Valorização do lodo resultante de processo de eletrocoagulação para tratamento de esgoto sanitário: recuperação e reutilização do alumínio e estudo da adequabilidade e segurança do lodo para uso na agricultura

Abstract

A eletrocoagulação (EC) tem se mostrado promissora no tratamento de águas residuais, proporcionando a remoção de uma ampla gama de poluentes, removendo de forma eficiente o fósforo. No entanto, esta tecnologia caracteriza-se por gerar lodos com elevado conteúdo de íons metálicos, em decorrência da dissolução dos ânodos, tipicamente feitos de alumínio. Neste contexto, a presente pesquisa tem por objetivo avaliar a recuperação de alumínio presente no lodo de esgoto resultante de processo de EC, através do processo de lixiviação ácida, a fim de promover a valorização sustentável do lodo. Inicialmente, avaliou-se o impacto da EC associada ao processo biológico no tratamento de esgoto secundário, sendo realizada a otimização do processo por meio de um planejamento fatorial. Em seguida, o lodo de EC (seco e in natura) foi submetido a diferentes métodos de lixiviação ácida, utilizando ácido sulfúrico, drenagem ácida mineral (DAM) e água de rio impactada por DAM (AIDAM) como agentes de lixiviação, de forma a definir o método mais eficiente para recuperação do alumínio. Este método foi otimizado (planejamento fatorial), e o lodo resultante (livre de alumínio) foi avaliado quanto a sua adequabilidade e segurança para ser utilizado na agricultura. Por fim, o método de lixiviação ácida otimizado foi aplicado para recuperação de alumínio contido no lodo de um eletrobiorreator a membrana (EBRM), e a solução de alumínio recuperada foi testada quanto ao seu potencial de reutilização como agente coagulante no tratamento primário de esgoto sanitário, e como matéria-prima na fabricação de alúmens de potássio. Os resultados indicaram que a EC proporciona qualidade superior ao esgoto municipal tratado. Sob densidade de corrente de 10 A.m-2, modo de exposição 6'ON/30'OFF e pH inicial 8 foi possível remover 99,51% de PO43-, 98,56% de NH4+ e 99,04% de DQO, após 48 horas. O alumínio depositado no lodo durante este processo pode ser recuperado de forma eficiente por lixiviação ácida utilizando lodo in natura e ácido sulfúrico. As condições ideias foram pH 1,20 e velocidade de agitação de 100 rpm. Nestas condições é prevista a recuperação de 95,73% do alumínio, após 15 minutos. O uso do lodo seco diminuiu a porcentagem de recuperação de alumínio (22,82%), enquanto o uso de DAM e AIDAM não promoveram recuperação acima de 2,22%. O lodo, após recuperação do alumínio, mostrou-se seguro e adequado para uso na agricultura após a neutralização do pH, com ausência de agentes patogênicos e de toxicidade, e concentração de 67,06 mg.L-1 de PO43- e 125,63 mg.L-1 de NO3-. Além disso, 45,83% da massa sólida do lodo foi reduzida. O método de lixiviação com ácido sulfúrico demonstrou efetividade na recuperação total de alumínio do lodo de um EBRM, o qual foi reutilizado como agente coagulante no tratamento primário de esgoto sanitário, proporcionando remoção de 98,77% de turbidez, 92,10% de cor aparente, 36,64% de nitrogênio total, 97,73% de íons de ferro, e 96,52% de fosfato, sob dose de coagulante de 75,84 mg.L-1 e pH inicial de 7,27. O alumínio recuperado também apresentou viabilidade como matéria-prima na produção de alúmen de potássio, sendo possível produzir 3,757 g de alúmen a partir de 1 L de solução contendo 236 mg.L-1 de alumínio recuperado sob pH 3,76. Por fim, o trabalho apresentou alternativas altamente eficientes de tratamento às Estações de Tratamento de Esgoto (ETEs), proporcionando a mitigação de dois grandes problemas: remoção elevada de fósforo e redução do volume do lodo e seu descarte seguro na agricultura.

Abstract: Electrocoagulation (EC) has shown promise in wastewater treatment, providing the removal of a wide range of pollutants, efficiently removing the phosphorus. However, this technology is characterized by generating sludge with a high content of metal ions, as a result of the dissolution of anodes, typically made of aluminium. In this context, this research aims to evaluate the recovery of aluminium present in wastewater sludge resulting from the EC process, through the acid leaching method, to promote the sustainable valorization of the sludge. Initially, the impact of EC associated with the biological process in the treatment of secondary wastewater was evaluated, and the optimization of the process was carried out through factorial planning. Then, the EC sludge (wet and dry) was subjected to different acid leaching methods, using sulphuric acid, acid mine drainage (AMD), and mine-impacted water (MIW) as leaching agents, to define the most efficient method for aluminium recovery. This method was optimized (factorial planning), and the resulting sludge (without aluminium) was evaluated for its suitability and safety for use in agriculture. Finally, the optimized acid leaching method was applied to recover aluminium contained in the sludge of a membrane electrobioreactor (MEBR), and the recovered aluminium was tested for its reuse potential as a coagulant agent in the chemically enhanced primary treatment (CEPT) of municipal wastewater, and as a raw material in the manufacture of potash alums. The results indicated that EC provides superior quality to treated municipal wastewater. Under a current density of 10 Am-2, exposure mode of 6'ON/30'OFF and initial pH 8 it is possible to remove 99.51% of PO43-, 98.56% of NH4+ and 99.04% of COD, after 48 hours. Aluminium deposited on the sludge during this process can be efficiently recovered by acid leaching using wet sludge and sulphuric acid. Ideal conditions are pH 1.20 and a stirring speed of 100 rpm. Under these conditions, 95.73% of aluminium is expected to be recovered after 15 minutes. The use of dry sludge decreased the percentage of aluminium recovery (22.82%), while the use of AMD and MIW did not promote recovery above 2.22%. The sludge, after aluminium recovery, proved to be safe and suitable for use in agriculture after neutralizing the pH, with no pathogens and toxicity, and a concentration of 67.06 mg.L-1 of PO43- and 125.63 mg.L-1 of NO3-. Furthermore, 45.83% of the sludge solid mass was reduced. The acid leaching with sulphuric acid was effective in the total recovery of aluminium from the sludge of an EBRM, which was reused as a coagulant agent in the CEPT of municipal wastewater, under a coagulant dose of 75.84 mg.L-1 and initial pH of 7.27, providing removal of 98.77% of turbidity, 92.10% of apparent colour, 36.64% of total nitrogen, 97.73% of iron ions, and 96.52% of phosphate. The recovered aluminium also showed viability as a raw material in the production of potash alum. 3.757 g of alum were produced using 1 L of a solution containing 236 mg.L-1 of recovered aluminium under pH 3.76. Finally, the study presented highly efficient alternatives for treatment of Wastewater Treatment Plants (WWTPs), providing the mitigation of two major problems: high phosphorus removal and reduction of sludge volume and its safe disposal in agriculture.