Efeito da adição de lodo de estação de tratamento de água (ETA) nas propriedades de material cerâmico estrutural

Effect of the addition of sludge from water treatment plants on the properties of structural ceramic material

Efeito da adição de lodo de estação de tratamento de água (ETA) nas propriedades de material cerâmico estrutural

Effect of the addition of sludge from water treatment plants on the properties of structural ceramic material

S. R.Teixeira; S. A. de Souza; N. R. de Souza; P. Aléssio; G. T. A. Santos

Departamento de Física, Química e Biologia, Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT; Universidade Estadual Paulista - UNESP, Presidente Prudente, SP 19060-080; [e-mail]

RESUMO

O resíduo (lodo) gerado nos decantadores das Estações de Tratamento de Água (ETA) possui composição variada, de acordo com a região onde ela está localizada, com o mês de coleta e com o coagulante usado. Neste trabalho foram feitas caracterizações, física, química e mineralógica, deste lodo e ensaios tecnológicos em corpos de prova, com a finalidade de avaliar a possibilidade de incorporação deste resíduo em massa cerâmica para produção de tijolos. Retração linear, absorção de água, porosidade e massa específica aparente e ensaios de resistência à flexão em corpos-de-prova, com diferentes concentrações de lodo, foram avaliadas. Também, foi avaliado o efeito do tipo de floculante usado na ETA, sobre as propriedades dos corpos-de-prova. A análise mineralógica mostrou que estes lodos apresentaram composição parecida com as das argilas usadas pelas cerâmicas. Em geral, a adição destes materiais à massa cerâmica piorou suas propriedades, entretanto, os valores obtidos para as propriedades tecnológicas ainda permaneceram dentro dos valores limites aceitáveis para a produção de tijolos, dependendo da temperatura de queima e da concentração na mistura. O lodo obtido com floculante à base de alumínio, em geral, prejudicou mais as propriedades cerâmicas do que aqueles à base de ferro. Os resultados indicaram que o lodo de ETA pode ser incorporado à massa cerâmica para produzir material cerâmico.

Palavras-chave: lodo, cerâmica estrutural, tijolo, ETA.

ABSTRACT

The residue (sludge) produced in the decantation ponds of Water Treatment Plants (WTP) has variable composition according to the regional WTP localization, the month of collection and the chemical used to flocculation. In this work the sludge was submitted to physical, chemical and mineralogical characterization. Also, technological trials were realized on ceramic probes to evaluate the possibility of sludge incorporation in ceramic mass used to produce bricks. Linear shrinkage, water absorption, mechanical resistance to flexion, apparent porosity and density were evaluated in samples with different sludge concentration. Also, the effect of the chemical product used by the WTP to flocculate the solid particles on the probe ceramic properties was evaluated. The mineralogical analysis showed that the sludge and the ceramic mass had equivalent composition. As a general rule the sludge incorporation make worse the ceramic properties of the probes. Depending on the temperature of firing and the sludge concentration, the measured values can be in accordance with the limit-accepted values to produce bricks. The sludge flocculated by chemicals with aluminum is more deleterious than that obtained by using chemicals with iron. The results indicated that ETA sludge can be mixed to the raw material to produce massive bricks.

Keywords: sludge, structural ceramic, waterworks, brick.

INTRODUÇÃO

A água fornecida à população de Presidente Prudente pela SABESP (Companhia de Saneamento Básico do Estado de S. Paulo) é captada de mananciais superficial e subterrâneo (poços profundos ou rasos, artesianos e freáticos). A maior parte da água tratada provem de rios da região (Ribeirão Santo Anastácio e Rio do Peixe) que exigem um tratamento mais complexo do que a água captada de manancial subterrâneo pelos poços. Esse tratamento, que é o processo pelo qual a água bruta se torna adequada ao consumo humano, é feito na Estação de Tratamento de Água - ETA. Uma ETA convencional é constituída das seguintes etapas: aeração, eliminação de impurezas grosseiras, pré-cloração, controle de vazão, coagulação, floculação, decantação, filtração, desinfecção, correção de pH e fluoretação. A coagulação é a desestabilização de colóides, ou partículas coloidais com diâmetro entre 0,1 e 0,001 µm. Os principais coagulantes usados são: sulfato de alumínio, policloreto de alumínio, sulfato férrico, sulfato ferroso clorado e cloreto férrico. Nos decantadores os flocos formados são separados da água pela ação da gravidade.

A ETA de Presidente Prudente possui três decantadores que, ao serem lavados, produzem mais de 90 toneladas de resíduos úmidos, por mês. No Brasil, o volume gerado deste lodo é muito grande, sendo que somente no Estado de S. Paulo é de, aproximadamente, 30.000 toneladas/ano [1].

Na época das chuvas a cor da água do rio é marrom devido, principalmente, à erosão do solo com transporte de matéria orgânica e partículas inorgânicas para dentro deste. A parte mais fina do solo, constituída principalmente de argila, silte e areia fina é levada para a estação de tratamento. Enquanto que, a mais pesada precipita provocando o assoreamento do leito do rio e das represas. Portanto, os materiais que precipitam no decantador são constituídos na sua maior parte, por matéria orgânica, material inorgânico fino e produtos químicos usados na coagulação.

Os lodos gerados em ETAs são classificados como resíduos sólidos, devendo portanto, ser devidamente tratados e dispostos sem que provoquem danos ao meio ambiente. Esta preocupação ambiental tem motivado muitos trabalhos sobre possíveis usos destes lodos. Ao sair da ETA o lodo contem mais de 90% de água. Ele pode passar por um processo de desidratação, na qual a concentração de sólidos pode aumentar para, aproximadamente 65%. O lodo desidratado pode ser destinado para adubação, incineração, aterro sanitários de lixos urbanos, compostagem com lixo urbano, etc. Dentre as possibilidades de uso, a sua incorporação em massas cerâmicas para produção de tijolos e telhas tem sido avaliada em alguns trabalhos [1-5].

O objetivo do presente trabalho é avaliar o efeito da incorporação de lodo de ETA do município de Presidente Prudente, SP, em massa cerâmica usada para produção de tijolos, considerando os efeitos dos floculantes usados.

MATERIAIS E MÉTODOS

Durante a realização deste trabalho, a SABESP usou, em épocas diferentes, dois tipos de floculantes: (A) sulfato de alumínio; e (B) cloreto férrico. Os resíduos obtidos em cada caso serão adiante denominados: ETA-Al e ETA-Fe.

Inicialmente, as amostras de lodo, foram secas em estufa, destorroadas, passadas em moinho de facas e submetidas à análise granulométrica [6-8]. Em seguida foram feitas as análises de matéria orgânica pelo método de Walkey-Black [8, 9]. Uma amostra foi submetida à análise de espectrometria de absorção atômica (AAS), para determinação e quantificação de alguns metais pesados, e difração de raios X (DRX) (para identificar as principais fases da fração argila [10, 11]. Foi utilizado um difratômetro de raios X raios Carl Zeiss (HZG4/B) automatizado, radiação do cobre e monocromador curvo para a radiação difratada. As condições de medidas foram: 40 kV e 30 mA, passo 0,05/0,05º, com 3 s por passo e varredura de 3º a 42º.

A perda de massa, de secagem e de queima, foi determinada utilizando análise termogravimétrica, de 25 a 1000 ºC com taxa de aquecimento de 10 ºC/min, equipamento Netzsch (TG 209) e, também, pelo método de pesagem, com uma balança analítica [12, 13].

Os corpos de prova (CPs) foram prensados (7 ton) em triplicatas, usando uma prensa manual Schultz e uma matriz para três CPs (60 x 20 x ~5 mm).

Os lodos (ETA-Fe, ETA-Al) foram misturados com argila sedimentar, usada para produzir tijolo maciço, proveniente de várzea, do município de Indiana, próximo de Presidente Prudente. Esta argila já tinha sido caracterizada, em trabalho anterior [14], como sendo um material do tipo franco argiloso ( 38,2% de argila, 27,7% de silte e 34,1% de areia), com limite de plasticidade de 22,2% e 5,3% de matéria orgânica. Foram preparados corpos de prova com quatro concentrações de lodo: 0, 10, 20 e 30% para cada lodo. Os CPs foram queimados em quatro diferentes temperaturas (900, 950, 1000 e 1200 ºC) em um forno tipo mufla (T_máx = 1200 ºC).

Os ensaios tecnológicos (absorção de água, porosidade, massa específica aparente, perda de massa em diferentes temperaturas, retração linear, resistência mecânica à flexão) foram realizados nos laboratórios da FCT/UNESP, de acordo com a metodologia usual [12, 13], usando paquímetro, balança analítica e uma máquina de ensaios mecânicos EMIC.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Tabela I apresenta os valores médios da matéria orgânica e das frações, argila, silte e areia , determinadas após a oxidação (H₂O₂ 30 vol.) da matéria orgânica. Como as amostras de lodo foram coletadas em épocas diferentes, foi observado que dependendo do período em que as amostras de ETA foram coletadas (seca ou chuva), houve variação nos resultados . Em outro trabalho [15], com coleta mensal de lodo, essa variação na concentração de areia e argila no lodo ficou muito evidente.

Os resultados da AAS mostraram que as concentrações (em ppm), no lodo de ETA-Fe, de alguns metais pesados, foram: chumbo (0,42), cromo (4,60), zinco (31), manganês (121), alumínio (0,43), ferro (130.800) e cobre (15). Estes valores estão abaixo dos valores limites adotados para reciclagem agrícola de bio-sólidos [16].

Os difratogramas de raios X da fração argila, da amostra de Indiana (Fig. 1), mostraram que a caulinita e a mica são os principais argilominerais presentes, além das fases montmorilonita (argila 2:1), quartzo, oxido de titânio e gibsita, que são observadas em menores concentrações. Picos largos e com baixas intensidades sugerem que a caulinita apresenta baixa cristalinidade. A Fig. 2 mostra os difratogramas de raios X das frações silte + argila do lodo ETA-Fe. A presença do silte não permitiu uma boa orientação da amostra sobre a lâmina de vidro; entretanto, pode-se observar que a caulinita é o principal argilomineral presente na amostra de lodo. Esses difratogramas de raios X mostraram que os lodos apresentam composições mineralógicas semelhantes às das argilas da região, facilitando, portanto, sua adição à massa cerâmica.

A curva de análise térmica do lodo da ETA-Fe, observada na Fig. 3, mostra uma perda inicial de massa (T < 100 ºC) da ordem de 8,3%, devido à água não estrutural (umidade). A seguir ocorrem duas perdas de massa: (1) de ~ 7,1% (entre 200 e 400 ºC) devido à queima de matéria orgânica, desidroxilação de hidróxidos (gibsita e goetita) e água interlamelar presentes em argilas 2:1, e (2) de ~ 7,3% (entre ~ 450 e 600 ºC) devido à perda de hidroxila (água estrutural) principalmente pela caulinita [12]. Acima de ~ 600 ºC ocorre uma pequena perda de massa de ~ 1,5% devido a provável perda de hidroxilas pelas micas e/ou queima de matéria orgânica na forma de grafite [12]. Este resultado confirma a predominância da caulinita (determinada em análise de difração de raios X) na amostra [14], que é o principal argilomineral presente nos solos da região [17]. A perda total de massa do lodo de ETA-Fe é da ordem de 25%.

A Fig. 4 mostra o diagrama de perda de massa da amostra ETA-Al. Nesta figura a análise é semelhante a anterior, embora o coagulante usado seja o hidróxido de alumínio. Nos dois casos ocorreram perdas de massa em T < 100 ºC, entre 200 e 400, 450 e 600 e acima de 600 ºC. Como na amostra anterior, ocorreu uma perda total de massa da ordem de 25%.

A análise termogravimétrica mostrou que a perda de massa total nos lodos de ETA é da ordem de 25% (até 995 ºC). A perda de massa total para a argila de Indiana, usando a diferença de massas dos corpos-de-prova úmidos e secos em estufa, foi de 13% (até 855 ºC) [18] .

O maior valor determinado para a retração linear (RL) foi de 3,5%. Em 900 ºC, o corpo-de-prova sem lodo apresentou uma pequena dilatação da ordem de (0,28%). Portanto, a RL se encontra abaixo do valor máximo estabelecido que é de 6% [19]. Algumas amostras sofreram pequena deformação durante a queima e outras, com lodo da ETA-Al, apresentaram friabilidade devido a alta concentração de areia (Tabela I). O floculante usado, a base de Al, também, pode ter contribuído para a friabilidade da amostra aumentando a concentração desse elemento no CP (como foi observado para o floculante a base de Fe).

Os resultados dos ensaios de resistência mecânica (TRF) mostraram que diminuíram com a concentração de lodo adicionado à massa cerâmica (Fig. 5). O valor da TRF aumentou com a temperatura, de 900 para 950 ºC e para 1200 ºC, com uma diminuição brusca entre 950 e 1000 ºC. Como pode ser observado na figura, essa diminuição é um comportamento da argila sem resíduo, que desaparece a medida que a concentração de lodo aumentou. A argila e o lodo apresentam a caulinita e mica como fases majoritárias. Essas duas fases sofrem desidroxilação em ~ 500 ºC, observadas na Fig. 5, formando metacaulinita que é amorfa. Segundo Souza Santos [12], próximo de 950 ºC inicia-se a formação de fases cristalinas que pode ocorrer de forma brusca formando um tipo especial de alumina-gama (com estrutura cristalina (Si, Al) do tipo do espinélio MgO.Al₂O₃). Por volta de 1100 ºC esta fase se transforma em mulita e cristobalita [12]. Essa transformação começa a ocorrer acima de 1000 ºC de forma lenta, podendo não ser completa em pequenos tempos de patamar nesta temperatura. Nesse caso, pode ter sido formada cristobalita numa forma metaestável [20]. Acima de 1100 ºC, além da formação de fases cristalinas (cristobalita bem-ordenada), também, ocorre a formação de fase líquida, colaborando para o aumento da resistência do material [12]. As propriedades físico-mecânicas, dos materiais de cerâmica vermelha, dependem da mulita formada [12]. Como as argilas da região são cauliníticas, esse comportamento anômalo na resistência mecânica de 950 para 1000 ºC deve estar associado as transformações mencionadas acima, que podem produzir microtrincas antes da formação da fase líquida.

Como pode ser observado na Fig. 5, o lodo ETA-Al prejudicou mais a resistência mecânica dos CPs cerâmicos do que o lodo ETA-Fe, resultando em valores muito baixos de TRF. Algumas amostras com ETA-Al (30% lodo) estavam se desmanchando quando eram manuseadas. Esta amostra apresentou grande quantidade de areia, que prejudicou as propriedades mecânicas dos corpos-de-prova. Os melhores valores de resistência mecânica foram obtidos, para todos os ensaios, em 1200 ºC.

Nas argilas sedimentares, além do quartzo fino, pode-se encontrar sílica amorfa. Durante o tratamento térmico das argilas, a desidroxilação da caulinita produz sílica amorfa e forma cadeias de grupos AlO₄, que depois se cristaliza em gAl₂O₃ e/ou espinélio Al-Si. A decomposição (~ 330 ºC) da gibsita [Al(OH)₃], também, libera alumina. A sílica livre reduz a plasticidade e a retração linear da amostra. A alumina aumenta a refratariedade da argila, enquanto que, os óxidos de ferro reduzem a refratariedade, além de influenciar a cor do material sinterizado. O ferro pode reagir com outros componentes da argila formando vidros, como no caso de argilas ricas em ilita onde ele faz parte do reticulado cristalino, formando vidros com mais facilidade e dando origem a cores vermelhas de tonalidades vivas e brilhantes [12].

O que se observa nos resultados é que, para o material usado como base (argila de Indiana), a incorporação do lodo ETA-Al resulta em baixa resistência mecânica (menores que o valor limite de 20 kgf/cm² [12] para tijolo maciço), para 20 e 30% de lodo em temperaturas <1200 ºC. Para 10% deste lodo, o valor limite é atingido para sinterização em temperaturas > 900 ºC.

O lodo obtido, usando cloreto férrico (ETA-Fe), pode ser adicionado à argila nas concentrações de até 20%, para temperaturas de queima maiores que 900 ºC. Essa limitação, para o lodo ETA-Fe, se deve à baixa resistência mecânica da argila sem resíduo, cujo valor está próximo do valor limite estabelecido para tijolos maciços. Portanto, as propriedades do material a ser usado como base para incorporação do lodo de ETA vão ser determinantes na quantidade de material que pode ser incorporado a ele.

Os resultados da análise da absorção de água (AA), após a queima, também foram obtidos em função da temperatura e da porcentagem de lodo misturado (Fig. 6). Eles mostraram que a adição de lodo aumentou a absorção de água pelos corpos-de-prova e, as curvas de AA em função da temperatura, acompanham o comportamento da argila sem lodo. Para o lodo com ferro a AA é, aproximadamente, igual nas temperaturas de 950 e 1000 ºC, para incorporações de 10 e 20%. Para queima em 1200 ºC as diferenças na AA, em relação à argila pura, diminuíram tendendo para valores próximos.

Analisando estes resultados e comparando com o valor limite para absorção d'água para blocos furados (< 25%), pode-se concluir que: o lodo ETA-Fe pode ser incorporado em até 30% à massa cerâmica e o lodo ETA-Al em até 10% para todas as temperaturas de queima. Para T > 950 ºC pode ser incorporado 20% de lodo ETA-Al. As amostras com lodo ETA-Fe apresentam, praticamente, todos os valores de AA < 20% (com duas exceções 21,31% (20% Al, 900 ºC) e 20,15% (30% Fe, 950 ºC)), que é o valor limite estabelecido para AA para produção de telhas.

A porosidade aparente (PA) e a massa específica aparente (MEA) estão associadas com a absorção de água (AA) e foram determinadas a partir dos mesmos dados. Portanto, quanto maior a PA, menor será a MEA e maior a AA. A Fig.7 mostra que a PA aumenta com a concentração de lodo e é maior nos CPs com alumínio sinterizados entre 900 e 1000 °C. Para a sinterização a 1200 °C a PA praticamente independe do elemento (Al ou Fe) presente no floculante do lodo. A Fig. 8 mostra que a MEA é maior para os CPs com lodo ETA-Fe incorporado. Apesar de piorar a MEA, todos os valores de MEA ficaram acima de 1,6 g/cm³ para o lodo com Fe.

CONCLUSÕES

Os resultados mostram que o lodo de ETA pode ser incorporado em massa cerâmica usada para produzir tijolos e telhas. A incorporação dos lodos, em geral, piora as propriedades físicas e tecnológicas do material cerâmico e os resultados obtidos para o lodo da ETA-Al foram sempre piores que os com ETA-Fe.

Tendo-se como referências a Tensão de Ruptura à Flexão (TRF) e a Absorção de Água (AA), para os CPs queimados, pode-se concluir que: para a argila usada como matriz (argila de Indiana) foi observado que é possível adicionar 10% do lodo ETA-Al e 20% do lodo ETA-Fe, para temperaturas de queima a partir de 950 ºC.

As propriedades físicas e cerâmicas do lodo e, principalmente, da argila irão definir a possibilidade ou não de incorporação e a concentração, para cada temperatura de queima.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à FAPESP pelo auxílio concedido (01/0710-0), pelas bolsas de iniciação científica (01/00950-1 e 01/03888-5), ao CNPq/PIBIC pela bolsa de iniciação científica, à SABESP, ao Prof. Dr. Aldo E. Job e ao Prof. Dr. Homero M. Gomes, do DFQB da FCT/UNESP, pela colaboração.

(Rec. 25/06/2005, Rev. 14/01/2006, Ac. 24/02/2006)

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  06 Nov 2006
• Data do Fascículo
  Set 2006

Histórico

• Aceito
  24 Fev 2006
• Recebido
  25 Jun 2005
• Revisado
  14 Jan 2006