O lixiviado de um aterro sanitário resulta da percolação de água das chuvas e
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ser lançado diretamente no meio hídrico por apresentar elevado potencial poluidor. É
prioritário o tratamento adequado, reduzindo a carga orgânica, com o objetivo de cumprir
os padrões de emissão de efluentes e desta forma garantir a qualidade da saúde pública.
Neste estudo foi caracterizado o lixiviado do Aterro Sanitário dos Mulenvos, e realizado
um estudo preliminar sobre a eficiência do processo Fenton (POA), na remoção da
matéria orgânica (expressa como DQO). Foram avaliadas/selecionadas as condições de
operação adequadas para o processo (temperatura, pH, dosagem de H2O2 e razão
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Boaventura, Rui

Martins, Ramiro

Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica

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Estudo preliminar de tratabilidade do lixiviado do aterro sanitário de Luanda, Angola; processo de Fenton

Biblioteca Digital do IPB

ESTUDO PRELIMINAR DE TRATABILIDADE DO LIXIVIADO DO ATERRO SANITÁRIO DE LUANDA, ANGOLA; PROCESSO DE FENTON   R. J. E. MARTINS1,2 e R. A. R. BOAVENTURA2  1 Instituto Politécnico de Bragança, Escola Superior de Tecnologia e de Gestão, Departamento de Tecnologia Química e Biológica 2 Universidade do Porto, Laboratory of Separation and Reaction Engineering (LSRE), Departamento de Engenharia Química E-mail para contato: rmartins@ipb.pt  RESUMO – O lixiviado de um aterro sanitário resulta da percolação de água das chuvas e dos processos de degradação dos resíduos; recolhido pelo sistema de drenagem não deve ser lançado diretamente no meio hídrico por apresentar elevado potencial poluidor. É prioritário o tratamento adequado, reduzindo a carga orgânica, com o objetivo de cumprir os padrões de emissão de efluentes e desta forma garantir a qualidade da saúde pública. Neste estudo foi caracterizado o lixiviado do Aterro Sanitário dos Mulenvos, e realizado um estudo preliminar sobre a eficiência do processo Fenton (POA), na remoção da matéria orgânica (expressa como DQO). Foram avaliadas/selecionadas as condições de operação adequadas para o processo (temperatura, pH, dosagem de H2O2 e razão H2O2:Fe2+).   1. INTRODUÇÃO Nos anos mais recentes tem ocorrido uma grande explosão demográfica, que aliada a uma procura crescente de bens de consumo, em especial nos países em desenvolvimento, levou a que as indústrias gerassem uma grande quantidade de resíduos. Grande parte são altamente poluidoras e se os resíduos não são sujeitos a tratamento adequado, representam um grande risco para o meio ambiente. Consequentemente os meios hídricos, recetores dos efluentes industriais e urbanos e de efluentes resultantes da deposição de resíduos sólidos, estão com a qualidade cada vez mais comprometida, representando um sério risco para a saúde humana. O método de tratamento e disposição de resíduos sólidos urbanos, mais simples e barato, é o de aterro sanitário (EEA, 1998). Nos países sub desenvolvidos e em desenvolvimento, praticamente 100% dos resíduos gerados têm como destino final a deposição no solo, sendo pouco provável uma alteração a curto prazo (Lima, 2006), pratica que vem sendo ultimamente implementada em Angola. Esta opção tem sido a preferida, mesmo em países desenvolvidos, onde há uma forte cultura ambiental associada à reciclagem, minimização, reutilização e incineração de resíduos (Allen, 2003). Área temática: Engenharia Ambiental e Tecnologias Limpas 1Os aterros sanitários configuram-se como sistemas biológicos predominantemente anaeróbios, onde ocorre a conversão da matéria orgânica em biogás (metano e dióxido de carbono) e a formação de lixiviados. Sendo ambos altamente poluentes, um correto e eficaz tratamento deve ser uma das prioridades na gestão de aterros. Os lixiviados apresentam uma elevada heterogeneidade e variabilidade dos parâmetros físico-químicos e biológicos, ao longo do tempo, o que torna difícil a implementação de processos de tratamento eficientes. Para o tratamento de lixiviados são utilizados vários processos como o biológico, recirculação do lixiviado através do aterro, físico-químico entre outros, sendo os processos biológicos os mais empregados (Goi et al., 2010). Contudo, a presença de compostos recalcitrantes inviabiliza a utilização isolada destes tratamentos, donde surgem os processos oxidativos avançados (POA) como etapa de pré tratamento para que se torne eficaz um tratamento biológico a jusante (Silva et al., 2006). Os POA envolvem a geração e uso “in situ” de agentes oxidantes fortes, como o radical hidroxilo, que possui um potencial de oxidação que o torna apto para reagir com compostos orgânicos e promover a sua completa mineralização a CO2, água e ácidos minerais. São agentes promissores para remoção de poluentes refratários quando os processos convencionais, nomeadamente os processos biológicos, não permitem atingir a eficiência de remoção de determinado poluente (Ding e Guan, 2013). O objetivo principal deste estudo foi caracterizar e avaliar a tratabilidade do lixiviado do Aterro Sanitário dos Mulenvos (Luanda-Angola) por um processo de oxidação química com reagente de Fenton. Como objetivos específicos são de referir: (1) Caracterização físico-química do lixiviado do Aterro Sanitário dos Mulenvos; (2) Avaliação e seleção das condições de operação adequadas para o processo Fenton (temperatura, pH, dosagem de H2O2 e razão H2O2:Fe2+) para reduzir a concentração de matéria orgânica e obter um efluente com uma biodegradabilidade (expressa pela razão DBO5/DQO) aceitável para posterior tratamento biológico. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Aterro Sanitário dos Mulenvos O Aterro Sanitário dos Mulenvos situa-se na região sudeste da cidade de Luanda, Município de Viana, em Angola, e ocupa uma área com um perímetro de aproximadamente 7 km. O clima é tropical úmido, a que correspondem duas estações bem definidas: uma estação quente e com intensa pluviosidade e outra fria e úmida. A temperatura anual média é de 27ºC.  2.2 Amostras As amostras de lixiviado usadas no estudo foram recolhidas à entrada da primeira lagoa de evaporação do Aterro Sanitário (Figura 1). Foram usados recipientes de 20 L em polietileno (PEAD) para transporte das amostras de lixiviado até ao laboratório, sendo aqui transferido para frascos de PEAD com capacidade de 5 L e previamente lavados com solução de ácido clorídrico a 10% e água desionizada. As amostras foram conservadas a Área temática: Engenharia Ambiental e Tecnologias Limpas 24ºC até à sua utilização, sendo que aquelas usadas para determinação de metais tóxicos foram acidificadas a pH<2 (HNO3). A amostragem foi realizada de acordo com o descrito no manual Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 2012).  Figura 1 – Recolha das amostras de lixiviado bruto no Aterro Sanitário dos Mulenvos. 2.3 Caracterização Analítica do Lixiviado Na caracterização físico-química do lixiviado foram determinados, de acordo com o Standard Methods for The Examination of Water and Wastewater (APHA, 2012), os seguintes parâmetros: pH, Alcalinidade, Sólidos Totais, Sólidos Voláteis, Demanda Química de Oxigénio (DQO), Demanda Bioquímica de Oxigénio (DBO), Azoto Total e Fósforo Total. Foi ainda determinado um conjunto de elementos metálicos: alumínio, ferro, cádmio, crómio, cobre, chumbo, níquel e zinco. Após a realização dos ensaios experimentais, usando como tratamento o Processo de Fenton, foram determinados novamente todos os parâmetros anteriormente referidos. 2.4 Protocolo Experimental As experiências laboratoriais consistiram na caracterização físico-química do lixiviado bruto, no estudo da tratabilidade do mesmo usando o reagente de Fenton (H2O2+FeSO4) e determinação das condições ótimas para realização do processo (temperatura, pH, dosagem de H2O2 e razão H2O2:Fe2+) e na caracterização do efluente tratado. 2.5 Estudo de Tratabilidade com o Reagente de Fenton O	  processo de oxidação utilizando o reagente de Fenton foi realizado num reator de vidro, com a capacidade de 600 mL, que continha 100 mL de amostra. Foi adicionado peróxido de hidrogénio (H2O2) com uma concentração 30% (p/p). A densidade da solução é de 1,11 g/cm3. As variáveis estudadas no tratamento do lixiviado pelo processo Fenton incluem o pH, concentração de H2O2, concentração de Fe(II) e tempo de reação. Área temática: Engenharia Ambiental e Tecnologias Limpas 3Na Figura 2 encontra-se uma representação esquemática da montagem experimental do processo Fenton.  Figura 2 – Montagem experimental do processo Fenton. Os ensaios foram conduzidos sob agitação constante e à temperatura ambiente (25 ± 2ºC). Começou por se estudar a influência do pH, na gama 2,5 a 3,5. De seguida estudou-se o efeito da concentração de H2O2, entre 3 e 12 g/L, e finalmente o efeito da concentração de Fe(II), entre cerca de 0,4 e 1,5 g/L. Nestes dois últimos conjuntos de experiências o valor do pH foi ajustado a 2,5. Deixou-se prosseguir a reação por 20 minutos e depois de um período de decantação de 30 minutos foram retiradas amostras do sobrenadante para determinação da Demanda Química de Oxigénio (DQO). A paragem da reação foi feita por elevação do pH até 10 com NaOH 10N. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Caracterização do Lixiviado Bruto do Aterro Sanitário de Mulenvos Os resultados da caracterização do lixiviado bruto do Aterro dos Mulenvos, recolhido à entrada da primeira lagoa de evaporação, encontram-se na Tabela 1, bem como alguns parâmetros estatísticos para um nível de probabilidade de 95%. As características dos lixiviados de aterros sanitários variam em função de fatores como: composição do resíduo, topografia do local, clima, temperatura, tipo de solo, regime de pluviosidade e idade do aterro. No presente trabalho a DBO5 e DQO apresentaram valores médios de 2030 e 6450 mg O2/L, respetivamente. A razão DBO5/DQO apresenta um valor de 0,32, indicativo de que o lixiviado contém alguma matéria orgânica biodegradável, mas que é significativo o seu conteúdo em compostos recalcitrantes (substâncias húmicas). Face a estes resultados é necessário efetuar o tratamento do lixiviado por forma a cumprir com os limites de emissão de descarga no meio receptor (no aterro é aplicada a legislação Brasileira), sendo que a via adequada será um tratamento de oxidação. Área temática: Engenharia Ambiental e Tecnologias Limpas 4Tabela 1 – Características do lixiviado bruto do Aterro Sanitário dos Mulenvos Parâmetro Média Desvio padrão (S) Intervalo de confiança Temperatura, ºC 28,2 -- -- pH 8,71 21,4x10-2 8,49 - 8,94 Condutividade, mS.cm-1 23,3 11,7x10-2 23,2 - 23,4 Salinidade, g KCl.kg-1 14,0 5,2x10-2 14,0 - 14,1 Alcalinidade T., mg CaCO3.L-1 6400  6400 DBO5, mg O2.L-1 2030 1,72x10-2 1817 - 2244 DQO, mg O2.L-1 6450 4,08x10-2 6136 - 6764 SDT, mg.L-1 11810 51,6x10-2 11810 - 11811 ST, mg.L-1 13360 0,19x10-2 13340 - 13380 SV, mg.L-1 3836 0,56x10-2 3777 - 3894 Nitratos, mg NO3.L-1 77,5  77,5 Azoto Amon., mg NH4.L-1 1864  1864 Azoto Total, mg N.L-1 2411 2,0x10-2 2089 - 2732 Fósforo Total, mg P.L-1 3,41 15,3x10-2 3,22 - 3,59  Relativamente ao teor de metais tóxicos, do conjunto analisado (Al, Fe, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni e Zn), todos cumprem com os valores estabelecidos na legislação, com exceção do ferro que registou um teor de 7,42 mg/L. 3.2 Estudo da Tratabilidade com o Reagente de Fenton Efeito do pH: Os ensaios foram realizados para valores de pH no intervalo 2,5 a 3,5 e mantendo as seguintes condições operatórias: volume de lixiviado de 100 mL; DQO inicial de 6450 mg O2/L; temperatura de 25±2ºC; concentração de H2O2 1,5, 3 e 6 g/L; concentração de FeSO4.7H2O de 2,72 g/L; velocidade de agitação de 150 rpm. Para um tempo de reação de 20 minutos seguido de um período de decantação de 30 minutos, foi determinada a DQO do sobrenadante, em triplicado, e calculadas as respetivas percentagens de remoção (Figura 3). Da Figura 3 constata-se que a percentagem de remoção de DQO registou um aumento com a razão H2O2:Fe(II), sendo o efeito do pH na gama 2,5 a 3,5 praticamente sem significado. Contudo, para a razão H2O2:Fe(II)=10,91 registou-se uma remoção ligeiramente superior a pH 2,5 (65%), face aos 60% para os restantes valores de pH. Neste ensaio verificou-se que no fim do período de reação o pH registava um valor em torno de 1,8, abaixamento provavelmente devido à fragmentação do material orgânico em ácidos orgânicos. Para a totalidade das experiências foi registado um aumento da temperatura, dos 25±2ºC para os 30±3ºC, o que confirma o caráter exotérmico da reação. Foi realizado outro ensaio para a mesma razão H2O2:Fe(II), usando contudo quantidades diferentes de peróxido de hidrogénio e de sulfato ferroso: volume de lixiviado de 100 mL; DQO inicial de 6450 mg O2/L; temperatura de 25±2ºC; concentração de H2O2 4,5 e 6 g/L; concentração de Área temática: Engenharia Ambiental e Tecnologias Limpas 5FeSO4.7H2O de 2,03 e 3,63 g/L; velocidade de agitação de 150 rpm.  Figura 3 – Efeito do pH na remoção de DQO variando a razão H2O2:Fe(II). Na Tabela 2 encontram-se os resultados obtidos para a remoção da DQO mantendo constante a razão H2O2:Fe(II)=10,9; o aumento das concentrações do peróxido de (4,5 para 6,0 g/L) e do ião ferro (0,41 para 0,55 g/L) não se traduziu em qualquer incremento da remoção da DQO para pH 3,0 e 3,5. A percentagem de remoção da DQO obtida para pH 2,5 registou um melhor resultado para concentrações mais baixas de H2O2 e Fe(II), tendência contrária ao que seria de esperar, o que poderá estar associado a algum erro experimental. Tabela 2 – Efeito das concentrações de H2O2 e Fe(II) na remoção de DQO; períodos de reação /decantação 20/30 minutos (H2O2:Fe(II)=10,9) Experiência pH H2O2 (g/L) Fe2+(g/L) Remoção DQO (%) 1 2,5 4,5 0,41 35,1 1a 2,5 6,0 0,55 28,5      2 3,0 4,5 0,41 29,8 2a 3,0 6,0 0,55 29,8      3 3,5 4,5 0,41 25,8 3a 3,5 6,0 0,55 25,8  Avaliação do efeito da dosagem de peróxido de hidrogénio e de sulfato de ferro sobre a remoção de DQO: Realizaram-se dois conjuntos de experiências a pH 2,5: i) avaliar o efeito da variação da concentração de H2O2 na gama 3 a 12 g/L, e concentração de Fe(II) constante (0,55 g/L); ii) concentração de Fe(II) variável (0,55 a 2,18 g/L), mantendo constante a concentração de H2O2 (12 Área temática: Engenharia Ambiental e Tecnologias Limpas 6g/L). Os resultados obtidos são apresentados nas Tabelas 3 e 4. Tabela 3 – Efeito da dosagem de H2O2 ([Fe(II]=0,55 g/L; DQOinicial=6450 mg O2/L) na remoção da Demanda Química de Oxigénio Parâmetro Experiência  1 2 3 4 5 6 H2O2 (g/L) 3 4,5 6 7,5 9 12 H2O2:Fe(II) 5,5 8,2 10,9 13,6 16,4 21,8 DQO final (mg O2/L) 3964 3900 3980 3741 3582 3235 Remoção DQO (%) 38,5 39,5 38,3 42,0 44,5 49,8  Tabela 4 – Efeito da dosagem de Fe(II) ([H2O2]=12 g/L; DQOinicial=6450 mg O2/L) na remoção da Demanda Química de Oxigénio Parâmetro Experiência  1 2 3 4 5 6 Fe(II) (g/L) 2,18 1,46 1,09 0,87 0,73 0,55 H2O2:Fe(II) 5,5 8,2 11,0 13,8 16,4 21,8 DQO final (mg O2/L) 2465 2545 2704 2545 2863 3181 Remoção DQO (%) 61,8 60,5 58,1 60,5 55,6 50,7  Uma análise aos resultados das Tabelas 3 e 4 permite concluir que a remoção de DQO do lixiviado teve um aumento significativo (cerca de 20%) com a concentração de Fe(II) de 0,55 para 0,87 g/L, permanecendo depois praticamente constante no restante intervalo de concentrações estudadas. Observou-se assim, que a combinação de 12 g/L de H2O2 com 0,87 g/L de Fe(II), para um pH inicial de 2,5, e à temperatura de 25ºC, permitiu alcançar uma remoção de DQO próxima de 61%. Atendendo às concentrações de oxidante e catalisador usadas a razão H2O2:Fe(II) é de aproximadamente 13,8, ou seja corresponde à utilização de uma razão molar de 22,7. 3.3 Produção de Lama – Reação de Oxidação com o Reagente de Fenton No tratamento do lixiviado pelo processo Fenton é gerado um volume de lama, que depende da razão H2O2:Fe(II) utilizada. A Figura 4 apresenta o volume de lama gerada, após um período de decantação de 30 minutos e utilizando diferentes razões de H2O2:Fe(II). Nos ensaios a concentração de Fe(II) foi mantida constante (0,55 g/L), enquanto a [H2O2] variou na gama 3-12 g/L (pH e temperatura foram os habituais). Para uma razão crescente de H2O2:Fe(II) correspondeu a formação de um menor volume de lama, o que pode ser devido a uma maior conversão de Fe(III) a Fe(II). Dependendo da razão H2O2:Fe(II) usada, para a gama estudada, corresponderia a uma produção de lamas entre os 230 e os 60 L de lama/m3 de lixiviado. Área temática: Engenharia Ambiental e Tecnologias Limpas 7 Figura 4 – Produção de lama em função da razão H2O2:Fe(II); [Fe(II)] constante. 4. CONCLUSÕES O lixiviado apresentou um pH de 8,7, na gama alcalina. De acordo com a literatura este valor é atribuído a um lixiviado resultante de um aterro antigo, e que se encontra numa fase metanogénica, o que contraria realidade do aterro. Embora o lixiviado seja proveniente de um aterro novo, provavelmente encontra-se já na fase metanogénica, a mais ativa biologicamente. Nas experiências realizadas, com o reagente de Fenton, o tempo de reação ótimo foi de 20 minutos, e o período de decantação de 30 minutos, a que correspondeu a maior remoção de DQO. Após o período de reação a temperatura aumentou para um valor próximo de 33ºC; a reação é exotérmica como era esperado. Relativamente ao efeito do pH, conclui-se que a remoção de DQO aumenta com a razão H2O2:Fe(II), embora o efeito do pH na gama de 2,5-3,5 não tenha sido tão significativo. A pH 2,5 foi obtida a maior remoção de DQO (64,3%). A remoção de DQO aumenta significativamente com a concentração de Fe(II) de 0,55 para 0,87 g/L, mantendo-se depois praticamente constante e a combinação de 12 g/L de H2O2 com 0,87 g/L de Fe(II), conduz a uma boa remoção, aproximadamente 62%. A quantidade de lama gerada no processo Fenton foi maior para a menor dosagem de peróxido, consequentemente com menor razão H2O2:Fe(II). O estudo cinético permite concluir que após cerca de 3 segundos de reação a DQO reduz-se mais de 50%, e que para um tempo da ordem dos 40 minutos se atinge uma eficiência de remoção máxima de 65,4%. O tempo de reação adotado (20 minutos) em todas as experiências realizadas, conduziu a uma eficiência de remoção muito próxima do valor máximo, o que se justifica, por permitir num tratamento em contínuo reduzir o volume do reator por m3 de caudal a tratar. Área temática: Engenharia Ambiental e Tecnologias Limpas 85. REFERÊNCIAS ALLEN, A. Sustainable landfilling for developing countries. Ninth International Waste Management and Landfill Symposium, Cagliari, 2003. APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Washington DC: 22 Ed., 2012. DING, Z.; GUAN, W. Treatment of landfill leachate by microwave-fenton oxidation process catalysed by Fe2+ loaded GAC. J. Testing and Eval., v 41, p. 2012-2018, 2013. EEA – Europe’s Environment: the second assessment. Elsevier Science Ltd, 293 p, 1998. GOI, A.; VERESSININA, Y.; TRAPIDO, M. Fenton process for landfill leachate treatment: evaluation of biodegradability and toxicity. J. Environ. Eng., v 136(1), p. 46-53, 2010. LIMA, W. S. Avaliação do desempenho de remoção de poluentes de lixiviados: um estudo de caso para o sistema de tratamento do Aterro Municipal de Betim- Minas Gerais. Belo Horizonte: Tese de mestrado, UFMG, 2006. METCALF & EDDY INC. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse. New York: McGraw-Hill, 4 Ed., 2003. SILVA, C. E.; LANGE, L. C.; FERREIRA, C. F. A.; AMARAL, M. C. S. Avaliação da composição orgânica de percolado submetido aos processos Fenton e Foto-Fenton. 30º Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental-AIDIS, Punta Del Leste, 2006.   Área temática: Engenharia Ambiental e Tecnologias Limpas 9

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