Lodo de ETA: é possível adensá-lo através de flotação por ar dissolvido?

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Os resultados apresentados no decorrer do estudo a seguir demonstram que o emprego do processo de adensamento por flotação por ar dissolvido utilizando polímero catiônico na floculação são satisfatórios, tornando a tecnologia apta a fazer parte do processo de adensamento de lodos de ETA.

Paulo Weber Valcorte e Keila Fernanda Soares Hedlund, mestrandos da UFSM – Universidade Federal de Santa Maria; e Elvis Carissimi, prof. da UFSM

Data: 22/06/2017

Edição: Hydro Maio 2017 - Ano XI - N^o 127

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A água utilizada para o consumo humano é captada de mananciais, os quais são devidamente analisados, para que atendam às condições quanto a parâmetros físico-químicos e microbiológicos (Portaria 2914/2011). Para atender a esses parâmetros e adequar a qualidade da água bruta é realizado um tratamento prévio antes da distribuição para a população. O tratamento convencional de água consiste nas seguintes unidades: captação, adução, estação de tratamento de ciclo completo, reservação e redes de distribuição.

Na ETA – estação de tratamento de água o processo de tratamento é realizado para que a água se torne apta para o consumo humano. Os principais métodos utilizados são a coagulação e/ou floculação, sedimentação ou flotação, filtração e desinfecção.

O tratamento da água bruta realizado por ETAs convencionais acumula resíduos nos decantadores e filtros. O lodo acumulado nos decantadores varia de 60% a 95% do total de resíduos gerados em uma ETA. Os resíduos dos decantadores podem variar muito em relação ao teor de sólidos, devido ao tipo de separação sólido-líquido, modo de descarga e a frequência de limpeza.

O lodo gerado no tratamento da água é um grande problema, principalmente quando sua destinação for feita de maneira incorreta nos mananciais hídricos. As ETAs necessitam se adaptar para a correta destinação do lodo produzido durante o tratamento. Contudo, devido à característica diferenciada dos lodos das ETAs, são necessários estudos e ensaios em laboratório antes de empregar qualquer tipo de produto ou método de tratamento.

No tratamento do lodo um dos maiores desafios é a redução de seu volume. A remoção da maior parcela de água do lodo ocorre na etapa de adensamento, posteriormente a desidratação concentra ainda mais os sólidos do lodo e, por fim, a destinação final propõe alternativas de disposição.

Entre as técnicas de adensamento de lodos, a FAD – flotação por ar dissolvido destaca-se pela eficiente concentração de sólidos, o que estabelece uma melhora no tratamento de lodo e em seu destino final.

Objetivos

O objetivo deste estudo é avaliar a eficiência do adensamento de lodo de ETA através da flotação por ar dissolvido.

Como objetivos específicos são avaliados:

• A eficiência de adensamento do lodo de ETA em escala de bancada, através do monitoramento da concentração de sólidos totais (ST) e turbidez remanescente da água clarificada.
• As condições operacionais de flotação por ar dissolvido (pressão de saturação).
• Análise do processo de sedimenta- ção comparativamente com a flotação.

Fundamentação teórica

Resíduos sólidos gerados na ETA

Os RETAs – resíduos sólidos de estações de tratamento de água, as quais têm ciclo completo, apresentam geração de lodo essencialmente na limpeza dos decantadores ou flotadores e nas lavagens dos filtros. No entanto, existem outras unidades da ETA que também produzem resíduos (câmaras de floculação, câmara de pré-oxidação, de adsorção e pós-desinfecção, etc.). Segundo Di Bernardo et al. [1], é fundamental o conhecimento das variações da qualidade dos resíduos e a realização de ensaios de tratabilidade, antes de empregar qualquer método ou técnica de tratamento no lodo gerado.

Processos de adensamento de lodos

O adensamento é um processo que consiste em aumentar o teor de sólidos do lodo, e com isso reduzir seu volume, em razão da grande quantidade de água. O processo pode aumentar, por exemplo, o teor de sólidos de 1% para 5%. Dessa forma, as unidades subsequentes, tais como a digestão, desidratação e secagem, beneficiam-se da redução de volume. Entre os métodos de adensamento possíveis, destacam-se: sedimentação; gravidade; flotação por ar dissolvido; e adensadores mecânicos.

FAD – flotação por ar dissolvido

O sistema de flotação por ar dissolvido funciona a partir de um processo onde microbolhas são geradas na câmara de saturação, de forma que essas bolhas incorporem-se no interior dos flocos ou por arraste hidráulico. Esses flocos e microbolhas apresentam uma densidade aparente menor que o meio aquoso onde se encontram, o que assegura, por empuxo, sua fl otação até a superfície do flotador, onde são removidas.

O emprego do sistema de flotação por ar dissolvido vem sendo utilizado em grande escala nos últimos 50 anos. No entanto, ainda há muitas lacunas para serem preenchidas havendo necessidade de pesquisas para otimização do processo, bem como aumento do nível de segurança e qualidade, fazendo crescer a eficiência na clarificação, diminuição do tempo de floculação e também na questão de custos de investimento e operação.

A FAD possui uma grande aplicação no adensamento de minérios e rejeitos de mineração, e com uma série de vantagens em relação à cinética, operação e redução de custos quando comparada com processos convencionais de centrifugação, filtração, oxidação, decantação e fluoretação. Embora o processo esteja consolidado nas áreas de mineração e metalurgia, vem se tornando viável no tratamento de águas residuais, graças ao desenvolvimento de diversos dispositivos e tecnologias.

Quanto ao tratamento de lodos por adensamento, verifica-se eficiente concentração de sólidos totais, o que estabelece uma melhora no tratamento de lodo e no destino final desses resíduos. Em estudos realizados por Patrizzi et al. [2] foram comparados os processos de adensamento por sedimentação e por flotação para o tratamento do lodo proveniente de decantadores. Os resultados indicam maior eficiência para FAD em termos qualitativos, com uma concentração de sólidos 36% superior.

Segundo Realli [3], as principais vantagens da flotação em relação à sedimentação são: o lodo produzido apresenta elevado teor de sólidos em suspensão, precedido de unidades adicionais de adensamento de lodo; na maior parte dos casos requer menores dosagens de coagulantes; requer tempos de floculação da água significativamente menores em relação à sedimentação, resultando em unidades de floculação menores; e pode promover arraste de substâncias voláteis porventura presentes na água a ser tratada.

De acordo com Edzwald et al. [4], resultados obtidos em função do tempo de floculação mostraram uma boa relação no desempenho FAD (escala piloto) com alta carga hidráulica e baixos tempos de floculação (5 a 10 minutos). Realli destaca que a distribuição do tamanho das bolhas geradas em uma unidade de FAD está relacionada basicamente à taxa de aglutinação. Referente a isso o autor relata que o fenômeno da aglutinação depende da taxa de colisão entre as bolhas, além das características de suas superfícies e do líquido em torno delas (tensão superficial do líquido, rigidez das paredes das bolhas e dupla camada). Ele ainda comenta que, para os resultados alcançarem a melhor eficiência, a faixa de tamanho das microbolhas usualmente utilizada varia de 10 a 120, estabelecendo um diâmetro médio das bolhas de 40 a 60 μm.

Experimental

As amostras de lodo utilizadas no presente trabalho foram coletadas em uma ETA da região central do Estado do Rio Grande do Sul, proveniente do tanque de contenção, localizado após a saída do decantador. Todos os procedimentos experimentais foram realizados no Laboratório de Engenharia e Meio Ambiente da UFSM – Universidade Federal de Santa Maria.

No processo de adensamento foi utilizado polímero catiônico com muita baixa densidade da carga, com dosagens que variaram de 0 a 5,5 mg pol/g SST. Para a adição e mistura do polímero nos ensaios de adensamento foram seguidas as programações realizadas no Teste de Jarros, com agitação rápida de 10 segundos a 436 rpm (posterior a adição do polímero), mais agitação lenta de 51 rpm por 1 minuto. Após a floculação realizada no Teste de Jarros o lodo foi cuidadosamente transferido para a coluna de sedimentação ou de flotação, dependendo do processo de adensamento realizado.

eficiência do processo de adensamento do lodo foi monitorada através do teor de sólidos totais no lodo adensado e turbidez da água clarificada. A metodologia de análise seguiu o descrito no Standard Methods for the Water and Wastewater Treatment [5].

Unidade experimental – FAD

Utilizou-se um equipamento de flotação por ar dissolvido em escala de bancada com capacidade de 2 L (figura 1). O saturador de bancada é ligado a um compressor, o qual injeta ar comprimido no interior do saturador para que a água na qual ele foi preenchido seja saturada. A pressão era controlada por meio de um manômetro e pela válvula de controle, a qual liberava o ar que saía do saturador para regular a pressão.

Após a água ser saturada na pressão desejada, a válvula de saída era aberta e a água saturada com microbolhas de ar entrava em contato com a amostra. Os estudos de flotação em bancada foram realizados com pressões de saturação (Psat) variando entre 0,5, 0,55 e 0,6 Mpa (ou 5, 5,5 e 6 atm) e taxa de recirculação (R) de 40%. A duração do ensaio de adensamento por FAD foi de no máximo 30 minutos ou até que a frente de clarificação permanecesse constante.

Na célula de flotação, para cada repetição do ensaio, era adicionado 1 L da amostra de lodo já floculada, abria-se a válvula agulha de saída da água saturada, que ao entrar em contato com a amostra, o nível da célula de acrílico aumentava, a qual era fechada no momento em que atingisse a taxa de recirculação requerida (40%). A figura 2 ilustra um ensaio de adensamento por flotação a ar dissolvido em flotador de bancada, com polímero catiônico e taxa de reciclo de 40%.

Sedimentação

O ensaio de adensamento por sedimentação foi realizado em proveta de 1 L, devidamente graduada. Após adição dos agentes floculantes e agitação do lodo, conforme parâmetros determinados, deu-se início ao ensaio de adensamento. A duração do ensaio foi de 360 minutos, onde a frente de clarificação permaneceu aproximadamente constante.

Nos ensaios de adensamento por sedimentação a dosagem utilizada do polímero catiônico com muito baixa densidade da carga variou entre 0 e 4,5 mg pol/g SST. A realização dos ensaios pode ser observada na figura 3.

Resultados

Eficiência do adensamento do lodo da ETA através do monitoramento da turbidez remanescente da água clarificada e concentração de sólidos totais

Para avaliar o desempenho do adensamento por flotação a ar dissolvido sem a utilização de polímeros foram realizados ensaios com taxa de reciclo de 30%, 50% e 100% com pressão de saturação de 6 atm, mas os ensaios resultaram em pequena camada de material flotado e maioria dos sólidos sedimentados no fundo do jarro, como pode ser observado na figura 4, com indicação para as camadas de lodo sedimentado e flotado.

A utilização de polímero nos ensaios de flotação auxilia significativamente tanto na concentração de sólidos quanto na diminuição da turbidez da água clarificada. A figura 5 ilustra visualmente as diferenças entre o lodo bruto sem a adição de polímero (antes do processo de adensamento) e o lodo no processo de flotação, com uma dosagem de polímero catiônico de 4,5 mg pol/g SST e taxa de reciclo de 40%.

Percebe-se nitidamente uma clarificação da água, resultando em uma menor turbidez do clarificado, evidenciando-se a necessidade de utilizar polímeros no processo de floculação do lodo, para posteriormente ser realizado o seu adensamento.

Nos ensaios de adensamento por flotação utilizando diferentes dosagens de polímero catiônico apenas para as dosagens de 4,5 e 5 mg pol/g SST resultaram em flotação completa do lodo floculado. Esse fato pode ser explicado devido ao excesso de polímero, que pode aumentar a viscosidade do meio líquido, o que potencializa as forças de resistência ao arraste, dificultando o processo de flotação, e consequentemente leva os flocos à sedimentação, contudo baixas dosagens de polímeros podem não formar flocos suficientemente grandes para promover o arraste do material a superfície. Essas dificuldades foram evidenciadas para as dosagens de 4 e 5,5 mg pol/g SST, sendo verificada a formação de sedimentado no fundo do jarro após o adensamento por flotação.

A turbidez da água clarificada e o teor de sólidos no lodo adensado, resultante dos ensaios de adensamento por FAD são observados na tabela I, onde foram analisados os parâmetros para todos os ensaios realizados, mesmo os que não apresentaram resultado satisfatório na completa flotação do lodo. O menor valor da turbidez remanescente (6,6 NTU) deu-se pela dosagem de 4,5 mg pol/g SST, sendo que para o aumento das dosagens os valores de turbidez aumentaram constantemente.

Com relação ao maior teor de sólidos, isso foi devido às dosagens de 4,5 e 5 mg pol/g SST, com 4,63% e 5,11%, respectivamente. O teor inicial de sólidos no lodo bruto, sem qualquer tratamento empregado, foi de 1,91%. Pode-se perceber que para todos os tratamentos houve uma concentração de sólidos superior à inicial, mesmo para a flotação sem a utilização de qualquer tipo de polímero, com teor de sólidos de 3,33; 3,57; e 3,85 para as taxas dereciclo de 30%, 50% e 100%, respectivamente.

Dentre os tratamentos que empregaram alguma dosagem de polímero, a dosagem de 5,5 mg pol/g SST apresentoumenor teor de sólidos, o que pode ser explicado devido ao fato de a maior parte do lodo ter sedimentado no fundo do jarro, assim o material flotado apresentou maior espaço de vazios e, consequentemente, mais água entre os flocos de lodo adensado.

Condições operacionais de FAD (Pressão de saturação)

Para os ensaios que avaliaram a pressão de saturação, a dosagem do polímero e a taxa de reciclo mantiveram-se fixadas em 4,5 mg pol/g SST e 40%, as pressões estudadas foram de 5, 5,5 e 6 atm. Dessas, o ensaio que apresentou resultado satisfatório foi a pressão de 6 atm, pois ao término do ensaio de adensamento não foi evidenciada a formação de material sedimentado no fundo do jarro de flotação, resultando também menor turbidez remanescente para a água clarificada (4,47 NTU) e maior teor de sólidos no lodo adensado (4,89%).

Comparação entre o espessamento por FAD e sedimentação

Os resultados referentes à turbidez remanescente da água clarificada para o adensamento por sedimentação podem ser analisados na tabela II. Observa-se que para todos os tratamentos que utilizaram polímeros, houve redução da turbidez, em comparação com o tratamento com dosagens de 0 mg pol/g SST (sem polímero). Pode-se observar que com o aumento da dosagem do polímero há uma diminuição da turbidez remanescente, com melhor eficiência para a dosagem de 4,5 mg pol/g SST, resultando em turbidez de 10,4NTU.

Na tabela II também estão os resultados referentes aos ensaios de flotação para os melhores resultados sem e com a adição de polímero (0 e 4,5 mg pol/g SST). Nota-se que quando não há a adição de polímero a sedimentação obtém resultados superiores à flotação, tanto para a água clarificada quanto para a concentração de sólidos.

Entre o melhor resultado obtido nos ensaios de adensamento por flotação e sedimentação é possível observar que a menor turbidez remanescente da água clarificada ocorreu na flotação, com turbidez de 4,47 NTU, para dosagem de 4,5 mg pol/g SST (R = 40% e Psat = 6 atm), em comparação com a sedimentação (dosagem de 4,5 mg pol/g SST), que resultou em turbidez de 10,4 NTU.

Com relação ao teor de sólidos no lodo adensado percebe-se que a sedimentação resultou em lodo mais concentrado, com sólidos na ordem de 5,47% (para dosagem 2 mg pol/g SST), em relação à flotação (4,89%). Para a sedimentação, contudo, a maior concentração de sólidos não corresponde à dosagem com menor turbidez remanescente. Salienta-se que a diferença na porcentagem de sólidos nos processos de adensamento com melhor resultado, para a sedimentação e para a flotação, é de 10,6%, o que representa uma concentração de sólidos de apenas 580 mg.L^-1, superior para o adensamento por sedimentação.

Conclusões

Conforme os resultados apresentados no decorrer deste trabalho, foi possível demonstrar que o emprego do processo de adensamento por flotação por ar dissolvido, utilizando polímero catiônico na floculação, é bastante satisfatório, mostrando ter potencial para ser fazer parte do processo de adensamento de lodos de ETA.

Observa-se que há uma eficiência no adensamento do lodo da ETA com a aplicação do processo de FAD, com a redução da turbidez da água clarificada e concentração de sólidos totais, ou seja, há uma melhor qualidade no lodo tratado, com maior concentração de sólidos totais no lodo adensado e, consequentemente, uma menor concentração de sólidos na amostra líquida (água clarificada).

Das condições operacionais avaliadas, para a pressão de saturação, nota-se que há uma pressão na qual o resultado é consideravelmente superior em relação às outras pressões, no caso, 6 atm. Além de uma flotação completa do lodo floculado, houve um menor valor da turbidez remanescente da água clarificada e maior teor de sólidos na amostra.

A comparação realizada entre o adensamento FAD e por sedimentação demonstrou que a eficiência do processo de FAD é alta, visto que seu tempo de execução é muito menor se comparado ao da sedimentação, e também por apresentar resultados mais satisfatórios, com menor turbidez para a água clarificada, e concentração de sólidos totais praticamente equivalente no lodo adensado.

Ficou evidente que o emprego de qualquer técnica de adensamento, seja a sedimentação ou a flotação, apresentam resultados mais satisfatórios, quando se fez uso do polímero catiônico de muito baixa densidade de carga.

Ressalta-se a necessidade de realizar estudos mais aprofundados sobre o adensamento de lodo por flotação a ar dissolvido, avaliando menores taxas de recirculação e custos energéticos para a realização do processo.

Referências

1. Di Bernardo, L.: Tratabilidade de água e dos resíduos gerados em estações de tratamento de água. São Carlos, 2011.
2. Patrizzi, L. J.; Reali, M. A. P.; Cordeiro, J. S.: Redução de volume de lodo gerado em decantadores de estação de tratamento de água utilizando espessamento por flotação e por gravidade. Anais... In: XX Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Rio de Janeiro, 1999.
3. Realli, M. A. P.: Concepção e avaliação de um sistema compacto para tratamento de águas de abastecimento utilizando o processo de flotação por ar dissolvido e filtração com taxa declinante. São Carlos: Escola de Engenharia de São Carlos, 1991. Tese de Doutorado em Hidráulica e Saneamento – Universidade de São Paulo, 1991.
4. Edzwald, J. K.: Dissolved air flotation: Laboratory and pilot plant investigations. USA: AWWA Research Foundation and American Water Works Association, p. 107, 1992.
5. APHA; AWWA; WPCF.: Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 22th ed. Washington D.C.: American Public Health Association, 2012, 1153 p.