XXIII ENTMME – Gramado - RS, Setembro/Outubro 2009França, Braga, Pugliesi & Oliveira

TRATAMENTO DE SEDIMENTOS DO CANAL DO FUNDÃO PARA DESCARTE EM GEOBAGS

S.C.A. França1, P.F.A. Braga1, A.A.T. Pugliesi2, T.B. Oliveira21CETEM – Centro de Tecnologia Mineral / COPM – Coordenação de Processos Minerais

Av. Pedro Calmon, 900. Cidade Universitária. Rio de Janeiro/RJ. CEP 21.941-908Tel. 21 3865 7203, fax 21 2290 9196

E-mail: sfranca@cetem.gov.br

2Interdraga Consultoria e Serviços LtdaCampo de São Cristóvão, 348 Grupo 502, Rio de Janeiro/RJ. CEP 20.921-440

Tel. 21 3860 8866, fax 21 2580 4433E-mail: projeto@interdraga.com.br

RESUMO

Conforme divulgado pela Secretaria de Estado do Meio Ambiente do Rio de Janeiro, os Canais do Cunha e do Fundão, que margeiam ou deságuam na Cidade Universitária, serão dragados num montante de 2,2 milhões de metros cúbicos de lodo, ao longo de 6 quilômetros, a uma profundidade aproximada de 4,3 metros. O material dragado será desaguado, tratado e encapsulado em bags especiais de geotextil e o projeto de dragagem será conduzido pela empresa Interdraga. O trabalho consistiu no tratamento de 5 (cinco) amostras de sedimentos diversos dos Canais do Cunha e do Fundão, por meio de operações unitárias de empolpamento, peneiramento, coagulação/floculação, espessamento e filtração (simulando a deposição final em geobags).O projeto do espessador foi baseado no ensaio de proveta realizado para uma polpa de amostra mista com concentração de sólidos na faixa de 6,5%, proveniente do overflow da ciclonagem. A função do espessador é a concentração do sedimento (-74 �m) floculado e, consequentemente, a melhoria na eficiência do processo de filtragem nos geobags. Os ensaios de bancada proporcionaram a elaboração de um pré-projeto de dimensionamento de um espessador contínuo para o material estudado, capaz de absorver as flutuações da concentração na alimentação do processo.

PALAVRAS-CHAVE: sedimento, desaguamento, espessamento, filtração.

ABSTRACT

As published by the Rio de Janeiro State Environment Department, the channel Cunha and Fundão, which border the UFRJ Campus, will have around of 1.8 million cubic meters of dregs dredged along 6 km distance and around 4.3 meters depth. The dregs might be dewatered and processed by flocculation and thickening, to be finally encapsulated and filtered through special material, known as geobags. The Interdraga Company will manage the dredging project. This work consisted on the development of a beneficiation process for 5 (five) samples of sediments, grabbed from different points of Cunha and Fundão channels, by pulping, screening, coagulation/flocculation reactions, thickening and filtration, simulating the final deposition in the geobags.The thickener design was based on the well-known Kynch´s method (batch sedimentation tests) to pulps with solid concentration around 6.5%, fed from the overflow of cyclone circuit. The thickener must to thick the pulp of sediment and increases the filtration efficiency. The batch sedimentation tests were run to provide information to design and commissioning a continuous thickener, which can promptly respond to the process fluctuations.

KEY-WORDS: sediment, dewatering, thickening, filtration.

1. INTRODUÇÃO

Conforme divulgado pela Secretaria de Estado do Meio Ambiente do Rio de Janeiro, os Canais do Cunha e do Fundão, que margeiam a Ilha da cidade universitária (UFRJ) serão dragados num montante de 2,2 milhões de metros cúbicos de lodo, ao longo de 6 km, a uma profundidade aproximada de 4,3 metros (Figura 1). O material dragado será desaguado, tratado e encapsulado em bags especiais de geotextil.

Neste contexto, o CETEM, em parceria com a Interdraga Consultoria e Serviços Ltda, empresa responsável pela elaboração dos trabalhos de engenharia, desenvolveu trabalho técnico de ensaios de beneficiamento de sedimentos do canal do Cunha por peneiramento, espessamento e filtração em geobags, de modo a auxiliar à Interdraga na obtenção de dados de processo para a concepção de um projeto básico de despoluição deste trecho da Baía da Guanabara.

O trabalho consistiu no beneficiamento de 5 (cinco) amostras de sedimentos dos Canais do Cunha e do Fundão, enviadas ao CETEM pela empresa Interdraga. O processo de beneficiamento contemplou as operações unitárias de empolpamento, peneiramento, coagulação/floculação, espessamento e filtração. Os resultados dos ensaios de floculação e sedimentação em bancada proporcionaram a elaboração de um pré-projeto de um espessador contínuo para o material estudado, com a finalidade de produzir polpa concentrada para acondicionamento e filtragem em geobags.

Figura 1 – Mapa do campus da UFRJ e localização dos canais do Cunha e do Fundão

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 – Amostragem e Preparação

Neste trabalho foram estudadas quatro amostras de sedimentos coletadas em diferentes locais nos Canais do Cunha e do Fundão e uma amostra denominada mista, composta por alíquotas das quatro amostras anteriores. Inicialmente as amostras de sedimento foram diluídas, na proporção de 3 (três) bombonas de água salgada (~25 L cada) para cada bombona de sedimentos (exceto para amostra AF7, onde foram utilizadas 4 bombonas de água).

A seguir, foi realizado um peneiramento grosseiro na peneira Sweco de 0,6 m de diâmetro com tela de 2 mm (8 malhas) para retirada do material de maior tamanho. Esse material (lixo), era constituído de materiais diversos como conchas, plásticos, garrafas PET, linha de pesca, resíduos de construção, estopas, latas, tecidos sintéticos, etc (Figura 2).

Figura 2 – Material lixo da fração + 2mm (8 malhas)

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O material menor que 2 mm foi processado em peneira com abertura de 74 �m (200 malhas), obtendo-se como produtos as frações + 74 �m e -74 �m. A fração areia (+74 �m) foi separada, seca e pesada. A polpa da fração lama (-74 �m) foi pesada, homogeneizada e encaminhada para os ensaios de coagulação/floculação e espessamento.

A Tabela 1 apresenta os resultados da etapa de preparação das amostras e sua distribuição granulométrica. Verifica-se uma heterogeneidade na distribuição granulométrica das amostras (AC2, AF4, AF10 e AF7) e uma certa homogeneidade entre a amostra mista e a média das demais amostras.

Tabela 1 – Distribuição granulométrica das amostras.

amostrasfrações

mista AC2 AF4 AF10 AF7 média% % % % % %

lixo (+2 mm) 3,2 3,9 3,0 0,9 8,0 4,0areia (+0,074 mm) 30,0 68,6 11,9 20,4 62,9 41,0lama (-0,074 mm) 66,8 27,5 85,0 78,7 29,1 55,1

100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

Nas amostras estudadas percebe-se a presença de compostos orgânicos (óleos e graxas), devido ao odor e à textura sedosa das partículas, mesmo em granulometrias mais grossas.

2.2. Ensaios de Desaguamento

Os ensaios de desaguamento consistiram em três operações distintas e subseqüentes, conforme listados a seguir.

Aglomeração das partículas: quando as partículas não apresentam tamanho suficiente para sedimentar isoladamente, utiliza-se o mecanismo de aglomerá-las, por meio de forças que atuam nas cargas superficiais, para formar unidades maiores, que sedimentarão com maior velocidade. Os mecanismos utilizados para aumentar as velocidades de sedimentação livre e taxas de sedimentação são a coagulação e floculação, que também foram estudados neste trabalho.

Sedimentação em batelada da polpa tratada (floculada): a sedimentação consiste em deixar que as partículas desloquem-se livremente no seio de um líquido, sob a ação da gravidade. Nesses ensaios são avaliadas as velocidades de sedimentação, a interação entre as partículas presentes na polpa e a qualidade do líquido clarificado e da polpa concentrada.

Testes de filtração do produto espessado (lama) em escala de laboratório: foi utilizado como meio filtrante uma amostra de geobag, para avaliação da qualidade do floco produzido (relativo ao tamanho e resistência mecânica à filtração) e do filtrado (água que deverá retornar à Baía).

A metodologia foi aplicada para cada amostra separadamente, para que fossem avaliados os comportamentos de aglomeração e sedimentação. Embora todas as amostras submetidas aos ensaios de aglomeração, sedimentação e filtração fossem compostas por partículas com granulometria menor que 0,074 mm (200 malhas), as diferentes polpas estudadas geraram respostas diferentes ao processo de floculação, certamente devido à sua distribuição granulométrica e presença de quantidades diferenciadas de material orgânico nas amostras, como óleos e graxas.

As diluições necessárias foram feitas com a própria água dos canais do Cunha e Fundão, fornecidas pela Interdraga. A densidade da água salgada foi medida em laboratório, com valor médio de 1.001 kg/m3.

Da polpa com material –0,074 mm foram retiradas alíquotas para determinação da percentagem de sólidos e realização de ensaios de sedimentação e filtração, com a polpa sem tratamento. No laboratório foram testados diversos agentes coagulantes (inorgânicos) e floculantes para aglomeração das partículas, conforme listados a seguir.a) Coagulantes: sulfato de alumínio (atividade de polímeros em meio ácido); hidróxido de sódio e hidróxido de

cálcio (atividade de polímeros em meio básico).b) Floculantes: Nalco� 9788; Bozenfloc AP934 e Bozenfloc A61BT (Clariant�); Magnafloc 120L e Zetag 7183

(Ciba�). As soluções poliméricas foram utilizadas na concentração de 0,5 g/L.c) Floculantes: 1011, FT25, FT27, 8105, todos produzidos pela Ciba�. Esses reagentes são mais adequados ao

tratamento de águas/efluentes contendo alta carga de matéria orgânica. São muito aplicados em projetos de dragagem e foram testados pela equipe do CETEM, com acompanhamento de um técnico da empresa Ciba, que forneceu as amostras dos produtos químicos para teste.

3. RESULTADOS

Os resultados obtidos nesse trabalho serão apresentados em três seções distintas:

i) resultados preliminares de sedimentação da amostra mista, para floculantes de uso mais geral na mineração;ii) resultados de sedimentação para as amostras AC2, AF4, AF7 e AF10;iii) resultados de sedimentação e projeto do espessador para a amostra mista com floculação otimizada.

Todas as polpas estudadas são compostas por sólidos de fração granulométrica –0,074 mm e água salgada da Baía de Guanabara.

3.1. Amostra mista - testes preliminares

A amostra mista estudada continha 13,6% de sólidos. O comportamento de sedimentação das partículas nessa polpa foi lento, devido ao efeito de população, quando as partículas interagem entre si, provocando mudanças nas trajetórias de sedimentação e reduzindo, assim, a sua velocidade terminal de queda. Dessa forma, houve a necessidade de se estudar polpas com concentrações de sólidos menores, para otimização do processo de sedimentação em batelada.

Foram realizados ensaios de coagulação/floculação para a polpa natural e para polpas diluídas, devido à dificuldade de aglomeração e sedimentação da polpa naquela concentração. As concentrações estudadas foram 13,6%, 6,7%, 3,4% e 1,7%. Foram avaliadas as velocidades de sedimentação da polpa sem adição de floculantes, com resultados apresentados na Figura 3. A inclinação das curvas mostra a diferença entre as velocidades de sedimentação, ilustradas na Tabela 3. As amostras foram submetidas a ensaios de coagulação em meio ácido, com a adição de uma solução de sulfato de alumínio, mas não houve aglomeração das partículas.

Para ensaios em meio alcalino, a elevação do pH foi obtida por meio da adição de soluções de hidróxido de sódio ou de cálcio, sendo esta segunda a opção mais econômica e segura. Com a elevação do pH para valores próximos a 9 já se pode verificar a aglomeração inicial das partículas, formando coágulos. Houve a necessidade de se manter o pH no intervalo de 8,7 – 9,2, pois os reagentes de floculação utilizados mostraram-se mais efetivos em meios alcalinos. Teve–se o cuidado de manter o pH da final da polpa não mito acima de 9, para atendimento à resolução do Conama 357/2005.

10

20

30

40

50

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Tempo (min)

Altu

ra (c

m)

Cs = 13,6%Cs = 9,5%Cs = 6,7%

Figura 3 – Ensaios de sedimentação em batelada para a amostra mista (sem floculante) para polpas com diferentes concentrações de sólido (cs)

Dos cinco floculantes estudados, o Nalco 9788 (N-9788) foi o que apresentou maior eficiência na floculação; isso é observado pelos valores de velocidade de sedimentação, além da qualidade do sobrenadante após a sedimentação em batelada (Tabela 4). Resultado semelhante foi obtido também com o floculante Magnafloc 120L (M-120L), entretanto há a necessidade de estudo de custos para verificação da melhor relação custo/benefício.

Para as polpas com concentrações de sólidos na faixa de 3,4%, as velocidades de sedimentação obtidas foram bastante elevadas, por isso, não há a necessidade de se trabalhar com polpas tão diluídas. Pode-se trabalhar com polpas com concentrações de sólidos na faixa de 6,0-6,5%. Dessa forma, o cálculo do espessador será baseado na polpa de sedimento com esta diluição.

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Tabela 3 – Velocidades de sedimentação para polpas em função da concentração de sólidos.Sem floculante Com floculante

Cs (%) Vsed (m/h) Cs (%) floculante Vsed (m/h)13,6 0,031 13,6 (N-9778) 0,099,5 0,072 6,8 (M-120L) 7,86,7 0,132 3,4 (N-9778) 19,3- - 3,4 (M-120L) 18,5

Os resultados apresentados nessa seção mostram a necessidade da coagulação/floculação da polpa de sedimento, para obtenção de uma eficiência aceitável do espessador e posterior filtração nos geobags.

3.2. Amostra coletadas em diferentes pontos dos canais

Os ensaios de sedimentação em batelada e filtragem para as amostras AC2, AF4, AF7 e AF10 seguiu a mesma metodologia aplicada para a amostra mista (com ajuste de pH = 9 e adição de floculantes). Entretanto, na etapa de coagulação/floculação foram testados apenas os reagentes Nalco 9788 e Magnafloc 120L, que mostraram melhores resultados na etapa anterior. Os melhores resultados de velocidade de sedimentação para as polpas com diferentes concentrações de sólidos são apresentados na Tabela 4.

Tabela 4 – Velocidades de sedimentação para polpas em função da concentração de sólidos e do floculante utilizadoAmostra Cs(%) floculante Vsed (m/h)

AC2 3,8 N9788 14,9AF4 4,3 N9788 15,6

AF10 3,0 N9788 13,33,0 M120L 13,1

Com base nos resultados de velocidade de sedimentação apresentados na Tabela 5, pode-se observar que para polpas com concentração de sólidos na faixa de 3-4,5%, as velocidades de sedimentação foram bem semelhantes, para as amostras AC2, AF4 e AF10, com valor médio de 14,3 m/h. Para a amostra AF7, as velocidades de sedimentação foram extremamente baixas, na faixa de 0,9 m/h, mesmo após a diluição e adição de floculantes. Durante a preparação da polpa, houve grande dificuldade no processo de peneiramento, devido à presença de material argiloso, conhecido com “tabatinga”, que formava pelotas com o movimento vibratório da peneira (Figura 4).

Possivelmente, a resposta pouco efetiva da amostra à floculação esteja relacionada ao recobrimento das partículas com material argiloso, matéria orgânica (óleos e graxas), o que dificulta a ação do floculante na aglomeração das partículas.

Figura 4 – Etapa de peneiramento da amostra AF7.

Comparando os resultados de velocidade de sedimentação das amostras AC2, AF4 e AF10 com os obtidos para amostra mista, pode-se confiar na representatividade dessa amostra para realização dos ensaios finais de sedimentação em batelada, para obtenção dos dados de projeto para o espessador.

3.3. Amostra mista - testes finais

Nessa bateria de ensaios de sedimentação em batelada para a amostra mista foram testados agentes floculantes mais apropriados ao tratamento de material proveniente de dragagem. Esse tipo de material apresenta a particularidade de conter grande carga orgânica, além de muitos íons em solução. Outra vantagem desses compostos químicos é a alta atividade dos polímeros no pH natural da polpa. Dessa forma, não há a necessidade de correção de pH, feito por meio da adição de soluções de Ca(OH)2.

Foram testados cerca de dez polímeros diferentes, dentre eles os floculantes: 1011, FT25, FT27, 8105, de fabricação da Ciba�. Entretanto, serão apresentados os resultados para o Magnafloc 1011, o de maior eficiência de floculação. Segundo informações fornecidas pela empresa Interdraga, o material dragado será processado em um hidrociclone para desareamento, devendo ser o overflow da ciclonagem, com cerca de 4-5% de sólidos, alimentado num tanque de floculação e, em seguida, bombeado para o espessador (Tabela 5).

Tabela 5 – Variáveis operacionais do processo de ciclonagem da polpa de sedimento (Interdraga/Krebbs).TRANSPORTE DO SEDIMENTO

Item Etapa U Quantidade U Quantidade �

1 Vazão da Draga & 2ª Booster m3/s 0,80 m3/h 2.880,002 m3/h 76,43 t/h 191,08 2,53 Concentração p/ desareador (p) % 6,21% t/m3 1,06904 Concentração p/ desareador (v) % 2,65%5 Fração pedregulho e areia (equiv) m3/h 21,63 t/h 57,32 2,66 Volume de areia retida empolada m3/h 30,99

7 Vazão do 3ª Booster (polpa) m3/h 2.858,37 t/h 2.944,998 Carga de sólidos finos (e=0) m3/h 54,80 t/h 133,75 2,449 Concentração para geobag (p) % 4,54% 1,030310 Concentração para geobag (v) % 1,92%11 Produção de torta desaguada m3/h 249,59 t/h 334,39 1,3412 Concentração de sólidos no bolo %(v) 21,96% %(p) 40,00%

A Figura 5 ilustra um esquema do processo para desaguamento dos sedimentos dos Canais do Cunha e Fundão, aprimorado nesse trabalho.

Figura 5 – Esquema do processo de desaguamento do material dragado dos canais do Cunha e Fundão.

Alguns dados físicos utilizados no projeto do espessador são provenientes da Tabela 5.

3.4 Ensaios de filtração

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Os ensaios de filtração qualitativos (Figura 6), foram realizados para a polpa já floculada, utilizando-se como meio filtrante uma amostra do material de fabricação do geobag, com o objetivo de verificar a resistência mecânica dos flocos formados, bem como a qualidade do filtrado (turbidez e viscosidade).

Figura 6 – Ensaios de filtração em amostra de meio filtrante geobag.

4. DIMENSIONAMENTO DO ESPESSADOR CONTÍNUO

A Figura 7 ilustra a curva de sedimentação em batelada para uma polpa preparada com a amostra mista, a 6,7% de sólidos e floculada com solução polimérica de Magnafloc 1011.

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5 6

Tempo (min)

Altu

ra (c

m)

Figura 7 – Curva de sedimentação em batelada para polpa de amostra mista, com floculante.

Características da polpa:

a) Densidade do sólido seco = 2.450 kg/m3 (valor estimado, com base nos dados dos ensaios de ciclonagem);

b) Densidade da água do canal = 1.001 kg/m3 (medida em laboratório);

c) Percentagem de sólidos na polpa: 6,8%;

d) Densidade do floco = 1.015 kg/m3 (valor estimado - França (2000)); a otimização do processo de floculação foi realizada com o uso de polímeros aniônicos de alto peso molecular e média carga. O melhor resultado foi obtido para o polímero Magnafloc 1011 (Ciba�). A dosagem otimizada do polímero para a amostra mista de sedimentos dos Canais do Cunha e Fundão foi de 400 g pol/t de lodo seco.

e) Velocidade de sedimentação livre = 34,1 m/h;

f) Tempo de residência das partículas no espessador: tres=0,92h (5,5 min);

g) Concentração de sólidos no fundo do espessador = 20% (há grande retenção de água no material espessado, devido à estrutura dos flocos).

Cálculo da área e altura do espessador, baseado na metodologia de Kynch (velocidade de sedimentação, tempo de residência e tamanho da partícula, etc):

Área do espessador: A = 28,9 m2 (284 ft2)

Diâmetro do espessador: D = 6,1 m (19 ft)

Altura do espessador: H = 3,2 m

Inclinação do fundo do tanque = 5–10o (sedimentos de partículas finas).

5 – CONCLUSÃO

O processo de tratamento do sedimento do canal do Fundão teve como objetivo preparar a amostra para a ser concentrada no espessador e posteriormente acondicionada em geobags. A etapa de aglomeração das partículas –coagulação/floculação – teve grande importância na definição da velocidade de sedimentação dos flocos e eficiência de filtração do material espessado.O projeto original de dragagem e descarte dos sedimentos da Baía de Guanabara previa a construção de unidades móveis de espessamento, para produzir material espessado a ser descartado nas mantas têxteis (geobags). Entretanto, foi questionada a possibilidade de eliminação da operação de sedimentação do processo de tratamento dos sedimentos, o que não é tecnicamente apropriado. Os geobags tem alto custo, devido à tecnologia envolvida na produção da manta filtrante; o acondicionamento de polpas de sedimento contendo apenas 5% de sólidos implicará no uso de maior número de geobags, para a mesma quantidade de sedimento tratada. O uso de espessadores elevará a concentração de sólidos para a faixa de 20%, em curto período de tempo, devido às altas velocidades de sedimentação, além do seu baixo custo operacional.

6 – REFERÊNCIAS

Biscaia Jr., E.C. Simplificação matemática do método de Kynch. Comunicação pessoal, 1988.

Chaves, A.P. Teoria e prática do tratamento de minérios. Ed. Signus, 2a ed., São Paulo, 199p., 2004.

França, S.C.A. Operação de espessadores não convencionais. Dissertação de mestrado, PEQ/COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 55p, 1996.

França, S.C.A. Equações constitutivas para a sedimentação de suspensões floculentas. Tese de doutorado, PEQ/COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 96p, 2000.

França, S.C.A. e Massarani, G. Separação sólido-líquido. In: Luz, A. B., Sampaio, J. A. e Almeida, S. L. M. (Ed.). Tratamento de Minérios. p. 573-609. CETEM/MCT, Rio de Janeiro, 2004.

Kynch. A theory of sedimentation. Trans. Faraday Society, no 48, p.166-176, 1952.

Massarani, G. Fluidodinâmica em sistemas particulados. Rio de Janeiro, Ed. UFRJ, 152p, 2002.

França, S.C.A., Braga, P.F.A. Beneficiamento de Sedimentos do Canal do Cunha por Peneiramento, Espessamento e Filtração em Geobags. Relatório de Projeto, RT-2008-014-00, CETEM/MCT, Rio de Janeiro, 2008.