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Incorporação de lodo calcinado de estação de tratamento de água como material cimentício suplementar

Resumo

O lodo de estação de tratamento de água (ETA), principal resíduo gerado pelas atividades de potabilização da água, quando calcinado possui compostos químicos semelhantes aos encontrados nas matérias-primas cimentantes, viabilizando sua utilização como material cimentício suplementar (MCS). Este trabalho teve como objetivos: a) caracterização química e física do lodo calcinado a temperatura de 700°C (LETAC) durante 1 hora, proveniente de uma ETA localizada em Venâncio Aires (RS);b) avaliação da influência da sua incorporação, em percentuais de 10% e 25% como MCS em pastas e em argamassas. Foram realizados ensaios microestruturais e mecânicos. Os resultados obtidos na calorimetria indicam que o resíduo apresenta efeito fíler e químico. A partir da análise termogravimétrica, verificou-se que a incorporação do lodo nas pastas de cimento promoveu um consumo de hidróxido de cálcio (redução de 40% na composição com 25% de LETAC) e consequente formação de C-S-H. Os resultados do DRX mostram que a quantidade de fases amorfas foi superior em 11% na pasta com 25% de LETAC, confirmando o desenvolvimento adicional de C-S-H. Quanto às propriedades mecânicas, não foram verificadas perdas significativas de resistência à compressão em pastas quando utilizado o resíduo em até 25% de substituição.

Introdução

O consumo elevado de cimento Portland pode ser associado a fatores como baixo custo, matéria-prima abundante e resultados satisfatórios relacionados à durabilidade de estruturas constituídas por esse material. No ano de 2016 a produção mundial de clínquer foi de 6,06 bilhões de toneladas. No Brasil, de 1990 a 2016, essa produção aumentou de 18,7 para 38,8 milhões de toneladas (WORLD…, 2016). Nesse contexto, o alto consumo de cimento Portland está vinculado a um grande impacto ambiental, uma vez que a sua produção envolve elevada emissão de gás carbônico (CO2). Uma alternativa para a redução das emissões de CO2 consiste na substituição parcial do cimento Portland por materiais cimentícios suplementares (MCS). Entre 1990 e 2016, a incorporação de materiais pozolânicos para a produção de clínquer no Brasil aumentou de 93,2 para 715 mil toneladas (WBCSD, 2016), evidenciando a tendência da utilização de MCS. Isso posto, de acordo com Gastaldini et al. (2015), as indústrias modernas de cimento já reduziram a emissão de CO2 para 0,7 tonelada para cada tonelada de clínquer produzido. No entanto, segundo Hagemann et al. (2019), a implementação de muitas dessas novas iniciativas nem sempre é viável, devido a dificuldades e adaptações técnicas e operacionais ou à falta de regulamentação e normalização, de modo que o uso de MCS continua sendo a principal alternativa para reduzir o consumo de cimento Portland.

Entre os MCS, destacam-se as pozolanas naturais. As pozolanas reagem quimicamente com o hidróxido de cálcio para produzir compostos com propriedades cimentantes. Existem extensas reservas de pozolanas naturais em todo o mundo, entretanto estas geralmente têm reatividade muito baixa e suas características são variáveis de acordo com sua localização.

Nesse contexto, e considerando as propriedades químicas e físicas do lodo de estação de tratamento de água (ETA), alternativas para a aplicação desse material na produção de materiais de construção, tais como telhas, agregados leves, concretos e geopolímeros, vêm sendo amplamente pesquisadas (GOMES et al., 2019). As principais composições químicas de alguns lodos residuais contêm Al2O3, Fe2O3 e SiO2, que são os principais compostos químicos das matérias-primas cimentícias.O lodo de ETA, resultado do processo de transformação de água bruta em água potável nas estações de tratamento de água, é classificado como resíduo sólido pertencente à Classe II A (resíduos não inertes), de acordo com a NBR 10004 (ABNT, 2004). Essa classe de resíduos não pode ser lançada na rede pública de esgoto nem em corpos d’água, sendo comumente disposta em aterros sanitários, gerando elevados custos de destinação para as empresas geradoras (COCCO, 2017). Como agravante, elevadas quantidades de lodo de ETA são produzidas diariamente (GOMES et al., 2019). Estima-se que em uma ETA usual, caracterizada pelos processos de coagulação, floculação, sedimentação, filtração e desinfecção, são geradas cerca de 100.000 toneladas/ano de lodo de ETA (AHMAD; AHMAD; ALAM, 2016).

Gomes et al. (2019) realizaram um levantamento na literatura existente, identificando a quantidade de lodo de ETA per capita gerada em diversos países. Portugal apresenta o maior per capita, com um valor de 6,42 toneladas/ano. Países como China, Japão, Alemanha, França e Austrália apresentam um per capita de, respectivamente, 1,06, 2,28, 1,48, 2,59, 0,98 e 1,75 toneladas de lodo de ETA por ano. No Brasil, estima-se que o volume diário de lodo gerado em uma estação de tratamento varia entre 0,1% e 3% em relação ao volume diário de água tratada (BERNARDO; DANTAS; VOLTAN, 2012). De acordo com Tartari (2008), em termos volumétricos, a maior quantidade de resíduos gerados é proveniente da água de lavagem de filtros, mas em termos de massa, as maiores quantidades são provenientes dos decantadores.

Recentemente, alguns pesquisadores têm se dedicado ao estudo do lodo de ETA calcinado como material cimentício suplementar. Godoy et al. (2019) realizaram a caracterização de um lodo de uma estação de tratamento de água localizada no sul do Brasil. Os autores verificaram que a temperatura de calcinação influencia na reatividade do resíduo. O lodo de ETA calcinado a uma temperatura de 600 ⁰C resultou em um MCS equivalente a uma pozolana normal, já o material submetido à calcinação em uma temperatura de 750 ⁰C resultou em uma pozolana de alta reatividade.

Ahmad, Ahmad e Alam (2016) mencionam que existe uma carência de pesquisas sobre a resistência à compressão de cimentos com a incorporação de lodo de ETA, e que tal fato gera limitações no que tange à aplicação prática. Nesse âmbito, El-Didamony, Khalil e Heikal (2014) substituíram em cimentos compostos a quantidade de escória granulada de alto forno por percentuais de lodo de ETA de 5%, 10% e 15%. Os autores observaram que as pastas de cimento com a substituição de escória por lodo de ETA apresentaram um aumento da água quimicamente combinada e de produtos de hidratação e, consequentemente, incrementos na resistência à compressão de até 5% com percentuais de substituição de 5% de lodo de ETA. Esse comportamento é atribuído ao efeito de nucleação do lodo de ETA e à atividade pozolânica superior à escória granulada de alto forno utilizada.

Gastaldini et al. (2015) avaliaram a resistência à compressão de concretos com teores de substituição de cimento Portland por lodo calcinado de ETA variando entre 0% e 30%. A incorporação do resíduo resultou em um aumento nos valores de resistência à compressão, nas idades de 7 e 28 dias, com acréscimos de resistência entre 3% e 30%.

Stein (2016) avaliou características microestruturais de pastas de cimento Portland com teores de substituição de cimento por lodo calcinado de ETA de 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25% e 30%. Os resultados obtidos pelo autor indicaram que, com um aumento do teor de substituição de cimento por resíduo, houve uma redução na concentração de hidróxido de cálcio, o que está relacionado com a formação de C-S-H, confirmando a atividade pozolânica desse resíduo.

Entretanto, Rodríguez et al. (2010), substituindo parcialmente o cimento Portland por percentuais de lodo de ETA de 10%, 20% e 30% em argamassas, verificaram retardos expressivos nas taxas de hidratação, bem como reduções nas resistências à compressão aos 28 dias em relação ao traço de controle, com índices de atividade pozolânica entre 30% e 50%. Isso, de acordo com os autores, ocorreu porque, embora a proporção de SiO2 + Al2O3 do lodo de ETA seja elevada, a sua estrutura é predominantemente cristalina e não exibiu atividade pozolânicano ensaio químico de Frattini. Segundo Tironi et al. (2013), a elevada superfície específica das argilas calcinadas tem mais efeito sobre a atividade pozolânica em curto prazo, enquanto que em longo prazo a atividade pozolânica está relacionada com a composição mineralógica e química das fases amorfas das argilas calcinadas.

Diante do exposto, este trabalho realizou a caracterização de um resíduo proveniente de uma planta de estação de tratamento de água localizada no município de Venâncio Aires (Rio Grande do Sul) e investigou o potencial do uso desse lodo de ETA calcinado como MCS. Dessa maneira, o estudo contribui para encontrar uma alternativa tecnicamente viável para o lodo de ETA, evitando assim que tal resíduo seja descartado de maneira inadequada em rios e reduzindo a área necessária para a disposição desse material em aterros sanitários. Além disso, conforme mencionado por Godoy et al. (2019), são escassos os trabalhos que utilizaram lodo de ETA localizadas no sul do Brasil como matéria-prima para a produção de materiais cimentícios suplementares. Os autores também destacam a importância da caracterização de lodos de ETA de diferentes locais para garantir que as propriedades do material calcinado possibilitem sua utilização como MSC, uma vez que a composição e as características químicas e físicas do lodo gerado variam de acordo com a localização da ETA. Por fim, destaca-se que não foram encontrados trabalhos na literatura que avaliaram a influência da incorporação de lodo de ETA calcinado na resistência à tração na flexão de argamassas, o que ressalta o ineditismo do trabalho em questão.

Autores: Artur Spat Ruviaro; Laura Silvestro; Taylana Piccinini Scolaro; Fernando Pelisser e Philippe Jean Paul Gleize.