Effects of the partial substitution of soil by water treatment plant sludge in soil-cement bricks

Authors

DOI:

https://doi.org/10.17765/2176-9168.2024v17n1e11418

Keywords:

Solid waste, Water absorption, Compressive strength, Aluminum sludge, Sustainability in civil construction

Abstract

About 75% of the drinking water in Brazil is produced in conventional water treatment plants (WTPs). Residues are generated in this process, mainly the sludge from decanters (WTPS), which according to studies is released without treatment into water bodies in 68% of those facilities. This research evaluates the feasibility of adding WTPS as a partial substitute for soil in soil-cement bricks in the 1:9 (cement: soil+WTPS) mixing ratio. The waste was collected during the cleaning of the WTP decanters from Toledo-PR. The bricks were produced with 5, 10, 15, 25 and 35% of soil mass replacement by LETA, in addition to the control (0%). The moldings took place in industrial equipment to reproduce real manufacturing conditions as much as possible. With increasing sludge content, the compressive strength of the bricks was reduced. However, the Brazilian regulatory requirements were met up to the addition of 15% WTPS. There was an increase in water absorption with increasing sludge content. However, the bricks met Brazilian regulatory requirements until the 25% replacement of WTPS. In this way, incorporating up to 15% of this residue in soil-cement bricks can be a viable alternative for processes that generate more environmental impacts, such as release into bodies of water and even disposal in landfills.

Author Biographies

Fernando Antonio Neves, Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Bacharel em Engenharia Civil, Departamento Acadêmico de Engenharia Civil - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Toledo, Paraná, Brasil.

Taylana Piccinini Scolaro, Universidade Federal de Santa Catarina

Mestre em Engenharia Civil e Doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC, Florianópolis, Santa Catarina, Brasil.

Tassiane Apolinário de Oliveira, Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Mestre em Engenharia da Construção Civil pela Universidade Federal do Paraná - UFPR, Docente no Departamento Acadêmico de Engenharia Civil da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Toledo, Paraná, Brasil.

Ricardo Schneider, Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Doutor em Química pela Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, Docente no Departamento Acadêmico de Química e membro do Grupo de Pesquisa em Polímeros e Nanoestruturas da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Toledo, Paraná, Brasil

Gustavo Savaris, Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Doutor em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC, Docente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e coordenador do Grupo de Estudos e Pesquisas em Materiais e Estruturas (GPMAES) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Toledo, Paraná, Brasil

José Gustavo Venâncio da Silva Ramos, Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Mestre em Engenharia Civil (Saneamento e Recursos Hídricos) pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR, Docente no Departamento Acadêmico de Engenharia Civil e membro do Grupo de Estudos e Pesquisas em Materiais e Estruturas (GPMAES) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Toledo, Paraná, Brasil

References

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND. Fabricação de tijolos de solo-cimento com a utilização de prensas manuais. 3. ed. rev. atual. São Paulo: ABPC, 2000. 16p. (BT-111).

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8492: tijolo de solo-cimento: análise dimensional, determinação da resistência à compressão e da absorção de água: Método de ensaio. Rio de Janeiro, 2012a.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8491: tijolo de solo-cimento: requisitos. Rio de Janeiro, 2012b.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7180: solo – determinação do limite de plasticidade. Rio de Janeiro, 2016.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6459: solo – determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro, 2017.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7181: solo – análise granulométrica. Rio de Janeiro, 2018.

ACHON, C. L.; BARROSO, M. M.; CORDEIRO, J. S. Resíduos de estações de tratamento de água e a ISO 24512: desafio do saneamento brasileiro. Eng. Sanit. e Ambient., v. 18, p. 115-122, 2013. DOI: https://doi.org/10.1590/S1413-41522013000200003.

AHMAD, T.; AHMAD, K.; ALAM, M. Sustainable management of water treatment sludge through 3 ‘R’ concept. J. Clean. Prod., v. 124, p. 1-13, 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.02.073.

ANJUM, T. et al. Production of soil-cement bricks using sludge as a partial substitute. Earth Sci. Malays., v. 1, n. 2, p. 10-12, 2017. DOI: https://doi.org/10.26480/esmy.02.2017.10.12.

APHA. Standard methods for the examination of water and wastewater. Washington, DC: American public health association, 2012.

BARAKWAN, R. A.; TRIHADININGRUM, Y.; BAGASTYO, A. Y. Characterization of alum sludge from Surabaya water treatment plant, Indonesia. J. Ecol. Eng., v. 20, n. 5, 2019. DOI: https://doi.org/10.12911/22998993/104619.

BARBOSA, M. F. L. et al. Rice husk and water treatment plant sludge incorporated into soil–cement brick. Asian J. Civ. Eng., v. 20, n. 4, p. 563-570, 2019. DOI: https://doi.org/ 10.1007/s42107-019-00124-2.

BARUTH, E. E. Water treatment plant design. 4. ed. AWWA, ASCE. Nova Iorque: McGraw-Hill Education, 2004.

BRASIL. Lei nº.12.305, de 2 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. Disponível em: http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_Ato2007- 2010/2010/Lei/L12305.htm. Acesso em: 07 jun. 2022.

DASSANAYAKE, K. B. et al. A review on alum sludge reuse with special reference to agricultural applications and future challenges. Waste Management, v. 38, p. 321-335, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2014.11.025.

DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. DNER-ME 093: Solos – determinação da densidade real. Rio de Janeiro, 1994.

DE SILVA, G. H. M. J. S.; HANSAMALI, E. Eco-friendly fired clay bricks incorporated with porcelain ceramic sludge. Construction and Building Materials, v. 228, p. 116754, 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.116754.

ELICHE-QUESADA, D. et al. The use of different forms of waste in the manufacture of ceramic bricks. Appl. Clay Sci., v. 52, n. 3, p. 270-276, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.clay.2011.03.003.

ERDOGMUS, Ertugrul et al. New construction materials synthesized from water treatment sludge and fired clay brick wastes. J. Build. Eng., v. 42, p. 102471, 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102471

FERREIRA FILHO, S. S. Tratamento de água: concepção, projeto e operação de estações de tratamento. 1. ed. Rio de Janeiro: GEN LTC, 2017.

FUNGARO, D. A.; SILVA, M. V. D. Utilization of water treatment plant sludge and coal fly ash in brick manufacturing. Am. J. Environ. Prot, v. 2, n. 5, p. 83-88, 2014. DOI: https://doi.org/10.12691/env-2-5-2.

HAN, L. C. et al. Use of Compressed Earth Bricks/Blocks in Load-Bearing Masonry Structural Systems: A Review. In: MSF. Trans Tech Publications Ltd, 2020. p. 9-19. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.997.9.

INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA (IBGE). Pesquisa Nacional de Saneamento Básico – 2008, 2011.

INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA (IBGE). Pesquisa Nacional de Saneamento Básico – 2017, 2020.

JAHANSHAHI, M.; TAGHIZADEH, M. Pre-sedimentation tank effects on water

treatment unit operation. EQA, v. 28, p. 35-42, 2018. DOI: https://doi.org/ 10.6092/issn.2281-4485/7804.

LUCENA, L. C. et al. Caracterização e avaliação do potencial de aproveitamento de lodo de ETE e ETA em Pavimentação. Eng. Agrícola. 36: 166-178, 2016. DOI: https://doi.org/10.1590/1809-4430-Eng.Agric.v36n1p166-178/2016.

MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concrete: Microstructure, Properties, and Materials. 3. ed. Nova Iorque: McGraw-Hill Education, 2006. DOI: https://doi.org/10.1036/0071462899.

MONTE BLANCO, S. P. D. et al. Groundwater quality monitoring of the Serra Geral aquifer in Toledo, Brazil. J. Environ. Sci. Health A, v. 53, n. 14, p. 1243-1252, 2018. DOI: https://doi.org/10.1080/10934529.2018.1528038.

NASCIMENTO, E. S. S. et al. Soil-cement brick with granite cutting residue reuse. J. Clean. Prod., v. 321, p. 129002, 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.129002.

NASIER, M. A.; ABDULRAZZAQ, K. A. Conventional water treatment plant, principles, and important factors influence on the efficiency. Design Engineering, p. 16009-27, 2021.

RAMOS, J. G. V. S. Análise de uma Estação de Tratamento de Água quanto à geração e destinação de resíduos. 2018. 65 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Engenharia Civil. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Toledo, 2018.

REIS, F. M. D.; RIBEIRO, R. P.; REIS, M. J. Physical-mechanical properties of soil-cement bricks with the addition of the fine fraction from the quartzite mining tailings (State of Minas Gerais–Brazil). Bull. Eng. Geol. Environ., v. 79, n. 7, p. 3741-3750, 2020. DOI: https://doi.org/10.1007/s10064-020-01765-3.

RODRIGUES, L. P.; HOLANDA, J. N. F. Recycling of water treatment plant waste for production of soil-cement bricks. Procedia Materials Science, v. 8, p. 197-202, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mspro.2015.04.064.

RUVIARO, A. S. et al. Use of calcined water treatment plant sludge for sustainable cementitious composites production. J. Clean. Prod., v. 327, p. 129484, 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.129484.

SAARENKETO, T. Electrical properties of water in clay and silty soils. J. Appl. Geophys., v. 40, n. 1-3, p. 73-88, 1998. DOI: https://doi.org/10.1016/S0926-9851(98)00017-2.

SAKHARE, V. V.; RALEGAONKAR, R. V. Development and investigation of cellular light weight bio-briquette ash bricks. Clean Techn. Environ. Policy, v. 19, n. 1, p. 235-242, 2017. DOI: https://doi.org/10.1007/s10098-016-1200-5.

SIQUEIRA, F. B.; HOLANDA, J. N. F. Reuse of grits waste for the production of soil–cement bricks. J. Environ. Manag., v. 131, p. 1-6, 2013. DOI: https://doi.org/10.1007/s10098-016-1200-5.

SENTHIL, R. et al. Utilization of various solid leather wastes for the production of blended bricks. Clean Techn. Environ. Policy, p. 1-13, 2022. DOI: https://doi.org/10.1007/s10098-022-02295-0.

SIQUEIRA, F. B.; HOLANDA, J. N. F. Reuse of grits waste for the production of soil–cement bricks. J. Environ. Manag, v. 131, p. 1-6, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2013.09.040.

TABONI JÚNIOR. L. R. Quantificação e caracterização de lodo gerado em estação de tratamento de água considerando a sazonalidade pluviométrica: estudo de caso na cidade de Maringá – PR. 2020. 108 f. Dissertação (Mestrado) – Universidade Estadual de Maringá, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Urbana. Maringá, 2020.

TEIXEIRA, S. R. et al. The effect of incorporation of a Brazilian water treatment plant sludge on the properties of ceramic materials. Appl. Clay Sci., v. 53, n. 4, p. 561-565, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.clay.2011.05.004.

U.S. Environmental Protection Agency. Method 9045D: Soil and Waste pH. Washington DC, 2004.

VENKATARAMA REDDY, B. V.; JAGADISH, K. S. Embodied energy of common and alternative building materials and technologies. Energy Build., v. 35, n. 2, p. 129-137, 2003. DOI: https://doi.org/10.1016/S0378-7788(01)00141-4.

ŻOCZEK, Ł.; DUDZIAK, M. Types and valorization of sludge generated in water treatment processes. Architecture, Civil Engineering, Environment, v. 15, n. 1, p. 115-121, 2022. DOI: https://doi.org/10.21307/acee-2022-010.

Downloads

Published

2024-03-29

How to Cite

Neves, F. A., Scolaro, T. P., Oliveira, T. A. de ., Schneider, R., Savaris, G., & Ramos, J. G. V. da S. (2024). Effects of the partial substitution of soil by water treatment plant sludge in soil-cement bricks. Revista Em Agronegócio E Meio Ambiente, 17(1), e11418. https://doi.org/10.17765/2176-9168.2024v17n1e11418

Issue

Vol. 17 No. 1 (2024): jan./mar.

Section

Tecnologias Limpas

License

A Revista se reserva o direito de efetuar, nos originais, alterações de ordem normativa, ortográfica e gramatical, com o intuito de manter o padrão culto da língua, respeitando, porém, o estilo dos autores. As opiniões emitidas pelos autores são de sua exclusiva responsabilidade.

Os direitos autorais pertencem exclusivamente aos autores. Os direitos de licenciamento utilizado pelo periódico é a licença Creative Commons Attribution Licença Creative CommonsCreative Commons Atribuição 4.0 Internacional. São permitidos o compartilhamento (cópia e distribuição do material em qualquer meio ou formato) e adaptação (remixar, transformar, e criar a partir do trabalho, mesmo para fins comerciais), desde que lhe atribuam o devido crédito pela criação original.