Mineralogical, chemical and geotechnical characterization of sludge from Taiaçupeba water treatment plant

Authors

DOI:

https://doi.org/10.24849/j.geot.2021.151.03

Keywords:

Waste reuse, WTS sludge, chemical-mineralogical characterization, geotechnical characterization

Abstract

Sludge from Water Treatment Plants (WTS) is waste from washing filters and decanters. In Brazil most of this waste has inappropriate destination from an environmental standpoint. However, there has been a search for more sustainable solutions, such as its reuse mixed with natural soils in geotechnical works, which requires the characterization of the material. In this paper, the chemical, mineralogical and geotechnical characteristics of Taiaçupeba WTS, located in the city of Suzano, Brazil, are presented. The sludge has a large amount of amorphous matter and an organic matter content of 15.5%, is acidic (pH = 6.4) and has a higher cation exchange capacity than most Brazilian tropical soils (CEC = 73.3 mmolc.kg-1). The predominance of organic matter, the reduced presence of minerals, the presence of metallic salts and polymers and the high moisture content make it difficult to perform and interpret geotechnical tests, particularly granulometric analysis. Some deflocculants were tested and failed to promote the separation of particles in the sedimentation. On the other hand, laser granulometry indicated more than 95% of fines. Grain specific mass of 2.42 g / cm³ was obtained, liquidity limit of 536%, plasticity limit of 236% and the material was classified as organic silt.

Downloads

Download data is not yet available.

References

ABNT (1984). NBR 6.508 - Grãos de solos que passam na peneira de 4,8 mm - Determinação da massa específica. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro.

ABNT (1986). NBR 6.457 - Amostras de solo – Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro.

ABNT (1996). NBR 13.600 - Determinação do teor de matéria orgânica por queima a 440ºC. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro.

ABNT (2004). NBR 10.004 - Resíduos Sólidos - Classificação. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro.

ABNT (2016 a). NBR 6.459 - Solo – Determinação do limite de liquidez. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro.

ABNT (2016 b). NBR 7.180 - Solo – Determinação do limite de plasticidade. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro.

ABNT (2017). NBR 7.181 - Solo – Análise granulométrica. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro.

Abo-El-Enein, S.A.; Shebl, A.; Abo El-Dahab, S.A. (2017). Drinking water treatment sludge as an efficient adsorbent for heavy metals removal. Applied Clay Science, 146, p. 343-349.

Ahmad, T.; Ahmad, K.; Abdul, A.; Alam, M. (2016). Characterization of water treatment sludge and its reuse as coagulant. Journal of Environmental Management, 182, p. 606-611.

Asociación Nacional De La Industria Quimica (2019). Información técnica Superfloc Serie 8000 HMW PAMs catiónica seca. Disponível em: <http://www.aniq.org.mx/webpublico/>. Acesso em: 7 nov. 2019.

ASTM D7928-17 (2017 a). Standard Test Method for Particle-Size Distribution (Gradation) of Fine-Grained Soils Using the Sedimentation (Hydrometer). Annual Book of ASTM 2018, Volume 04.08.

ASTM D2487-17 (2017 b). Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification System). Annual Book of ASTM 2018, Volume 04.08.

ASTM D2974-20e1 (2020). Standard Test Methods for Moisture, Ash, and Organic Matter of Peat and Other Organic Soils. Annual Book of ASTM 2021, Volume 04.08.

Azzam, W. (2013). Behaivor of Modified Clay Microstructure using Polymer Nanocomposites Techique. Alexandria Engineering Journal, p. 143-150.

Babatunde, A.O.; Zhao, Y.Q. (2007) Constructive approaches toward water treatment works sludge management: an international review of beneficial reuses. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 37, nº 2, p. 129-164.

Basim, S.C. (1999). Physical and Geotechnical Characterization of Water Treatment Plant Residuals. PhD Thesis—New Jersey: New Jersey Institute of Technology.

Blight, G.E. (1997). Mechanics of residual soils. A. A. Balkema Publishers, Rotterdam, Netherlands.

Brasil (2005). Resolução do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) nº 357, de 18 de março de 2005. Classificação dos corpos de água. Diário Oficial da União, Brasília.

Brasil (2010). Lei nº 12.305 de 02 de agosto de 2010. Institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos; altera a Lei no 9.605, de 12 de fevereiro de 1998; e dá outras providências. Diário Oficial da União, Brasília.

Brasil (2011). Resolução do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) nº 430, de 16 de maio de 2011. Dispõe sobre as condições e padrões de lançamento de efluentes, complementa e altera a Resolução nº 357, de 17 de março de 2005. Diário Oficial da União, Brasília.

Brazetti, R. (1998). Considerações sobre a influência de distintos aditivos orgânicos nas características micromorfológicas, mineralógicas, físicas, mecânicas e hidráulicas de um solo laterítico. Tese de Doutorado, Universidade de São Paulo, São Paulo.

BSI (1990). BS 1377-3:1990 – Methods of test for soils for civil engineering purposes (chemical and electro-chemical tests). British Standards Institution, London, UK.

Buselatto, D.M.; Wenzel, M.C.; Rocha, G.H.; Webber, J.; Silva, S.R.; Andrade, J.J.O. (2019). Incorporação de lodo de estação de tratamento de água (ETA) como agregado miúdo em concretos: avaliação das propriedades físico-mecânicas. Matéria, 24, nº 1.

Cabral, V.A.L. (2013). Avaliação da incorporação do lodo da ETA UFV na manufatura de tijolos de solo-cimento. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa.

Dayton, E.A.; Basta, N.T. (2001). Characterization of drinking water treatment residuals for use as a soil substitute. Water Environment Research, 73, nº 1, p. 52-57.

Delgado, J.V.C. (2016). Avaliação da aplicação do lodo da ETA Guandu na pavimentação como disposição final ambientalmente adequada. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.

Dumke, C.; Camargo, T.; Uhlig, C.; Somensi, A.; Hopner, N. (2015). Avaliação da eficiência de um polímero aniônico e um polímero catiônico em tratamento de água para abastecimento. Anais da 6ª Mostra Científica e Tecnológica - Campus Araquari, Araquari.

El-Didamony, H.; Khalil, K.H.A.; Heikal, M. (2019). Physico-chemical and surface characteristics of some granulated slag–fired drinking water sludge composite cement pastes. HBRC Journal, 10, nº 1, p. 73-81.

Elliott, H.A.; Dempsey, B.A. (1991). Agronomic Effects of Land Application of Water Treatment Sludges. Journal AWWA, p. 126-131.

EMBRAPA (2017). Manual de Métodos de Análise de Solos. 4ª edição, Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, Rio de Janeiro, Brasil.

Ferreira, K.S.M.; Montalvan, E.L.T.; Sawatani, T.F.; Boscov, M.E.G. (2019). Influência da secagem nos parâmetros de resistência à compressão simples de misturas compactadas de solos lateríticos com lodo de ETA. Anais do 8º Congresso Brasileiro de Geotecnia Ambiental, 9, Congresso Brasileiro de Geossintéticos, São Carlos.

Flemming, B.W. (2000). A revised textural classification of gravel-free muddy sediments on the basis ternary diagrams. Continental Shelf Research, p. 1125–1137.

Godoy, L.G.G.; Rohden, A.B.; Garcez, M.R.; Costa, E.B.; Dalt, S.; Andrade, J.J.O. (2019). Valorization of water treatment sludge waste by application as supplementary cementitious material. Construction and Building Materials, 223, p. 939-950.

Head, K.H. (2006). Manual of Soil Laboratory Testing. 3ª edição, vol. 1, Whittles Publishing, Scotland, Reino Unido.

Hsieh, H.N.; Raghu, D. (1997). Criteria development for water treatment plant residual monofills. AWWA Research Foundation and American Water Works Association, Denver, Colorado.

Katayama, V.T. (2012). Quantificação da produção de lodo de estações de tratamento de água de ciclo completo: uma análise crítica. Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo, São Paulo.

Lambe, T.W. (1951). Soil Testing for Engineers. John Wiley, New York.

Montalvan, E.L.T. (2016). Investigação do comportamento geotécnico de misturas de solo arenoso com lodo da Estação de Tratamento de Água Cubatão. Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo, São Paulo.

Montalvan, E.L.T.; Ferreira, K.S.M.; Godoy, R.V.S.; Boscov, M.E.G. (2019). Influence of water treatment sludge addition on the compressibility and shear strength parameters of two lateritic soils. Proceedings of 16th XVI Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotecnhical Engineering, Cancun.

Montalvan, E.L.T.; Boscov, M.E.G. (2018). Geotechnical Parameters of Mixtures of a Tropical Soil with Water Treatment Sludge. Proceedings of 8th International Congress on Environmental Geotechnics, Springer, Singapore.

Muchimbane, A.B.D.A. (2016). Avaliação da influência da disposição de lodo gerado por estação de tratamento de água sobre a qualidade do solo e da água subterrânea na área da Barragem Taiaçupeba, Suzano, SP. Tese de Doutorado, Universidade de São Paulo, São Paulo.

Nair, A.T.; Ahammed, M.M. (2014). Coagulant recovery from water treatment plant sludge and reuse in post-treatment of UASB reactor effluent treating municipal wastewater. Environmental Science and Pollution Research, 21, p. 10407-10418.

O’Kelly, B.C. (2008). Geotechnical properties of a municipal water treatment sludge incorporating a coagulant. Canadian Geotechnical Journal, 45, nº 5, p. 715-725.

O’Kelly, B.C. (2016). Geotechnics of municipal sludges and residues for landfilling. Geotechnical Research, 3, nº 4, p. 148-179.

O’Kelly, B.C.; Sivakumar, V. (2014) Water content determinations for peat and other organic soils using the oven-drying method. Drying Technology: An International Journal, 32.

Oliveira, A.P.S. (2015). Avaliação dos atributos de um latossolo adubado com lodo de estação de tratamento de água. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora.

Oliveira, E.M.S.; Machado, S.Q.; Holanda, J.N.F. (2004). Caracterização de resíduo (lodo) proveniente de estação de tratamento de águas visando sua utilização em cerâmica vermelha. Cerâmica, 50, p. 324-330.

Raghu, D.; Hsieh, H.; Neilan, T. Yih, C. (1987). Water treatment plant sludge as landfill liner. Proceedings of Geotechnical Practice for Waste Disposal.

Ramirez, K.G.; Possan, E.; Bittencourt, P.R.S.; Carneiro, C.; Colombo, M. (2018). Physico-chemical characterization of centrifuged sludge from the Tamanduá water treatment plant (Foz do Iguaçu, PR). Matéria, 23, nº 3.

Richter, C.A. (2001). Tratamento de Lodos de Estações de Tratamento de Água. 1ª edição, 4ª reimpressão, Edgard Blucher, São Paulo.

Rodríguez, N.H.; Ramírez, S.M.; Varela, M.T.B. Guillem, M.; Puig, J.; Larrotcha, E.; Flores, J. (2010). Re-use of drinking water treatment plant (DWTP) sludge: characterization and technological behaviour of cement mortars with atomized sludge additions. Cement and Concrete Research, 40, p. 778-786.

Roque, A.; Montalvan, E.L.T.; Boscov, M.E.G. (2019). Caracterização mineralógica, química e geotécnica do lodo da Estação de Tratamento de Água Taiaçupeba. Anais do 6º Simpósio sobre Resíduos Sólidos, São Carlos, N.P.

Shepard, F.P. (1954). Nomenclature Based on Sand-silt-clay Ratios. Journal of Sedimentary Research, 24, nº 3.

Silva, A.S.; Hemsi, P.S. (2018). Efeito do teor de sólidos na resistência ao cisalhamento de um lodo de ETA visando seu uso em cobertura diária de aterros sanitários. Anais do 19º Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, Salvador.

Suguio, K. (1973). Introdução a Sedimentologia. Edgard Blucher, São Paulo.

Suman, A.; Ahmad, K.; Inamulhaq (2018). Water treatment plant sludge characterization, recovery of coagulant and its reuse. International Journal of Research in Engineering and Technology, 7.

Tan, K.H. (2011). Principles of Soil Chemistry. 4th edition, CRC Press - Taylor & Francis Group, Athens, Georgia.

Tsugawa, J.K.; Romano, R.C.; Pileggi, R.G.; Boscov, M.E.G. (2018). Rheological Approach for the Evaluation of Geotechnical Use of Water Treatment Sludge. The International Congress on Environmental Geotechnics. Proceedings of 8th International Congress on Environmental Geotechnics, Springer, Singapore.

Tsugawa, J.K.; Da Silva Sabino, E.F.; Monte, R. Boscov, M.E.G. (2019). Importance of Composing Representative Samples According to the Theory of a Sampling (TOS) for the Reuse of Water Treatment Sludge. Proceedings of 16th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Cancun, Mexico.

US EPA Method 1684 (2001). Total, fixed, and volatile solids in water, solids, and biosolids. Washington, DC.

Vandermeyden, C.; Cornwell, D.A. (1998). Nonmechanical dewatering of water plant residuals. AWWA Research Foundation and American Water Works Association, Denver, Colorado.

Walkley, A.; Black, I.A. (1934). An examination of the degtjareff method for determining soil organic matter and a proposed modification of the chromic acid titration method. Soil Science, 37, nº 1, p. 29-38.

Wang, M.C.; Hull, J.Q.; Jao, M. Dempsey, B.A.; Cornwell, D.A. (1992). Engineering behavior of water treatment sludge. Journal of Environmental Engineering, 118, nº 6, p. 848-864.

Watanabe, Y.; Komine, H.; Yasuhara, K.; Murakami, S. (2011). Batch Leaching Test Focusing on Clod Size of Drinking Water Sludge and Applicability to Long-Term Prediction Using Column Leaching Test. Proceedings of Geo-Frontiers 2011 - Advances in Geotechnical Engineering.

Wintermyer, A.M.; Kinter, E.B. (1955). Dispersing agents for particle-size analysis of soils. Highway Research Board Bulletin, Transportation Research Board of the National Academy of Sciences.

Wolff, E.; Schwabe, W.K.; Conceição, S.V. (2014). Utilization of water treatment plant sludge in structural ceramics. Journal of Cleaner Production, p. 1-8.

Xia, Z. (1994). Geotechnical characterization of water treatment plant residuals. M.Sc. Thesis, New Jersey Institute of Technology, New Jersey.

Yang, L.; Wei, J.; Zhang, Y.; Wang, J.; Wang, D. (2014). Reuse of acid coagulant recovered drinking waterworks sludge residual to remove phosphorus from wastewater. Applied Surface Science, 305, p. 337-346.

Yang, Y.; Tomlinson, D.; Kennedy, S.; Zhao, Y.Q. (2006). Dewatered alum sludge: a potential adsorbent for phosphorus removal. Water Science & Technology, 54, nº 5, p. 207-213.

Zhao, Y.; Liu, R.; Awe, O.W.; Yang, Y.; Shen, C. (2018). Acceptability of land application of alum-based water treatment residuals – An explicit and comprehensive review. Chemical Engineering Journal, 353, p. 717-726.

Published

2021-03-12

Issue

Section

Articles