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Tratamento de lixiviado de aterro sanitário por reagente de fenton
LISÉTE CELINA LANGE
Química. Doutora em Tecnologia Ambiental. Professora Adjunta do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais
JULIANA FELISBERTO ALVES
Engenheira Química. Mestre em saneamento, meio ambiente e recursos hídricos pela UFMG. Engenheira Química da Novonordisk
MIRIAM CRISTINA SANTOS AMARAL
Graduanda de Engenharia Química, bolsista de IC pelo CNPq vinculada ao Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais
WILSON RODRIGUES DE MELO JÚNIOR
Graduando de Engenharia Civil, bolsista de IC pelo CNPq vinculada ao Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais
Recebido: 27/10/06 Aceito: 17/05/
ARTIGO TÉCNICO
RESUMO
O objetivo deste trabalho foi o de analisar a viabilidade técnica do tratamento de lixiviado de aterro sanitário por processo oxidativo avançado (POA) empregado reagente de Fenton. Os ensaios foram executados no Aterro Sanitário de Belo Horizonte, onde o processo foi realizado em batelada, com capacidade de produção de 1000L, usando um reator de mistura simples. Os resultados mostraram elevada eficiência na remoção de poluentes orgânicos, onde as remoções de DQO foram superiores a 46%, com média em torno de 61%, sendo a maior remoção alcançada de 75%, a qual demandou a menor quantidade de reagente e menor tempo de agitação e conseqüentemente menor custo de operação. Estes resultados sugerem que não haverá comprometimento ao transpor este tratamento para uma escala real, e que este processo poderá ser realizado como tratamento preliminar.
PALAVRAS-CHAVE : Lixiviado, processo oxidativo avança- do, reagente de Fenton, aterro sanitário.
ABSTRACT
The objective of this work is to investigate the feasibility of fenton oxidation during the treatment of sanitary landfill leachate. A set of experiments were prepared at the Sanitary Landfill of Belo Horizonte – MG, where the process was conducted in a mixture reactor with 1000 L capacity. The results have shown a high effective removal of organic pollutants, where results for COD removal were above 46%, with an average of 61%, and the best removal rate around 75%. The use of Fenton oxidation has been proved to be a successful technique to be used as a preliminary treatment, clearly showing the possibility to be used in a real scale.
KEYWORDS: Lachate, advanced oxidative process, fenton reagent, sanitary landfill.
INTRODUÇÃO
O crescimento da população em áreas urbanas e o aumento do consumo de produtos industrializados têm au- mentado a geração de resíduos sólidos, que na maioria das vezes são destinados a aterros sanitários. Nos aterros sanitá-
rios são gerados contaminantes, como o lixiviado que apresenta um problema ambiental devido ao seu alto potencial de contaminação. Para o licenciamento ambiental desses aterros é necessário um sistema de tratamento de efluentes que atinja os padrões exigidos pela le- gislação. Para atender esta demanda das
prefeituras, considerando os problemas no tratamento por processos biológicos e físico-químicos convencionais, é necessá- ria a busca de alternativas de tratamento eficientes dentro de um padrão de sus- tentabilidade técnica e econômica. Os processos biológicos são os mais empregados no tratamento de lixiviados
T RATAMENTO DE LIXIVIADO DE ATERRO SANITÁRIO POR
PROCESSO OXIDATIVO AVANÇADO EMPREGANDO
REAGENTE DE FENTON
SANITARY LANDFILL LEACHATE TREATMENT BY FENTON OXIDATION
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Lange, L. C. et al.
devido às características deste serem semelhantes às dos esgotos domésticos. Todavia, geralmente ocorrem dificulda- des ao utilizar tratamentos biológicos para lixiviado por causa da vazão e carga orgânica muito variáveis, necessidade de uma grande área para implantação, bai- xa efi ciência para lixiviado estabilizado ou pouco biodegradável, e muitas vezes o efl uente não se enquadra nos padrões estabelecidos pela legislação (Silva et al, 2000). Os processos físico-químicos podem apresentar elevada eficiência de remoção da matéria orgânica no tratamento do lixiviado. Contudo, os sistemas mais utilizados no Brasil
- coagulação, filtração e precipitação química - não têm apresentado boa remoção deste material. Neste contexto, o processo oxi- dativo avançado (POA) empregando reagente de Fenton, apresenta-se como uma alternativa de pré-tratamento e/ou pós-tratamento que pode ser associada aos processos de tratamento biológico, já que este tipo de tratamento é o mais empregado, no sentido de aumentar a biodegradabilidade do lixiviado, mini- mizando o tamanho das lagoas, ou au- mentando a vazão de lixiviado tratado, pois apresentam elevadas eficiências na remoção de poluentes orgânicos, com custo relativamente baixo e facilidade operacional. Os POA´s são processos que en- volvem a geração de radicais hidroxila (•OH), altamente reativos, que têm a capacidade de destruição total de mui- tos poluentes orgânicos. O reagente de Fenton é uma mistura de peróxido de hidrogênio e sais de ferro. O peróxido de hidrogênio é um oxidante eficiente, seguro e de custo acessível, utilizado há décadas em aplicações ambientais em todo o mundo (Neyens & Baeyens, 2003). O peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) é empregado para geração de radicais hidroxila, entretanto, é necessária a adição de ativadores, como sais de ferro, ozônio e/ou luz ultravioleta, para produzir a alta taxa de radicais requerida (Bull & Zeff, 1991). Podem também ser utilizadas, para geração de •OH, combinações entre esses ativadores ou o emprego de semicondutores como o dióxido de titânio (TiO 2 ) e óxido de zinco (ZnO) (Teixeira, 2002). Os radicais livres (•OH) formados atacam o composto orgânico levando à sua oxidação completa produzindo
CO 2 e H 2 O, ou quando resulta em uma oxidação parcial geralmente ocorre um aumento da biodegradabilidade dos poluentes, e neste caso, os compostos orgânicos residuais podem ser removi- dos por meio de tratamento biológico (Bull & Zeff, 1991). A utilização de sais de ferro para decomposição catalítica do peróxido de hidrogênio apresenta-se como uma solução de custo menos elevado em relação aos outros POA´s, pois utiliza um catalisador de baixo custo, o sulfato ferroso, que é resíduo de indústrias de produção de aço. Outra vantagem do reagente de Fenton é sua maior facilida- de operacional em relação aos processos de ozonização e utilizando radiação ultravioleta, que necessitam de gerador de O 3 e fonte de UV, respectivamente (Chamarro et al, 2001). Geralmente, o processo de oxida- ção empregando reagente de Fenton é composto por quatro estágios (Bidga, 1995), que são:
- 1º - ajuste de pH: a faixa de pH ideal é entre 3 e 4. Para valores de pH elevados ocorre a precipitação de Fe3+.
- 2º - reação de oxidação: proces- sada em um reator não pressurizado e com agitação. É feita a adição de sulfato ferroso e peróxido de hidrogênio.
- 3º - neutralização e coagulação: deve ser feito um ajuste de pH na faixa de 6 a 9, para precipitar hidróxido de ferro, o que pode ser feito com a adição de cal. Uma vantagem dessa etapa é a possibilidade de remoção de outros metais pesados por precipitação.
- 4º - precipitação: o hidróxido de ferro e alguns metais pesados precipitam e podem ser removidos da solução. Após o processo de oxidação, o lodo é retirado e enviado para leito de secagem ou filtro prensa e o lixiviado tratado é encaminhado para o descarte ou reuso. A eficiência da oxidação empre- gando reagente de Fenton depende das condições do meio de reação, sendo muito importante um estudo destas (Bidga, 1995). Dentre os fatores que podem afetar o processo oxidativo des- tacam-se a dosagem de reagentes, sendo importante a relação entre a dosagem de oxidante e catalisador, tipo de catalisa- dor, o tempo de reação, o pH do meio e a temperatura (Bidga, 1995; Kang & Hwang, 2000; Alves, 2004). O pH de reação é muito impor- tante em virtude de vários fatores como,
por exemplo, a estabilidade dos reagen- tes empregados, tanto o peróxido de hidrogênio quanto os íons ferrosos são mais estáveis em pH ácido (Kuo, 1992). Em pH alcalino, o H 2 O 2 é instável podendo ser decomposto em oxigênio e água (Kuo, 1992) e seu potencial de oxidação diminui. O potencial de oxi- dação dos radicais hidroxilas diminui com o aumento do pH, sendo que em meio ácido o E^0 =2,8V e em meio básico tem-se E^14 =1,95V (Kim et al, 1997). A faixa de pH ótima para reação ocorre entre 3 e 6 (Alves, 2004). O reagente de Fenton pode ter di- ferentes funções de tratamento depen- dendo da relação H 2 O 2 /Fe2+^. Quando a quantidade de Fe 2+^ excede a de H 2 O 2 , o tratamento tende a apresentar um efeito de coagulação química. Já com a H 2 O 2 /Fe 2+^ contrária o tratamento tem efeito de oxidação química (Neyens & Bayens, 2003). A definição da faixa de dosagem de reagentes varia de acordo com o tipo de efluente. A faixa típica de relação H 2 O2/Fe 2+^ é de 5:1 a 25: em massa (Alves, 2004). As taxas de reação com reagente de Fenton aumentam com o aumen- to da temperatura. Entretanto, quan- do a temperatura aumenta acima de 40 – 50 ºC, a eficiência de utilização do H2O 2 diminui, devido a sua acelerada decomposição em oxigênio e água. A maioria das aplicações comerciais do re- agente de Fenton ocorre a temperaturas entre 20 – 40 ºC (Alves, 2004). O tempo de reação dependerá de variáveis como temperatura e dosagem de reagentes. O término da oxidação depende da relação entre peróxido de hidrogênio e substrato (composto orgânico), e a taxa de oxidação é de- terminada pela concentração inicial de ferro e pela temperatura (Bidga, 1995; Kang & Hwang, 2000). Os objetivos do presente trabalho são de analisar a viabilidade técnica e apresentar um indicativo de custos do tratamento de lixiviado de aterro sani- tário por processo oxidativo avançado empregando reagente de Fenton.
METODOLOGIA
Amostragem
As amostras de lixiviado utilizadas nesse trabalho foram coletadas do aterro sanitário de Belo Horizonte localizado na BR-040. Durante o período de amostragem (fevereiro a março de 2005)
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Figura 2 - Foto do reator de mistura completa
na eficiência da reação em termos da re- dução da carga orgânica ao variar todos os fatores em dois níveis (Planejamento fatorial fracionado em dois níveis). Na Tabela 3 são apresentados as combina- ções das condições de reação. Já na Tabela 4 são apresentados os valores de DQO dos lixiviados bru- tos com os quais foram realizados os ensaios. Não foram realizadas réplicas para o experimento. Os resultados dos experimentos, baseados na remoção de DQO, são apresentados na Figura 3. Os valores de DQO apresentados já foram corrigidos quanto à interferências da presença de H 2 O 2 na análise. As remoções de DQO foram superiores à 46%, com média em torno de 61%, sendo a maior remoção alcançada de 75%, o qual demandou a menor quantidade de reagente e menor tempo de agitação e consequentemente menor custo de operação. Cabe lembrar
que estas remoções de DQO devem ser mais elevadas, considerando as interferências positivas nas análises. A Figura 4 apresenta a foto do lixiviado bruto e do lixiviado tratado dos oito ensaios respectivamente, na qual pode ser observado a remoção de cor. Por meio da Figura 5, pode-se veri- ficar que a melhor relação H 2 O 2 /Fe2+^ foi
- Observa-se que a relação H 2 O 2 /Fe 2+ de 20 apresentou remoção de DQO menos eficiente, mas por usar menor dosagem de ferro leva a uma diminui- ção da geração do lodo. Em pH = 5 a reação se apresentou mais eficiente, o que significa menor gasto de reagente. O tempo de 30 minutos apresentou melhor eficiência, além de menor custo energético. Por meio da Figura 6, verifica-se que a reação pode ser monitorada pelo pH, o que vislumbra a possibilidade de realizar um monitoramento on-line do
processo. Observa-se também que após 15 minutos de reação o pH tende-se a estabilizar, mostrando que o tempo empregado foi suficiente para a reação completa.
Estudo da etapa
de neutralização e
precipitação:
Os resultados da remoção de DQO pré-neutralização e pós-neu- tralização podem ser comparados na Figura 7. A redução da remoção de DQO, possivelmente, pode ser atri- buída a solubilização de substâncias húmicas. Segundo Baird (2002), os ácidos húmicos e fúlvicos são solúveis em soluções alcalinas. Contudo, os ácidos húmicos são insolúveis ou pou- co solúveis em meio ácido, e os ácidos fúlvicos são solúveis em meio ácido. Para pH mais baixo ocorre a formação
Figura 1 – Esquema da montagem dos experimentos
1ª Etapa: Oxidação 2ª Etapa: Neutralização/Precipitação
H 2 SO (^4) Fe2+
Ca(OH) (^2) ou Na 2 CO (^3)
H 2 O
Efluente tratado
Precipitados: Fe3+ e metais
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- DQO mg/L Parâmetros Unidade Lixiviado bruto - DBO 5 mg/L - DBO 5 /DQO - 0, - COT mg/L - Potencial redox mV - Temperatura °C - pH - 7, - Sólidos sedimentáveis mg/L 0, - Sólidos suspensos totais mg/L - Cianeto total mg/L <0, - Fluoreto total mg/L 1, - Cloretos mg/L 1999,
- Potencial hidrogeniônico mg/L 8, - Nitrogênio Total mg/L - Nitrogênio amoniacal mg/L - Sulfatos mg/L < - Sulfetos mg/L 49,
- Gorduras, óleos e graxas mg/L - Alumínio total mg/L 0, - Arsênio total mg/L 0, - Bário total mg/L 0, - Boro total mg/L 5, - Cádmio total mg/L 0, - Chumbo total mg/L <0, - Cobalto total mg/L 0, - Cobre total mg/L <0, - Cromo hexavalente mg/L <0, - Cromo total mg/L 0, - Estanho total mg/L <0, - Ferro solúvel mg/L 0, - Mercúrio total mg/L <0, - Níquel total mg/L 0, - Prata total mg/L <0, - Vanádio total mg/L 0, - Zinco total mg/L 0, - Metais tóxicos totais mg/L <0, - Amônia não-inonizável mg/L - Cromo trivalente mg/L <0,
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Tratamento de lixiviado de aterro sanitário por reagente de fenton
Figura 5 - Avaliação da dosagem de reagentes
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 Relação H 2 O 2 /Fe 2+
% remoção de DQO
Figura 6 - Monitoramento do pH durante reação
1
2
3
4
5
0 10 20 30 40 50 tempo de reação (min)
pH
0
20
40
60
80
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ensaios
% remoção de DQO
pré-neutralização
pós-neutralização
Figura 7 - Avaliação da remoção de DQO (^) Figura 8 - Remoção de nitrogênio amoniacal
Figura 9 - Remoção de nitrogênio total
de precipitados. Isto pode ser devido à precipitação de substâncias húmicas (Baird, 2002), carboidratos, aminoáci- dos e compostos policíclicos aromáticos (Pacheco et al, 2003). Já o aumento da redução da DQO pré-tratamento e pós-tratamento (ensaio 2 e 5), pode ter ocorrido devido a erros experimentais, apesar de que no ensaio 5, esta variação pode ser desprezível. O comportamento do nitrogênio total e amoniacal após o tratamento foi avaliado para as diversas condições de tratamento, como mostram as Figuras 8 e 9, respectivamente.
A remoção de nitrogênio amonia- cal e total foi influenciada pelas con- dições de reação, sendo mais favorável em dosagens maiores de H 2 O 2 e meno- res de Fe2+, o que também foi observado por Alves (2004), alcançando remoções de até 85% para as melhores condições e 10% para condições menos favoráveis. Observa-se também que geralmente a remoção é maior após a neutralização. Provavelmente isto ocorre devido a insolubilização de compostos nitroge- nados em pH elevado.
Indicativos de custos para
o processo empregado
Foi realizado um estudo para a estimativa do investimento necessário e do custo de operação para a implan- tação e operação de uma unidade de estação de tratamento de lixiviado de aterro sanitário como a apresentada na Figura 10, com capacidade produtiva de tratamento de 10.000 L/dia, utilizando sistema de batelada num reator de mis- tura simples com volume útil equiva-
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Tabela 5 - Estimativas de custo de implantação Item Descrição Unidade Quantidade Preço unitário R$ Preço total R$ 1 Equipamentos 1.1. Tanque - reator de PEAD 2000L un. 1 4000,00 4.000, 1.2. Tanque de PEAD 1500L un. 1 2000,00 2.000, 1.3. Dosador de reagente un. 4 978,00 3.912, 1.4. Bomba un. 1 1845,00 1.845, 1.5. Misturador/agitador un. 1 3276,00 3.276, 1.6. Filtro prensa un. 1 41.580,00 41.580, 1.7. Phmetro un. 1 300,00 300, Sub-total 56.913, 2 Instalações 2.1. Instalações hidráulicas 1.000, 2.2. Instalações elétricas 1.300, Sub-total 2.300, 3 Mão-de-obra 3.1. Encarregador de montagem dia 3 300,00 900, Sub-total 900, Total 60.113,
Figura 10 - Esquema da unidade de estação de tratamento por POA empregando reagente de Fenton
lente a 1000L e um tanque de sedi- mentação de 1m^3. Neste contexto, para a implantação da unidade é necessário um investimento de aproximadamente R$60.000,00. Esta estimativa não in- clui o custo do terreno, nem o custo de preparação do terreno, e supõe-se que já haja um reservatório de lixiviado no aterro. É importante lembrar que os val- ores são somente uma estimativa e que dependem da região onde está sendo realizada a implantação, além de que
até mesmo a configuração da estação poderá sofrer alteração no sentido de otimizar o processo. Para a operação, é necessário um investimento mensal de aproximadamente R$3.300,00 como custo fixo, e R$0,023/litro de lixiviado tratado. A Tabela 5 demonstra esta estimativa de investimento. Uma avaliação da viabilidade econômica-financeira não foi possível de ser realizada, pois o mercado em questão é muito fechado, não sendo
possível obter valores referentes a custos de outros tratamentos, para uma análise comparativa. Contudo, mesmo não tendo uma avaliação da viabilidade econômica - fi- nanceira, acredita-se que o POA empre- gando reagente de Fenton como trata- mento preliminar é bastante promissor, pois o custo não é tão elevado em relação aos benefícios que serão agregados. Além de que as prefeituras municipais que im- plantam aterros sanitários têm recebido
