1 Introdução

A geração de resíduos provenientes das impurezas presentes na água bruta durante o processo de produção de água potável, bem como do uso de substâncias que contribuem para a purificação da mesma, é um dos grandes obstáculos enfrentados pelas Engenharias Sanitária e Ambiental. Isso se deve ao fato de que o lodo gerado a partir da floculação das partículas e acumulado no processo de decantação é caracterizado, de acordo com a Norma ABNT NBR 10.004 (ABNT, 2004), como resíduo sólido, o que torna ilegal seu despejo em corpos hídricos. Além de ser extremamente contaminante em razão da presença de sais de ferro e alumínio nos coagulantes e da carga orgânica proveniente da água bruta, o lodo é também problemático do ponto de vista econômico, tecnológico e ambiental (FRANCO et al., 2017; GONÇALVES et al., 2017).

No Brasil, grande parte das Estações de Tratamento de Água (ETAs) se encontram inadimplentes com relação ao descarte correto dos rejeitos, realizando-o na rede de esgotamento sanitário ou em cursos d’água próximos às estações de tratamento. Segundo Barroso (2009), menos de 0,5% das ETAs do país possui sistemas de remoção de água do lodo e/ou recuperação de água de lavagem de filtros e, na maioria delas, os operadores relatam a existência de problemas operacionais devido às condições precárias de trabalho.

Dentre as características físico-químicas do lodo de ETAs, a concentração de metais presentes é um dos fatores que influencia no alto potencial tóxico desses resíduos. Tal potencial também depende das reações químicas sofridas durante o tratamento da água, forma e tempo de retenção, composição e impureza dos coagulantes, características do curso d’água e outros produtos químicos que são usados no processo (BARROSO; CORDEIRO, 2001).

Face ao exposto, é pertinente o estudo do lodo, o qual, segundo Barbosa et al. (2000) e Gonçalves et al. (2017), pode inferir toxicidade aos organismos aquáticos e, quando lançado in natura, aumentar a degradação dos corpos hídricos. Além disso, é importante considerar que esses efluentes apresentam altas concentrações de sólidos totais, elevada turbidez, alta demanda química de oxigênio (DQO), alterações de coloração, arranjo químico da biota aquática e fatores agravantes para eventual assoreamento, além da presença de metais. Todavia, muitos acreditam que a maior parte dos lodos de decantadores e resíduos de filtração são provenientes da água bruta e precisam retornar à origem. Apesar de tal fato fazer sentido em termos de carga total, geralmente os teores dos sólidos são mais significativos que os encontrados em água bruta.

A Deliberação Normativa (DN) do Conselho Estadual de Política Ambiental (COPAM) do estado de Minas Gerais nº 153/2010, vigente desde 26 agosto de 2010, prevê que as ETAs realizem estudos para o dimensionamento da Unidade de Tratamento de Resíduos (UTR). A UTR tem como finalidade inibir o descarte do lodo in natura no meio ambiente, evitando tais transtornos à sociedade. De acordo com a DN, “[…] ETAs com capacidade de tratamento superior a 20 L.s^-1até 100 L.s^-1, devem formalizar, até dezembro de 2020, o processo de regularização ambiental da ETA com a UTR” (ABES, 2013). Com efeito, a ETA Funil, por possuir vazão nominal de 36 L.s^-1, fica obrigada a tratar e destinar corretamente os resíduos produzidos. Nesse contexto, objetivou-se neste estudo estimar a produção de lodo na ETA Funil, utilizando equações empíricas obtidas por meio de consulta em literatura especializada.

2 Metodologia

A ETA Funil localiza-se em Cachoeira do Campo, distrito do município de Ouro Preto/MG, e pertence à autarquia Serviço Municipal de Água e Esgoto (SEMAE). Essa estação adequa-se ao modelo padrão convencional de tratamento de água, empregando o sulfato de alumínio como principal coagulante químico. O lodo depositado no fundo dos decantadores - retangulares e de fluxo horizontal - é lançado por gravidade por meio de um emissário no canal do Rio Funil.

A quantificação do lodo na forma de sólidos totais e voláteis gerados no tratamento da água na ETA Funil deu-se a partir da utilização de equações empíricas encontradas na literatura, e os dados de entrada - dados operacionais da ETA Funil - foram cedidos pelo SEMAE para os anos de 2012, 2013 e 2014, dispostos em planilhas de controle e registros que contemplam a vazão de entrada da água, a dose do coagulante, a turbidez, a cor e o pH, tanto da água bruta como da água tratada, em intervalos de 2 horas.

Constatou-se que alguns dos dados diários apresentavam falhas nos valores transcritos ou não havia o preenchimento dos mesmos. Assim, os dados incoerentes e inconstantes foram descartados, considerando-se apenas os intervalos que continham todos os parâmetros preenchidos adequadamente. Desse modo, não foi possível realizar os cálculos para todos os intervalos do dia. Como solução para o problema, considerou-se apenas o total de intervalos no mês que apresentaram todos os parâmetros preenchidos e coerentes.

Algumas equações utilizadas neste estudo dependem da dose correta do coagulante para o tratamento da água, a qual está diretamente relacionada com a turbidez. Para tal, foram utilizadas as estimativas da dose correta de acordo com os resultados obtidos por Franco (2009), que obteve a curva de doses ótimas (Figura 1) do coagulante sulfato de alumínio de acordo com a turbidez da água bruta para a ETA Funil por meio de ensaios de bancada com o Jar Test. A utilização dessa curva é de grande importância, pois torna possível a aplicação de doses pontuais do coagulante, evitando, assim, o excesso de doses, reduzindo o volume de resíduo sólido gerado e aumentando a eficiência do tratamento.

Figura 1.
Faixas de turbidez e suas respectivas doses ótimas do coagulante sulfato de alumínio para a ETA Funil
Fonte: Os autores (2016)

Os valores de turbidez utilizados neste estudo foram obtidos por meio da média aritmética da turbidez, obtida em amostras presentes nos decantadores 1 e 2 da ETA Funil, subtraindo-se desta o resultado da turbidez obtida na amostra água bruta. A produção de massa seca (sólidos totais) foi calculada para um intervalo de 2 horas, possibilitando realizar o somatório dos intervalos de cada dia e posteriormente para cada mês.

Na execução dos cálculos foram considerados os valores de turbidez da água bruta entre 50 e 1.000 uT, pois, para valores abaixo de 50 uT, não existe etapa de coagulação. Já quando os valores de turbidez da água bruta ultrapassam 1.000 uT nas ETAs, o tratamento é interrompido pois a grande quantidade de sólidos grosseiros que entra na estação pode prejudicar as etapas do tratamento.

A quantificação do lodo na forma de sólidos totais foi realizada por meio de equações que apresentavam somente a turbidez como variável (Equação 1 e 2), e equações que apresentavam a turbidez, a dose e o fator K - relação estequiométrica na formação do precipitado de hidróxido - como variáveis (Equação 3 e 4). As equações utilizadas estão descritas a seguir:

• American Water Works Association – AWWA, 1996, apudRibeiro, 2007:

• Franco, 2009:

• Kawamura, 1991, apudReali, 1999:

• Franco, 2009:

(Equação 4)

Para todas as equações supracitadas, considera-se: P como a produção de sólidos expressa em toneladas (ton); T é a turbidez dada em unidade de turbidez (uT); K é a relação estequiométrica na formação do precipitado de hidróxido que, para o sulfato de alumínio, é de 0,25; D é a dose do coagulante expressa em miligramas por litros (mg.L^-1) e varia de acordo com o valor de turbidez, conforme Franco (2009) (para 0 < T ≤ 50, D=15; 50 < T ≤ 100, D=20; 100 < T ≤ 300, D=25; 300 < T ≤ 400, D=30; 400 < T ≤ 500, D=35).

Ademais, foram utilizadas equações para a estimativa da quantidade de lodo gerado nos decantadores levando-se em consideração a volatilização da matéria orgânica. Para tal, avaliou-se a quantidade de sólidos voláteis tendo a turbidez como único parâmetro (Equação 5), e, posteriormente, fez-se uso de uma equação que engloba a turbidez, a relação estequiométrica na formação do precipitado de hidróxido e a dose do coagulante (Equação 6).

Franco, 2009:

Franco, 2009:

(Equação 6)

Sendo Psv a produção de sólidos voláteis expressa em toneladas (ton).

Para o desenvolvimento dos cálculos e obtenção dos gráficos foram utilizados a ferramenta VBA (Visual Basic for application) e o software Excel 2010. A partir de um módulo criado no VBA foram desenvolvidas as equações apresentadas anteriormente, e elas foram compiladas e salvas no Excel, otimizando o desenvolvimento da pesquisa.

Após a determinação dos sólidos totais e voláteis foi escolhida a modelagem que mais se adequava à realidade da ETA Funil. A partir disso, foi possível propor a técnica mais eficaz para o tratamento e disposição final do lodo gerado, ponderando-se sobre as peculiaridades da ETA em estudo.

3 Resultados e discussões

No ano de 2012, conforme apresentado na Tabela 1, os resultados obtidos a partir das Equações 1 e 2, que não possuem a dose de coagulante como parâmetro, evidenciam que a aplicação da Equação 2 resultou em uma maior produção de sólidos totais. Entre os resultados obtidos por meio da aplicação das Equações 3 e 4, que possuem a dose de coagulante como parâmetro, observa-se que a aplicação da Equação 4 resultou em uma produção de lodo, no mínimo, 40% maior que a resultante da aplicação da Equação 3. No que se refere às Equações 5 e 6, que quantificaram os sólidos voláteis sem e com dose de coagulante, respectivamente, a aplicação da Equação 6 resultou numa produção de lodo superior ao dobro do lodo produzido pela aplicação da Equação 5.

Para o ano de 2013, conforme apresentado na Tabela 2, os resultados foram semelhantes aos encontrados para o ano de 2012. A Equação 2 resultou em uma maior produção de sólidos totais, exceto para os meses de julho, agosto e setembro. Entre os resultados obtidos por meio da aplicação das Equações 3 e 4, a produção de lodo, aplicando-se a Equação 4 foi, no mínimo, 60% maior que a resultante da aplicação da Equação 3. Na quantificação dos sólidos voláteis, assim como em 2012, a aplicação da Equação 6 resultou numa produção de lodo superior ao dobro do lodo produzido pela aplicação da Equação 5.

Os resultados para o ano de 2014 (Tabela 3) confirmam a influência do coagulante na determinação dos sólidos totais e voláteis. A aplicação da Equação 2 – em que apenas a turbidez é parâmetro – resultou, no mínimo, em uma produção 23% maior de sólidos totais, exceto para os meses de junho, agosto, setembro e novembro. A Equação 4, considerando a dose do coagulante como parâmetro, resultou em uma produção de lodo, no mínimo, 107% maior que a resultante da aplicação da Equação 3. No que se refere às Equações 5 e 6, a aplicação da Equação 6 resultou numa produção de lodo, no mínimo, 314% maior que a produção de lodo produzido pela aplicação da Equação 5. O mês de dezembro não foi considerado nos cálculos, uma vez que as planilhas com os respectivos dados não foi disponibilizada pelo SEMAE.

Como a ETA Funil utiliza o coagulante sulfato de alumínio para decantação dos sólidos, a estimativa da produção de sólidos fixos foi realizada por meio da aplicação das Equações 4 e 6. Subtraindo-se os resultados da Equação 4, que representam os sólidos totais, pelos resultados da Equação 6, que contabiliza a parcela da matéria orgânica perdida por volatilização, obteve-se um total de 5.577,35 toneladas de sólidos fixos para o ano de 2012; 6.280,1 toneladas para o ano de 2013; e 163,25 toneladas para o ano de 2014 (Tabela 4). Ressalta-se, neste caso, a importância da Equação 6, haja vista que a mesma contabiliza a perda de matéria orgânica por volatilização, permitindo, assim, um dimensionamento adequado de leitos de secagem, evitando a ocorrência de superdimensionamentos.

Na quantificação dos sólidos totais, utilizando-se como parâmetro de entrada a dose do coagulante, constatou-se que a modelagem de Franco (2009) superestima a de Kawamura (1991) em todos os anos considerados. Franco et al. (2017), em trabalho realizado no ano de 2011, mesmo encontrando uma maior produção de lodo por meio da aplicação da Equação 3 em relação a Equação 4, não recomendam a mesma para os projetos de dimensionamento da UTR da ETA Funil pois ela não é específica, enquanto a Equação 4 foi desenvolvida baseando-se nas características da ETA, sendo, portanto, mais adequada. Assim, a modelagem mais representativa para a análise quantitativa do lodo na forma de sólidos totais na ETA Funil é a Equação 4, haja vista a utilização mais criteriosa dos parâmetros da ETA, retratando de forma mais precisa a provável estimativa de lodo.

Analisando a produção de sólidos totais, obtida após aplicação das Equações 1, 2, 3 e 4, percebe-se que há variações consideráveis entre as referidas modelagens. Nota-se que as expressões que fazem o uso do coagulante sulfato de alumínio (Equação 3 e 4) apresentaram resultados superiores – no mínimo, 64% maiores – quando comparados às que não utilizam o coagulante (Equação 1 e 2). Quando há um aumento significativo da turbidez, as Equações 3 e 4 são as mais aconselháveis para retratar a quantificação do lodo na estação, uma vez que a dose de coagulante é uma variante dependente do valor de turbidimetria, trazendo mais segurança e confiabilidade em relação aos valores obtidos nas Equações 1 e 2.

Os resultados obtidos nas equações da literatura que utilizam dose do coagulante como parâmetro partem do pressuposto de que a ETA opera em condições de máxima eficiência, aplicando-se doses ótimas de acordo com a turbidez da água bruta. No período de realização do estudo, essas condições não foram vistas na ETA Funil, já que o processo apresentava falhas e ocorria de forma ineficiente. Como exemplo, pode-se citar a falta de capacitação dos operadores para o preparo da solução do sulfato de alumínio, a incorreta estocagem dos produtos químicos e a falta de manutenção dos equipamentos.

Com a determinação dos sólidos voláteis utilizando a dose do coagulante (Equação 6), foi possível analisar e verificar a influência do coagulante na quantificação do lodo gerado na ETA Funil, na qual, a partir de um comparativo com a Equação 5, notou-se que a maior parte dos sólidos totais eram perdidos por volatilização.

Para o dimensionamento da UTR da ETA Funil foi utilizada a produção de sólidos totais do ano de 2013 – a maior do período – que foi obtida pela diferença entre os resultados das Equações 4 e 6. Os parâmetros utilizados para o dimensionamento dos leitos de secagens para ETA Funil estão descritos na Tabela 5, conforme a metodologia de Richter (2001).

A sequência dos cálculos foi:

1) Determinação da massa de lodo precipitada por ano (M_L):

2) Determinação do volume de lodo produzido (δ_L):

(Equação 8)

3) Determinação do volume correspondente (V_L):

4) Determinação da área necessária (A):

5) Dimensões das unidades:

Após a aplicação das Equações 7, 8, 9, 10 e 11, obtiveram-se os seguintes resultados:

• Massa de lodo precipitada por ano: M_L = 6,28 x 106 kg

• Densidade referente ao lodo produzido: δ_L= 1.011,23 kg.m^-3

• Volume correspondente: V_L = 2,48 x 10⁵ m³

• Área necessária: A = 82.666 m².

Para a ETA Funil seriam necessárias vinte unidades com áreas iguais, de forma retangular, sendo a relação comprimento/largura aproximada de 6.

• Área de cada unidade: 4.133 m²

• Largura: 26 m

• Comprimento: 156 m.

4 Conclusões

Conclui-se que o modelo de Franco (2009) é o que mais se aproxima do modelo adequado para a ETA Funil por ser mais representativo para a análise quantitativa do lodo, na forma de sólidos totais na ETA em questão. Com a determinação dos sólidos voláteis, o modelo de Franco (2009) SV (CD) é o que influencia na quantificação do lodo gerado na ETA Funil.

No entanto, recomenda-se que cada estação faça o estudo das características da água bruta a ser tratada, conforme feito na ETA Funil, para que expressões possam ser modeladas de forma a retratar com mais fidelidade a real produção de sólidos nos decantadores, contribuindo com futuros projetos preconizados na DN COPAM nº 153/2010. Essas equações devem ser adaptadas constantemente, visto que as características das águas podem ser alteradas ao longo do tempo, em função do uso e ocupação do solo.

Além disso, dados estão sendo coletados desde 2014 para um futuro estudo que objetiva correlacionar a quantidade de lodo produzido com o maior período chuvoso na cidade de Ouro Preto.

Referências

ABES. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL. COPAM aprova prazos para licenciar UTRs das ETAs. Belo Horizonte: ABES MG, 2013. Disponível em: http://www.abes-mg.org.br/visualizacao-de-noticias/ler/3988/copam-aprova-prazos-para-licenciar-utrs-das-etas. Acesso em: 13 maio 2016.

ABNT. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10.004: Resíduos sólidos – Classificação. Rio de Janeiro: ABNT, 2004.

BARBOSA, R. M. et al. A Toxicidade dos despejos (lodos) de Estações de Tratamento de Água à Daphniasimilis (Cladocera, Crustacea). In: CONGRESSO INTERAMERICANO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 27., 2000, Porto Alegre. Anais […].

BARROSO, M. M. Gerenciamento de resíduos gerados no tratamento de água. Paraná: Universidade Federal de Rondônia (UNIR), Departamento de Engenharia Ambiental, 2009. Disponível em: http://www.engenhariaambiental.unir.br. Acesso em: 20 jun. 2016.

BARROSO, M. M.; CORDEIRO, J. S. Problemática dos Metais nos Resíduos Gerados em Estações de Tratamento de Água. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA, 21, 2001, João Pessoa. Anais […]. João Pessoa: ABES, 2001. 1 CD-ROM.

FRANCO, E. S. Avaliação da influência dos coagulantes sulfato de alumínio e cloreto férrico na remoção turbidez e cor da água bruta e sua relação com sólidos na geração de lodo em estações de tratamento de água. 2009.187 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2009.

FRANCO, E. S. et al. Produção teórica de lodo utilizando o coagulante sulfato de alumínio e dimensionamento de Unidade de Tratamento de Resíduos (UTR) em uma Estação de Tratamento de Água. Vértices, Campos dos Goytacazes, RJ, v. 19, n. 2, p. 61-76, maio/ago. 2017.

GONÇALVES, F. et al. Incremento de lodo de ETA em barreiras impermeabilizantes de aterro sanitário. Revista DAE, v. 65, n. 205, p. 5-14, jan./abr. 2017.

REALI, M. A. P. (coord.). Noções gerais de tratamento e disposição final de lodos de estações de tratamento de água. Rio de Janeiro: ABES, 1999. 240 p.

RIBEIRO, F. L. de M. Quantificação e Caracterização química dos resíduos da ETA de Itabirito, MG. 2007. 115 f. Dissertação (Mestrado em Recursos Hídricos) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2007.

RICHTER, C. A. Tratamento de lodos de estações de tratamento de água. São Paulo: Edgard Blucher, 2001. 102 p.

Notas de autor