por exemplo, a dosagem de sulfato de alumínio naquela faixa mencionada (3 a 70 mg/L) e pH = 4,8. Se o pH fosse diminuído, as partículas recobertas apresentariam PZ negativo e a dispersão coloidal permaneceria estabilizada. Mas, com aumento do pH (maior que 4,8), o PZ se torna positivo; também os colóides recobertos com espécies hidrolisadas de alumínio se tornam positivos, caracterizando o fenômeno da reestabilização. Para um valor de pH fixo, igual a 6, por exemplo, existe uma relação estequiométrica entre a concentração da dispersão coloidal e a dosagem de sulfato de alumínio, que faz surgir as linhas A, B, C etc., que delimitam a parte inferior da região de reestabilização. A desestabilização, que causa o aparecimento da delimitação superior da região de reestabilização, tem sido creditada à presença de íons SO24  e ao aprisionamento dos colóides reestabilizados em complexos de sulfato do tipo Al(H 2O)SO 4 . Região 3: considerando, na Figura 2.5a, uma dosagem de sulfato de alumínio igual a 10 mg/L nota-se que, a partir do pH = 4,8, a curva resultante da interação entre as espécies hidrolisadas positivas de alumínio e as partículas coloidais, atinge um valor de PZ máximo (reestabilização); a qual diminui com o aumento do pH, até que o ponto isoelétrico seja novamente atingido em um valor de pH em torno de 6,8 (para a dispersão coloidal considerada). Isto é devido à presença de hidróxido de alumínio com carga positiva. Para dosagens de sulfato de alumínio compreendidas entre cerca de 3 e 30 mg/L, existe uma região conhecida por “corona”, na qual o mecanismo de coagulação é devido à neutralização de carga pelo hidróxido de alumínio positivo. Essa região é considerada ideal para a coagulação para uma das tecnologias de filtração direta. Região 4: geralmente, para valores de pH entre 6 e 8, com dosagens superiores a cerca de 30 mg/L, tende a ocorrer a formação excessiva de precipitados (hidróxido de alumínio), de forma que as partículas coloidais são neles aprisionadas, caracterizando o mecanismo da varredura, cuja região – delimitada pelos pares de valores dosagem de coagulante × pH de coagulação – é relativamente ampla para a mesma

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eficiência de remoção de turbidez. A coagulação realizada nesse mecanismo é aquela recomendada no tratamento em ciclo completo, com coagulação, floculação e sedimentação (ou flotação) antes da filtração, pois os flocos obtidos são facilmente removidos nos decantadores e flotadores.

Figura 2.5. Diagramas de coagulação para águas com diferentes características. (a) Adaptado Amirtharajah et al. (1982); (b) Adaptado de Pavanelli (2001).

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