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UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Engenharia

Desenvolvimento de Agregados Artificiais por Ativao Alcalina de Lamas Residuais para

Utilizao no Tratamento de guas Residuais

Isabel Cristina Castanheira e Silva

Tese para obteno do Grau de Doutor em

Engenharia Civil (3 ciclo de estudos)

Orientador: Prof. Doutor Antnio Albuquerque Co-orientador: Prof. Doutor Joo Castro-Gomes

Covilh, maro de 2013

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Ana e ao Joo

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Agradecimentos

A autora deste trabalho agradece a todas as pessoas que, direta ou indiretamente, contriburam

de alguma forma para a sua realizao e, em particular:

Ao Sr. Professor Antnio Albuquerque, pela sua orientao cientfica, pelo contnuo apoio e

estmulo, pelos ensinamentos, conselhos e boa disposio em todos os momentos.

Ao Sr. Professor Joo Castro-Gomes, pela sua co-orientao e disponibilidade demonstrada e pelos

ensinamentos.

ESA (IPCB) e UBI pelos meios disponibilizados.

Aos meus amigos, pelo carinho e apoio demonstrados

minha famlia, pelo importante e constante apoio e encorajamento, e pela compreenso nos

momentos mais difceis.

Ao Lus pela dedicao, colaborao e companheirismo

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Resumo

Os geopolmeros so materiais artificiais obtidos por ativao alcalina de materiais alumino-

silicatados. No presente trabalho, desenvolveram-se inicialmente vrios agregados geopolimricos

artificiais (AGA), utilizando lamas residuais das minas da Panasqueira e diferentes razes R(P/S) e

R(S/H), tendo sido selecionada uma mistura mais estvel em gua para ser utilizada como meio de

enchimento de sistemas de tratamento de guas residuais.

O AGA foi posteriormente testado em termos de resistncia compresso, ataque cido e

desgaste, para diferentes condies de cura a seco e em gua, e as suas propriedades fsicas e

qumicas foram analisadas, tendo sido observado que a densidade, superfcie especfica,

resistncia e durabilidade eram prximas das de outros materiais comummente utilizados como

meio de enchimento e, portanto, adequadas para utilizao em sistemas de tratamento.

Verificou-se que a desintegrao de amostras produzidas em determinadas condies de cura, o

aumento do pH da gua e o decrscimo na resistncia em gua estariam associados a uma reao

de geopolimerizao incompleta, que poder ser explicada por uma insuficiente concentrao da

soluo de ativao , tendo resultando numa baixa dissoluo de Si e Al.

Os AGA foram posteriormente utilizados num filtro vertical de escoamento descendente para

avaliar a sua eficcia na remoo de poluentes caractersticos das guas residuais urbanas, tendo

sido observado que, independentemente das condies de operao, a remoo de fsforo ocorreu

essencialmente por soro e a de matria orgnica, amnio e nitrato ocorreu atravs de

mecanismos de biodegradao, a taxas e eficincias prximas das observadas em estudos onde

foram utilizados outros agregados.

Os ensaios em descontnuo permitiram uma remoo de matria orgnica e amnio muito mais

elevada do que os ensaios em contnuo, o que ter estado relacionado com a ocorrncia de um

tempo de reteno muito superior que favoreceu o contacto entre compostos poluentes e o

biofilme.

Assim, o desenvolvimento de materiais artificiais por ativao alcalina de lamas residuais para

utilizao como meio de enchimento de sistemas de tratamento por filtrao, apresenta-se como

uma soluo vivel para competir com os materiais tradicionalmente utilizados.

Palavras-chave

Agregados geopolimricos artificiais, lamas residuais, sistemas de tratamento, soro,

biodegradao

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Abstract

Geopolymeric binders are artificial materials obtained by alkaline activation of alumino-silicate

materials. In this work, several geopolymeric artificial aggregates (AGA) were initially developed,

using waste mud from Panasqueiras mines and various ratios R(P/S) and R(S/H). The mixture that

present itself as the most stable in water was selected to be used as a fix-film wastewater

treatment processes.

After that, the AGAs compression strength was tested, as well as its resistance to acid attack and

abrasion, for different dry conditions and water immersion conditions. Also, its physical and

chemical proprieties were analyzed, and it was observed that the density, the specific surface

area, the resistance and the durability were close to the ones existent in another materials,

commonly used as fix-film wastewater treatment processes. Therefore, those proprieties are

adequate for that.

It was verified that the disintegration of samples produced under certain curing conditions, the

rise of the water pH and decrease of the water resistance would be associated to an incomplete

geopolymerization reaction, that might be explained by an insufficient concentration of the

activation solution, which resulted in a low Si and Al dissolution rate.

Following that, the AGA were put on a biological filter, that filtrates through submerged packed

bed, in order to evaluate its efficiency in removing specific pollutants of urban residual waters. It

was observed that, independently of the operating conditions, the phosphor removal occurred

essentially through sorption and that the organic matter, ammonia and nitrate removal occurred

through biodegradation mechanisms. The rates and efficiency of those processes were close to the

ones observed in studies where other aggregates were used.

The fed-batch assays allowed a much higher organic matter and ammonia removal than the ones

operated in continuous. This may have been related to a much elevated retention time, which

favored the contact between pollutants and the biofilm.

Hence, the development of artificial materials through alkaline activation of waste mud in order

to be used as fix film in waste water treatment by filtration presents itself as viable solution to

compete with the traditionally used materials.

Keywords

Geopolymeric artificial aggregates, waste mud, wastewater treatment, sorption, biodegradation

ix

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ndice

1. INTRODUO ...................................................................................................... 1

1.1. Enquadramento e justificao ........................................................................ 1

1.2. Objetivos ................................................................................................. 4

1.3. Estrutura da tese........................................................................................ 5

2. TRATAMENTO DE GUAS RESIDUAIS ........................................................................... 7

2.1. Caractersticas das guas residuais domsticas ................................................... 7

2.2. Sistemas de tratamento de guas residuais ........................................................ 8

2.3. Sistemas de tratamento por filtrao ............................................................. 11

2.3.1. Descrio e funcionamento ....................................................................... 11

2.3.2. Materiais de enchimento .......................................................................... 13

2.3.3. Biofilme .............................................................................................. 16

2.3.4. Parmetros de operao .......................................................................... 17

2.4. Hidrodinmica em sistemas de tratamento por filtrao ...................................... 19

2.4.1. Ensaios de traagem ............................................................................... 19

2.4.2. Utilizao de modelos matemticos para estimar parmetros

caracterizadores da hidrodinmica ...................................................................... 22

2.5. Mecanismos de remoo ............................................................................. 25

2.5.1. Soro ................................................................................................ 26

2.5.2. Remoo biolgica ................................................................................. 29

3. MATERIAIS OBTIDOS POR ATIVAO ALCALINA ........................................................... 35

3.1. Descrio ............................................................................................... 35

3.2. Processo de ativao alcalina ...................................................................... 37

3.3. Aplicao de geopolmeros .......................................................................... 39

3.4. Benefcios ambientais ................................................................................ 40

4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .............................................................................. 43

4.1. Plano experimental ................................................................................... 43

4.2. Descrio ............................................................................................... 44

4.2.1. Desenvolvimento e caracterizao do geopolmero .......................................... 44

5. MATERIAIS E MTODOS ........................