Remoção de toxicidade de esgotos secundários com carvão ativado produzido de lodo biológico industrial

Abstract

A aplicação do conceito da economia circular para o gerenciamento do lodo industrial tem atraído atenção de vários pesquisadores. A expectativa é a reutilização e agregação de valor ao biossólido gerado nas estações de tratamento de efluentes, com sua conversão em produto e reintrodução no tratamento de efluente. A indústria cosmética tem por característica fabril a elevada geração de efluentes com elevada demanda química de oxigênio (DQO) devido a compostos recalcitrantes e tóxicos e, consequentemente, geração de volumes expressivos de lodo durante o processo de tratamento do efluente. Assim, o objetivo deste trabalho foi a síntese de carvão ativado (CA) utilizando lodo da indústria cosmética como material precursor e sua aplicação na remoção de matéria orgânica e toxicidade de esgotos tratados em nível secundário. O lodo foi pirolisado em leito fixo, com fluxo de nitrogênio, a 450 ºC (L450) e 550 ºC (L550), por 60 min. Os carvões produzidos foram caracterizados quanto ao rendimento, espectroscopias na região do infravermelho com transformada de Fourier, difração de raio X e de Raman, análises termogravimétrica, elementar e imediata, pH de ponto de carga zero (pHpcz), microscopia eletrônica de varredura (MEV), ensaios adsortivos e aplicado no tratamento terciário. O bio-óleo produzido na pirólise foi caracterizado por cromatografia gasosa. As imagens MEV dos biocarvões apresentaram abertura de poros e superfície irregular. Os espectros de raio X demonstraram a formação de estruturas cristalinas, os de Raman demonstraram a formação de rede desorganizada e desordenada de carbono e o FTIR a presença de grupamentos fosforados (P-O-P e P=O). Os valores do índice de iodo e azul de metileno para ambos carvões (L450: 1373,7 ± 8,4 mg I 2 /g e 11,7 ± 0,1 mg AM/g e L550: 1419,9 ± 9,4 mg I 2 /g e 13,1 ± 1,8 mg AM/g) indicam a presença de microporosidade e mesoporosidade, respectivamente. O pHpcz foi ácido, de 2, 3 e 4 para L450 e L550, respectivamente. O bio-óleo apresentou compostos ácidos e hidrocarbonetos de interessasse industrial e com potencial combustível. A melhor dose do L450 no esgoto doméstico foi de 2,5 g/L para remoção de DQO e COT, com as seguintes capacidades de adsorção (q): q DQO = 12,2 ± 2,3 mg/g e q COT = 4,5 ± 0,2 mg/g. A melhor dose para o esgoto industrial foi de 1 g/L, com q DQO = 15,6 ± 3,4 mg/g e q COT = 6,8 ± 1 mg/g. A cinética de adsorção foi melhor descrita pelo modelo de pseudo-segunda ordem para o esgoto industrial e o modelo pseudo-primeira ordem para o esgoto doméstico, enquanto para a isoterma o melhor ajuste foi ao modelo de Freundlich para ambos os esgotos. Foi demonstrado que o adsorvente pode ser utilizado mais de uma vez. Os carvões ativados produzidos se mostraram competitivos com um carvão ativado comercial no tratamento terciário dos esgotos, com o L450 capaz de reduzir a toxicidade do esgoto doméstico em 14 vezes e eliminar a toxicidade do esgoto industrial. A partir dos resultados pode-se dizer que o lodo da indústria cosmética é promissor como matéria-prima para a produção de CA e este possui potencial para aplicação no tratamento terciário de esgotos. Palavras-chave: Esgoto municipal. Produtos capilares. Pirólise. Raphidocelis subcapitata. Tratamento terciário.The application of the circular economy concept to the management of industrial sludge has attracted the attention of several researchers. The expectation is to reuse and add value to the biosolids generated in wastewater treatment plants, with its conversion into a product and reintroduction into wastewater treatment. Cosmetic manufacturing plants typically produce large volumes of effluents with high chemical oxygen demand (COD) due to recalcitrant and toxic compounds and consequently generate significant volumes of sludge during effluent treatment. The objective of this study was the synthesis of activated charcoal (AC) using cosmetic sludge as precursor material and its application in the removal of organic matter (COD and TOC) and biological activity of domestic and industrial secondary sewage. The sludge was pyrolyzed in a fixed bed, under a nitrogen atmosphere at 450 ºC (L450) and 550 ºC (L550) for 60 min. The charcoals produced were characterized in terms of yield, Fourier transform infrared (FTIR), X-ray diffraction and Raman spectroscopies, thermogravimetric, elemental and immediate analyses, point of zero charge (pHpcz), scanning electron microscopy (SEM), adsorptive assays and used in tertiary treatment of domestic and industrial wastewaters. The bio-oil produced in the pyrolysis was characterized by gas chromatography. The SEM images of the charcoals showed pore openings and irregular surfaces. The X-ray and Raman spectra demonstrated the formation of disorganized and disordered carbon crystals and the FTIR the presence of phosphorus groups (P-O-P and P=O), due to activation with phosphoric acid. Iodine and methylene blue indices for both charcoals (L450: 1373.7 ± 8.4 mg I2/g and 119.3 ± 8.4 mg AM/g and L550: 1419.9 ± 9.4 mg I2/ g and 133.4 ± 19.1 mg AM/g) indicated the presence of microporosity and mesoporosity, respectively. The pHpcz was acidic, with values of 2.3 and 4 for L450 and L550, respectively. The bio-oil presented acid compounds and hydrocarbons of industrial interest and with fuel potential. The best dose of L450 for removal of COD and TOC in domestic sewage was 2.5 g/L, with the following adsorption capacities (q): q COD = 12.2 ± 2.3 mg/g and q TOC = 4 .5 ± 0.2 mg/g. The best dose for industrial sewage was 1 g/L, with q COD = 15.6 ± 3.4 mg/g and q TOC = 6.8 ± 1 mg/g. The pseudo-second order model best described the adsorption kinetics for both wastewaters, while for the isotherm the best fit was the Freundlich model. It was demonstrated that the adsorbent could be used more than once. The activated charcoals produced proved to be competitive with a commercial activated carbon in the tertiary treatment of sewage, with the L450 reducing the toxicity of domestic sewage 14-fold and eliminating the toxicity of industrial sewage. Based on these results, the cosmetic industry sludge is a promising raw material for production of activated charcoal with potential for application in tertiary sewage treatment. Keywords: Hair care products. Municipal sewage. Pyrolysis. Raphidocelis subcapitata. Tertiary treatment.