Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP

Departamento de Engenharia de Construção Civil

ISSN 0103-9830

BT/PCC/470

Ailton Dias dos Santos Vanderley Moacyr John

São Paulo – 2007

Reciclagem do lodo de esgoto da região metropolitana de São Paulo – RMSP.

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia de Construção Civil Boletim Técnico – Série BT/PCC Diretor: Prof. Dr. Vahan Agopyan Vice-Diretor: Prof. Dr. Ivan Gilberto Sandoval Falleiros Chefe do Departamento: Prof. Dr. Alex Kenya Abiko Suplente do Chefe do Departamento: Prof. Dr. Orestes Marraccini Gonçalves Conselho Editorial Prof. Dr. Alex Abiko Prof. Dr. Francisco Ferreira Cardoso Prof. Dr. João da Rocha Lima Jr. Prof. Dr. Orestes Marraccini Gonçalves Prof. Dr. Paulo Helene Prof. Dr. Cheng Liang Yee Coordenador Técnico Prof. Dr. João Petreche O Boletim Técnico é uma publicação da Escola Politécnica da USP/ Departamento de Engenharia de Construção Civil, fruto de pesquisas realizadas por docentes e pesquisadores desta Universidade. O presente trabalho é parte da dissertação de mestrado apresentada por Ailton Dias dos Santos, sob orientação do Prof. Dr. Vanderley Moacyr John: “Estudo das Possibilidades de Reciclagem dos Resíduos de Tratamento de Esgoto da Região Metropolitana de São Paulo”, defendida em 23/10/2003, na EPUSP.

A íntegra da dissertação encontra-se à disposição com o autor e na biblioteca de Engenharia Civil da Escola Politécnica/USP.

FICHA CATALOGRÁFICA

Santos, Ailton Dias dos

Reciclagem do lodo de esgoto da região metropolitana de São Paulo - RMSP / Ailton Dias dos Santos, Vanderley Moacyr John. -- São Paulo : EPUSP, 2007.

19 p. – (Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP, Departa- mento de Engenharia de Construção Civil ; BT/PCC/470)

1. Lodo 2. Esgotos sanitários - São Paulo(SP) 3. Reciclagem de resíduos urbanos I. John, Vanderley Moacyr II. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia de Cons-trução Civil III.Título IV. Série ISSN 0103-9830

RECICLAGEM DO LODO DE ESGOTODA REGIÃO METROPOLITANA DE

SÃO PAULO – RMSP.

Ailton Dias dos SantosCompanhia de Saneamento do Estado de São Paulo – SABESP

e-mail: adsantos@sabesp.com.br

Vanderley Moacyr JohnEscola Politécnica da Universidade de São Paulo – EPUSP

e-mail: vanderley.john@poli.usp.br

RESUMO

O processo de tratamento de esgotos gera vários resíduos sólidos, destacando-se o lododevido a sua maior quantidade. Hoje, a Região Metropolitana de São Paulo – RMSP geracerca de 120 mil t/ano de lodo, cujo teor de sólidos está em torno de 40%, com umaprevisão de 750 mil t/ano para 2015. Este material está sendo disposto em aterros sanitários.Porém, nas grandes metrópoles a disposição do lodo em aterros tem sido dificultada pelaescassez de locais adequados, legislação ambiental cada vez mais restritiva, e altos custos.Para gerir esses resíduos busca-se a redução de seu volume e sua reutilização. Este trabalholevantou informações sobre o processo de geração e caracterização do resíduo gerado naRMSP, bem como alternativas para sua reciclagem. Como resultado obteve-se um conjuntode dados capaz de auxiliar na discussão da gestão da disposição final do lodo através da suareciclagem e emprego na fabricação de materiais de construção civil como agregado leve,produtos de cerâmica vermelha e cimento Portland.

ABSTRACT

The wastewater treatment process generates some solid wastes among which the sludge isthe most significant due to the amount produced. Presently, the Metropolitan Region of SãoPaulo – RMSP generate approximately 120,000 tons/year of sludge, whose solid fraction isaround 40%, with a forecast for 750,000 tons/year in 2015. This material is being disposedin sanitary landfills. However, in the great metropolises the landfill disposal has been madeit difficult for the scarcity of places adjusted, environment legislation each more restrictivetime, and high costs. To manage these wastes it searches reduction of its volume and itsrecycling. This work collected information on the generation process and characterization ofthe residue generated in the RMSP, and alternatives for its recycling. As result got a dataset capable to assist in the discussion of the management of the final disposal of the sewagesludge through its recycling and use in the manufacture of materials of civil construction aslightweight aggregate, bricks and cement Portland.

1. INTRODUÇÃO

A Região Metropolitana de São Paulo — RMSP possui cerca de 18 milhões de habitantes emais de 1.250 indústrias de médio e grande porte oficializadas, além de uma vasta presençade atividades industriais de caráter informal. O serviço de saneamento básico em boa parteda RMSP é de responsabilidade da Companhia de Saneamento Básico do Estado de SãoPaulo – Sabesp e compreende as etapas de coleta dos esgotos sanitários, transporte até asEstações de Tratamento de Esgotos — ETEs, bem como o próprio tratamento destesesgotos. Nesse tratamento os poluentes presentes nos esgotos são separados e removidos demodo que o efluente tratado possa ser devolvido aos corpos d'água em melhores condições.Logo, é inerente a esse processo a geração de resíduos sólidos, dentre os quais o maisimportante é o lodo de esgoto. Há, porém, um paradoxo: quanto mais se trata de esgotosvisando a preservação da qualidade das águas, mais aumenta a quantidade de resíduossólidos a serem dispostos em aterros sanitários.

Na RMSP esses atualmente os lodos de esgoto são dispostos nos dois únicos aterrossanitários da região — administrados pela Prefeitura do Município de São Paulo — atravésde um convênio onde a contrapartida da Sabesp é o recebimento e tratamento em estaçõesde esgoto do chorume gerado pelos aterros sanitários. Entretanto, esses aterros estão em viasde atingir sua capacidade limite. A produção de lodo de esgoto, por outro lado estacrescendo. Atualmente são geradas 120 mil t/ano, com um teor de sólidos de 40%, havendoprevisão de aumento para 750 mil t/ano em 2015. Adotando-se uma massa específica médiade 1,1 t/m3, o volume de lodo gerado equivale ao volume de um prédio de 145 andares, comprevisão de quadruplicar em 2015. Além disso, o cenário é completado pela inexistência deáreas adequadas e próximas à RMSP para a construção de novos aterros sanitários, restandoapenas aterros particulares e distantes, o que implica aumento de custos incompatível com aestrutura financeira do tratamento de esgotos atualmente praticada.

A estratégia principal da Sabesp para enfrentar este problema se concentrou nodesenvolvimento de um conjunto de pesquisas com o objetivo de aproveitar o lodo deesgoto na agricultura, compatibilizando suas características para esse fim; porém, em muitassituações a contribuição clandestina de esgotos industriais introduz contaminantes no lodoem teores acima dos limites permitidos para a aplicação (SANTOS, 2003). Adicionalmente,os mercados principais de fertilizantes encontram-se relativamente afastados das estaçõeslocalizadas na RMSP. Finalmente, observa-se a nível internacional uma crescente tendênciade desenvolver novas aplicações para o lodo de esgoto (SAHLSTRÖM et al, 2004;ONAKA, 2000), como será discutido adiante.

Este artigo técnico insere-se nesse contexto, e busca apresentar alternativas com potencialviabilidade técnica e econômica, bem como competitivas no mercado da RMSP, comobjetivo de proporcionar novas opções para pesquisa e desenvolvimento. A abordagemutilizada está baseada em JOHN (2000), ZORDAN (2003) e JOHN & ÂNGULO (2003) e éresultado da dissertação de mestrado do autor principal (SANTOS, 2003).

2. PROCESSO DE GERAÇÃO DOS LODOS DE ESGOTO NA RMSP

O Sistema Principal de Esgotos da RMSP é constituído por cinco sistemas integrados detratamento com estações de mesmo nome: ETE ABC, ETE Barueri , ETE Parque NovoMundo, ETE São Miguel e ETE Suzano. Estas estações apresentam características próprias

na concepção das suas unidades constituintes. Todas as estações são dotadas de tratamentode fase sólida com o uso de filtros-prensa, portanto todas geram tortas de lodo. A diferençamais significativa está no condicionamento químico dos lodos. Nas ETEs Barueri e SãoMiguel, ele é feito com polímeros e nas demais com cal e cloreto férrico. Também énecessário destacar que a ETE Parque Novo Mundo é a única das cinco que não possui osprocessos de decantação primária e de digestão dos lodos, implicando suas substituiçõesrespectivamente por peneiras rotativas e estabilização química.

Os relatórios operacionais do período de julho de 2001 a junho de 2002 (SABESP, 2002)foram analisados. A primeira observação é a preponderância das quantidades de tortas delodo comparada à geração de material gradeado, areia e peneirado. Isto elege as tortas delodo como o resíduo a ser estudado, porém não implica desconsideração dos demaisresíduos. São 327 toneladas de lodo — com teor de sólidos de 40% — geradas por dia parauma vazão de 10,50 m3/s atualmente. Considerando-se as previsões de aumento dotratamento de esgotos para 2015, a produção de tortas de lodo será de 1.551 t/dia. Asquantidades bem menores de material gradeado, areia e material peneirado, respectivamente0,5%, 2,5% e 0,4% da produção das tortas, não despertam interesse para um estudoexclusivo, porém talvez o processo de reciclagem que envolva as tortas possa incorporá-los.

Uma outra observação importante e que serve de diretriz para uma abordagem dereciclagem das tortas de lodo é que cada ETE deve ser estudada individualmente. Pelosdados analisados, foi possível perceber que todas tem características próprias: quantidade equalidade dos sólidos removidos, fluxo de processos, processos (volumes e tempos),condicionadores e/ou dosagens diferentes. As ETEs estão em áreas muito distintas daRMSP, com vazões de tratamento e geração de quantidades de resíduos muito diferentes.Além disso, a garantia de produção é discutível, não do ponto de vista da continuidade dotratamento de esgoto, mas sim da regularidade do processo. Foi observado em campo que ascinco ETEs estão aperfeiçoando o tratamento da fase sólida, implicando mudanças deprocesso, paradas na produção, muitas vezes longas, alterações sensíveis nos resíduosgerados. Tudo isto se traduz em dificuldades de comprometimento com outras empresas,nas quais o resíduo da Sabesp venha a ter importância de matéria-prima e/ou combustívelauxiliar.

3. COMPOSIÇÃO DOS LODOS DE ESGOTO

Os lodos de esgoto são compostos basicamente de uma mistura de matéria orgânica, deinorgânicos e de água. A proporção entre as fases principais e a composição da fraçãoinorgânica variam de acordo com a origem dos esgotos e detalhes do processo detratamento, como o tipo de floculante (polímero ou cal hidratada), eficiência dos filtros-prensa, presença e eficiência de biodigestor. Eventualmente os lodos de esgoto sãosubmetidos a secagem, reduzindo ainda mais o teor de água, ou até mesmo a incineração,gerando as cinzas de lodo.

A Tabela 1 apresenta exemplos de composição do lodo de esgoto gerado na RMSP. Comopode ser observado, nesta tabela, a composição do lodo gerado em uma mesma estação detratamento pode variar significativamente ao longo do tempo em função de mudanças noprocesso de tratamento.

Tabela 1 Exemplos de composição principal do lodo de esgoto gerado na RMSP pordiferentes estações e em diferentes épocas. Valores expressos na base calcinada(SANTOS, 2003).

ETE Barueri ETE Suzano PéletesEspécie Un.

1999 2003 2003 2002SiO2 % 12,00 26,50 13,50 45,55Fe2O3 % 17,00 19,20 16,00 12,55Al2O3 % 10,00 13,30 9,88 29,27CaO % 45,00 11,60 39,30 6,96SO3 % 4,40 11,50 7,78 0,11P2O5 % 5,50 6,33 nd 10,40MgO % 1,50 1,20 1,17 4,04K2O % 0,75 1,07 0,51 1,27TiO2 % 1,30 1,00 nd 1,81Na2O % 0,31 0,49 0,37 0,25Cl % 1,10 0,39 0,34 ndPerda aoFogo

% 26,23 72,27 59,25 51,60

Condicionador Ca(OH)2 e FeCl3 Polímero e FeCl3 Ca(OH)2 e FeCl3 Polímero e FeCl3nd = não detectado.

Além da presença destes compostos, deve-se destacar a presença de nitrogênio (entre 2,1 e3% em diferentes análises em São Paulo), fósforo, além de contaminação por metaispesados e compostos orgânicos (SANTOS, 2003).

Dentre os contaminantes listados na NBR 10004 (1987), cujos teores ultrapassameventualmente os limites desta norma, encontram-se o fenol, cromo, níquel, zinco emolibdênio (SANTOS, 2003). A contaminação de lodos por metais pesados é tambémbastante comum na Europa; van der SLOOT et al (1997) identificaram cádmio, cromo,cobalto, cobre, ferro, manganês, níquel, chumbo e zinco.

Os lodos de esgoto também podem conter microorganismos, inclusive patogênicos(CESÁRIO SILVA et al, 2001). GASPARD et al (1997) detectaram a presença de ovosviáveis de helmintos em lodos franceses. SAHLSTRÖM et al (2004) analisaram 64amostras de lodos de 8 estações de tratamento suecas e encontraram contaminação porSalmonella em 55% delas. Além do risco de contaminação, a presença de microorganismosprovoca a degradação da matéria orgânica, podendo causar mau cheiro em depósitos delodo.

A presença de matéria orgânica confere aos lodos de esgoto poder calorífico. A bibliografiacorrente faz referência a valores entre 11 e 12 MJ/kg (WERTHER, OGADA, 1999), valorequivalente ao da lenha. Medidas realizadas em lodos de esgoto da RMSP revelaram podercalorífico inferior variando entre 3 e 13MJ/kg (SANTOS, 2003).

Existem poucos dados sobre a natureza mineralógica da fração inorgânica dos lodos deesgoto. Os lodos gerados na RSMP contem calcita (quando Ca(OH)2 é adicionado notratamento), quartzo e teores menores de feldspato, mica e caulinita (SANTOS, 2003).

4. RECICLAGEM DO LODO DE ESGOTO

A seleção de alternativas tecnicamente viáveis para reciclagem de um resíduo deve levar emconta inicialmente as características químicas e físicas do resíduo (JOHN & ANGULO,2003). Estas mesmas características podem servir também para ressaltar potenciaisproblemas das diferentes aplicações tecnicamente possíveis. Para selecionar dentre asaplicações tecnicamente possíveis as mais atrativas em uma situação específica devem serconsiderados aspectos como riscos do processo de pesquisa e desenvolvimento e viabilidadeeconômica nos diferentes mercados. Aspectos como sazonalidade de consumo do resíduodevem ser considerados e, por exemplo, tem sido um dos fatores limitantes da utilizaçãoagrícola das cinzas de lodo de esgoto no Japão (ONAKA. 2000).

Assim, aplicações que explorem o poder calorífico e a fração inorgânica são potencialmenteinteressantes. Processos térmicos eliminam possíveis microrganismos enquanto geramenergia neutra em termos de contribuição ao efeito estufa. A composição básica da fraçãoinorgânica, silício, alumínio e, eventualmente cálcio é a mesma da maioria dos materiais deconstrução largamente consumidos e produzidos por processos térmicos, como produtoscerâmicos e cimentos. Não por outra razão que a revisão bibliográfica revelou três gruposde materiais de construção civil produzidos por processos térmicos, nos quais o lodo deesgoto pode ser inserido no processo produtivo: agregados cerâmicos leves, cimentoPortland e produtos de cerâmica vermelha.

Durante o processo de calcinação os patógenos presentes são destruídos, eliminando-seportanto a chance de contaminação dos usuários. Finalmente, a RMSP é um grande mercadoconsumidor potencial dos produtos de construção civil, sendo que estes mercados não sãosazonais.

4.1 Fabricação de agregados cerâmicos leves

A utilização dos lodos de esgoto como matéria prima para produzir um agregado leve,através de um processo cerâmico é uma aplicação onde o Brasil foi certamente um dospioneiros mundiais. Esta aplicação se diferencia da cerâmica convencional por explorar acapacidade expansiva das misturas contendo lodo de esgoto.

4.1.1 Experiência brasileira

A pesquisa nacional sobre o aproveitamento do lodo de esgoto gerado nas estações detratamento como material de construção iniciou-se em 1974, quando a Sabesp solicitou aoInstituto de Pesquisas Tecnológicas — IPT — um estudo a respeito do assunto. Ospesquisadores da Divisão de Tratamento de Minérios do IPT, Prof. Dr. Carlos Dias Brosch,Engº Silvio Benedicto Alvarinho, Engº Hiran Rodrigues de Souza e Engº Oscar de Nucci,efetuaram uma pesquisa experimental de aproveitamento do lodo digerido da Estação deTratamento de Esgotos de Pinheiros. Essa pesquisa lhes conferiu o prêmio “Governador doEstado de São Paulo”, em 1976, de melhor invenção graças à sua originalidade eimportância.

Eles conseguiram obter, a partir de lodo digerido, um material que após britagem eraclassificado dentro das especificações de agregado leve para fins de construção civil, comemprego em estruturas de concreto, isolamento térmico, enchimento de vazios, pré-fabricação de edifícios e blocos para alvenaria e pisos. Uma instalação semi-industrial, cujoprojeto foi desenvolvido por empresas brasileiras, foi implantada junto à ERQ Leopoldina(Estação Recuperadora da Qualidade das Águas, com componentes mecânicos e elétricos defabricação nacional, e esteve em operação de junho de 1979 até o final de 1982 (SANTOS,1992).

O processo de produção do agregado leve, a partir do lodo digerido dos esgotos, passavapelas seguintes operações unitárias (BROSCH; ALVARINHO; SOUZA, 1976; SANTOS,2001):

1) Desidratação do lodoO lodo proveniente da digestão anaeróbia, com cerca de 5% de sólidos, era bombeado paracentrífugas, onde o teor de sólidos atingia 30%. O teor de matéria orgânica em base secadesse lodo era cerca de 57% da sua massa. Do total da fração inorgânica restante, emvalores médios, os principais teores eram: 52% de SiO2, 27% de Al2O3, 7% de Fe2O3 e 5%de CaO.

2) Pós-secagem do lodo centrifugadoEsse lodo seguia para o pátio de pós-secagem, cujo piso era de asfalto, com paredes a meiaaltura que favoreciam a aeração natural, e cobertura de telhas transparentes que permitia apassagem da luz solar, onde o lodo passava por secagem natural até atingir um teor desólidos entre 40 e 54%. Um pequeno trator provido de pá frontal descarregava o lodo numamoega, que tinha um alimentador de disco acoplado na sua parte inferior.

3) Dosagem e mistura dos componentesDo disco alimentador, o lodo era introduzido no misturador, e recebia parte do sínter deretorno em dosagens convenientes para a conformação da mistura com suas característicasde umidade. Após essa mistura, o material era triturado em um moinho e depois seguia parao tambor peletizador.

4) PeletizaçãoUm tambor rotativo de baixa velocidade, no percurso desde a boca de entrada até a boca desaída, transformava a mistura disforme em pequenas pelotas, cujo diâmetro máximo era de4 mm, teor de umidade nominal de 45% e densidade aparente de 800 kg/m3.

5) Secagem das pelotas por leito fluidizadoAs pelotas eram encaminhadas através de uma correia transportadora para o leito fluidizado,onde era insuflado ar por meio de um ventilador, ao mesmo tempo em que era queimadobiogás procedente dos digestores anaeróbios. Este ar aquecido atravessava uma placaperfurada no sentido de baixo para cima e mantinha as pelotas em estado de flutuação, de talmaneira que o teor de umidade das pelotas passava de 45% na entrada para 10% na saída.Os pós finos que se originassem no interior do leito fluidizado eram encaminhados a doisciclones através de um exaustor, e daí se dirigiam para a saída do leito fluidizado juntando-se ao produto seco peletizado, após o que o material era transportado para um silo deestocagem.

6) SinterizaçãoAo lado do silo de estocagem das pelotas procedentes do leito fluidizado existia um outrosilo que continha um material chamado “sínter de cama”, resultante de bateladas anteriores.Sob estes silos deslocava-se um carrinho que recebia uma parte do “sínter de cama” e novepartes de pelotas, para então descarregar tudo em um dos sinterizadores.

Um carro maçarico deslocava-se sobre o sinterizador carregado, munido de um maçarico deignição que era alimentado pelo biogás dos digestores anaeróbios. Iniciada a ignição dosinterizador, ela se auto-sustentava a cerca de 1.000 ºC por 20 minutos, devido à combustãoda matéria orgânica contida no lodo; o carro maçarico era desligado ao mesmo tempo emque se ligava o sistema de exaustão dos gases de sinterização.

7) Quebramento e britagem do sínterAbriam-se as comportas laterais dos sinterizadores, descarregando-se os blocos sinterizadosem um carrinho, que seguia até o sistema de britagem do sínter. O carrinho era descarregadosobre uma grade onde era feita a quebra manual dos blocos de sínter. O material quebradocaia sobre uma peneira vibratória que possuía aberturas de 25 mm. O material maior que 25mm era desviado para um britador de mandíbulas e, após ser processado, reunia-se comaquele que tinha atravessado as malhas da peneira vibratória; em seguida, através de umelevador de canecas, o material era encaminhado para a entrada do tambor estabilizador.

8) Estabilização e classificação do sínterO sínter era submetido a uma abrasão recíproca em um tambor giratório, obtendo-se trêsprodutos distintos: o sínter de retorno, o sínter de cama e o sínter útil (agregado leve).

Esses três materiais eram classificados através de um sistema de peneiras rotatóriasexistentes no tambor estabilizador. O sínter de retorno era encaminhado para um silo deestocagem e posteriormente para o misturador no início do processo para modificar aumidade do lodo procedente do pátio de pós-secagem. O sínter de cama era encaminhadopara um silo e utilizado como falsa grelha no processo de sinterização, formando a cama daspelotas no sinterizador. O sínter útil (agregado leve) era o produto final acabado a serencaminhado para o pátio de estocagem.

A planta produzia aproximadamente 500 kg de agregado leve por hora, processando 2 t/hde lodo de esgoto. A densidade aparente do agregado encontrava-se em torno de 570 kg/m³.Após britagem a granulometria dos produtos se situava entre 2,4 a 10 mm. O fluxogramado processo de fabricação do ALL é apresentado na Figura 1.

Durante as diversas fases da produção do agregado leve havia formação de finos em váriasunidades do processo. Esses finos eram aspirados por exaustores e retidos no filtro demanga e, a partir daí, eram automaticamente descarregados e encaminhados ao silo de pójuntamente com o sínter de retorno. Os gases eram aspirados por exaustores, passando antespor ciclones recolhedores de partículas. Logo após, eram incinerados em um queimador degás que utilizava como combustível o biogás produzido nos digestores. No processoformava-se pequena quantidade de alcatrão, que poderia ser aproveitado.

O controle de qualidade do ALL era feito pelos laboratórios do IPT e pelo laboratório deconcreto da Sabesp. Os concretos feitos com o ALL, comparados com concretos de mesmotraço usando argila expandida Cinasita, única concorrente no mercado nacional na época,

mostraram melhor trabalhabilidade. Quanto a resistência à compressão axial, obtiveramvalores máximos de 29 MPa, apenas 12% abaixo dos concretos produzidos com argilaexpandida. Devido à alta absorção do ALL, este era usado no estado saturado comsuperfície seca. O ALL foi usado em obras da própria Sabesp, no concreto das passarelas daRodovia Anchieta, e como enchimento nas lajes rebaixadas do Shopping Ibirapuera. Em1981, estava sendo desenvolvido um projeto para aplicação do ALL na construção doEdifício de Administração da futura ETE Barueri, com concreto de fck = 15 MPa(SIMONDI, YAMADA, SARDINHA, 1981).

Figura 1 Fluxograma do processo de produção do agregado leve de lodo (SANTOS, 1992).

Em 1982, a unidade de ALL foi transformada para produzir fertilizante organomineral.“Uma instalação definitiva manteria ambas as linhas de fabricação, com a produçãoorientada pela qualidade do lodo entrando no processo e pela demanda do produto”(SANTOS, 2001). Não foram encontrados documentos que expliquem os fatores quedeterminaram a desativação da produção do ALL.

Além dessa experiência na cidade de São Paulo, houve uma pesquisa com o lodo da cidadede Londrina. MORALES (1989) caracterizou o agregado leve produzido com esse lodo eanalisou seu desempenho em concretos, considerando-o compatível com os agregados levesconvencionais.

4.1.2 Experiência internacional

Entre vários trabalhos detectados é possível destacar aquele desenvolvido pelo Dr. GeorgeHarrison para a San Diego Region Water Reclamation Agency. Ele passou a produziragregado leve a partir do lodo de esgoto por um processo chamado CCBA (CoordinateChemical Bonding Adsorption). O processo constava das seguintes etapas: mistura doesgoto com argila, alumínio e ácido poliacrílico; coagulação e floculação; decantação (lodocom 45% de sólidos); mistura com argila; extrusão; corte para formação de pelotas comcerca de 6 mm de diâmetro; e queima entre 1070 a 1095 ºC, vide Figura 2. O agregado leve

produzido estava em conformidade com as normas da ASTM. A partir deste agregadoobteve-se concretos de resistência à compressão acima de 35 MPa e blocos com mais de 6,5MPa (GEORGE, 1986).

Figura 2 Fluxograma do processo CCBA de fabricação de agregado leve (GEORGE, 1986).

YIP; TAY (1990) investigaram misturas de argila e tortas de lodo, queimadas entre 800 °Ce 1.080 °C num forno para tijolos. O material queimado até 1.000 °C mostrou-se fraco efriável. A partir de 1.000 °C o material ganhava resistência. Foi então quebrado eclassificado por tamanho, originando agregados leves miúdos e graúdos muito angulares. Atrabalhabilidade dos concretos em relação a esses agregados era prejudicada, porém suacaracterística de agregado leve conferiu ao concreto as mesmas características dosagregados leves comerciais, inclusive isolamento térmico, em virtude de sua baixacondutividade térmica, além de resistência a altas temperaturas. TAY; YIP; SHOW (1991)repetiram o processo com várias proporções de argila e tortas de lodo que, depois demisturadas, foram queimadas a temperaturas entre 1.050 °C e 1.080 °C num forno paratijolos. O material queimado foi quebrado e classificado por tamanho. Os agregados levesmais resistentes resultaram de misturas com teores de argila superiores a 40% em massa.

Em cidades de pouca extensão territorial, principalmente metrópoles asiáticas, a incineraçãoé a forma mais comum de redução do volume das tortas de lodo. Porém, isso implicaformação de cinzas, cujo volume é de 10 a 15% do volume das tortas, e que tambémnecessitam de uma destinação. Em Singapura, TAY (1987) pesquisou o uso destas cinzascomo fíler, isto é, com função de preenchimento substituindo parte do cimento no concreto.Para tanto, as cinzas resultantes da queima a 550 °C foram pulverizadas e selecionadasaquelas com diâmetro menor que 150 µm. Para um mesmo traço de concreto, foram

investigadas quatro substituições na massa de cimento (5, 10, 15 e 20%), além da referênciasem substituição. Notou-se melhoria na trabalhabilidade com maiores teores de substituição.Os efeitos na segregação, tempo de início e fim de pega, retração e absorção de água nãoforam significativos. Quanto a resistência à compressão após 28 dias, a substituição de 10%de cimento implicou queda de 10% da resistência, porém a substituição de 20% causouqueda acima de 30% na resistência do concreto sem substituição.

4.2 Matéria prima para fabricação de cimento Portland e pozolanas

Um estudo de TAY; SHOW (1991), em escala laboratorial, procurou desenvolver umcimento Portland a partir de tortas de lodo de esgoto. O cimento Portland tem comomatérias-primas rocha calcária e argila, sendo que a última foi substituída no estudo pelolodo desidratado. O primeiro passo foi a secagem da torta de lodo, condição necessária paramoagem e mistura adequada com a pedra calcária. Esta etapa deve ser sempre consideradaem processos de produção ou apenas de incorporação de tortas na indústria de cimento.

As amostras de lodo desidratado foram secas a 105 °C, moídas e misturadas com pó depedra calcária, CaCO3, em diferentes proporções. Estas misturas foram moídas entre 250 e350 µm, incineradas a temperaturas e tempos de detenção diferentes. O produto final foimoído numa granulometria menor que 80 µm. Foram analisadas as propriedades do cimentoassim produzido, bem como do cimento Portland convencional.

O melhor cimento produzido foi o resultante da mistura de 50% de lodo seco e 50% depedra calcária, em massa, com temperatura de queima de 1.000 °C e tempo de residência noforno de 4 horas. A composição química do cimento produzido com lodo de esgotoapresentou conformidade com as faixas de variação de um cimento convencional, comexceção do CaO, que ficou abaixo dos padrões, e do SO3, que ficou acima destes. O baixoteor de CaO pode afetar a resistência, e o alto teor de SO3 pode causar instabilidade novolume, prejudicando a durabilidade do concreto. O estudo não apresentou as característicasmineralógicas do clínquer assim produzido. Os testes revelaram que não ocorreramproblemas de expansão. O tempo de início de pega foi rápido, o que pode ser atribuído àfalta da adição de gipsita normalmente incorporada aos cimentos convencionais, e areatividade pozolânica foi muito baixa. A resistência à compressão após 28 dias atingiu 6,28MPa — cerca de 27% do valor obtido para um cimento Portland comum. Apesar dasdeficiências inerentes do estudo, o mesmo revela uma aplicação potencial.

ONAKA (2000) testou o processamento de lodo diretamente em uma fábrica de cimentodurante durante nove meses consecutivos, com bons resultados. O processo utilizadoiniciava com a secagem do lodo, transformando-o em péletes, porém conservando seu teorde matéria orgânica e energia. Esses péletes, de 2 a 10 mm de diâmetro, foram lançados noforno junto com o restante da matéria-prima do cimento. A matéria orgânica foi utilizadacomo fonte complementar de calor e a parte inorgânica integrou o clínquer. Os traços demetais pesados foram fixados em teores ainda mais diluídos na massa do cimento. Omonitoramento dos gases e o controle de qualidade do produto não indicaram nenhumaalteração em relação aos valores sem o uso do lodo. Os resultados revelam que aincorporação de apenas 2% de lodo seco como matéria prima em fornos de clínquerpermitiria consumir todo o lodo gerado no Japão.

Uma simplificação dessa idéia está em vias de ser estudada em São Paulo. Consta do usodos pré-calcinadores existentes em algumas fábricas de cimento, para executar a secagemdas tortas de lodo sem transformá-las em péletes. Este material seco poderia entrar juntocom a matéria-prima no forno de cimento, fornecendo calor e incorporando-se ao produtofinal. Nesta pesquisa, porém, o foco é a redução de NOx nas emissões atmosféricas dascimenteiras (USEPA, 2000a), através da reação química representada pela equação 1:

NOx + NH3 (amônia) + O2 → N2 + H2O. (1)

Outra aplicação é o uso de cinzas do lodo calcinado de maneira controlada na produção depozolanas que podem substituir parcialmente o clínquer do cimento. MORALES (1994)confirmou reatividade pozolânica no lodo calcinado entre 750 °C e 800 °C devido àpresença de montmorilonita, concluindo ser possível substituir até 35% do consumo decimento Portland.

4.3 Matéria prima para fabricação de cerâmica

A informação mais antiga encontrada sobre produção em escala industrial de tijolosutilizando resíduos de tratamento de esgoto refere-se a ETE de Fishwater Flats, PortElizabeth, na Africa do Sul. Desde 1979, uma olaria distante 15 km da ETE, produziu maisde 120 milhões de tijolos a partir de uma mistura em volume de 30% de lodo com 70% deargila, para tijolos comuns, e de 5 a 8% de lodo para tijolos de acabamento (SLIM;WAKEFIELD, 1991 apud WERTHER; OGADA, 1999).

As tortas de lodo misturadas à argila são moídas formando uma massa; esta massahomogênea recebe água tendo sua umidade ajustada em 20%; a massa é extrudada e ostijolos cortados. A etapa seguinte é a secagem em ambiente coberto a temperatura ambientepor duas semanas, ou em estufas por dois dias, numa temperatura entre 60 e 65 °C; seguempara a queima, resfriamento e estocagem.

Num forno contínuo, os tijolos moldados da mistura de lodo e argila aquecem até atingiruma temperatura de cerca de 150 ºC. Nesse momento o lodo começa a pirolizar e acombustão dos voláteis se inicia, aumentando rapidamente a temperatura dos blocos para800 ºC. No ponto do forno em que o lodo é completamente queimado e o gradiente térmicodiminui, um combustível externo é queimado para elevar a temperatura a 960 ºC. O uso dolodo nesta fábrica é responsável por uma economia de 55 L de óleo combustível para cada1.000 tijolos produzidos (WERTHER; OGADA, 1999).

Tais tijolos são reconhecidos pela excelente qualidade: cor e textura uniformes, ausência detrincas e são indistinguíveis dos tijolos convencionais em aspecto e odor. Os valores deresistência a compressão para os tijolos aparentes e não-aparentes são respectivamente de40,7 e 38,3 MPa — valores extremamente superiores às normas locais que são de 17,0 e14,0 MPa. A absorção de água em 24 h foi de 13%, 30% maior que os tijolos fabricados naregião, o que agregou vantagem ao produto, pois aumentou sua aderência às argamassas eaumentou os confortos térmico e acústico.

As vantagens do processo são a economia de água, a produção de tijolos mais leves,redução do custo de transporte, economia de combustível no forno e o aproveitamento dos

gases de queima para secagem das tortas de lodo (SLIM; WAKEFIELD, 1991 apudWERTHER; OGADA, 1999).

Outro estudo é o projeto Ecobrick, desenvolvimento na Catalunha — Espanha, em 1993, eatualmente desativado. Tratava-se também da incorporação de tortas de lodo de ETE naargila, em um processo comum de fabricação de tijolos. Os efeitos eram semelhantes aos daexperiência de Port Elizabeth. Além disso, foi observado que após a queima acima de 1.000°C, os metais pesados são encapsulados na matriz cerâmica, uma vez que a fase líquida,formada nas argilas expostas a altas temperaturas, ataca e integra os óxidos metálicos. Dessaforma os metais fixados na fase vítrea não podem ser lixiviados (ETEP; ESTÁTICA; JNS,1998).

A School of Civil and Structural Engineering de Singapura, trabalha intensamente com oaproveitamento das cinzas provenientes da incineração do lodo de esgoto. TAY (1987)produziu tijolos a partir dessas cinzas misturadas com argila, encontrando resistências àcompressão de 70 MPa para composições com 40% de cinzas, e redução da massaespecífica em relação ao bloco convencional.

Muitos outras pesquisas de incorporação de lodo desidratado e de cinzas de lodo foramdesenvolvidas. Foram encontrados diferentes valores absolutos para as propriedades dediversas proporções de incorporação de lodo em blocos cerâmicos. Isto se deve àdiversidade de matérias-primas, processos, dimensões dos blocos e as normalizações decada país. Mesmo assim é possível observar tendências e características dessa incorporaçãode lodo nos produtos cerâmicos (TAY; SHOW, 1997).

Com teores de incorporação de tortas de lodo entre 0 e 40% da massa total, os melhoresresultados limitaram-se a 10% de incorporação, representando aproximadamente reduçõesde 2,5% na massa específica e de 30% na resistência mecânica. A absorção de água e aretração de queima aumentaram respectivamente em 35% e 2,5% (TAY, 1987; ALLEMAN;BERMAN, 1984; SLIM; WAKEFIELD, 1991 apud TAY; SHOW, 1997).

O primeiro fator limitante no teor de lodo foi a capacidade da mistura ser extrudada. Alémdisso, a incorporação de lodo implica em incorporação de matéria orgânica, que ao serdestruída pela queima no forno, deixa vazios no interior do bloco, os quais levam à reduçãoda massa específica e da resistência mecânica, e ao aumento da absorção e da retraçãodimensional na queima. A retração na secagem tende a não ser alterada, uma vez que éinfluenciada pela umidade, a qual foi ajustada para a mistura com argila mais secacompensando o teor de umidade da torta de lodo.

Os blocos cerâmicos produzidos com a incorporação de cinzas de lodo tiveram suaspropriedades afetadas em função de uma característica peculiar das próprias cinzas. Elastêm a capacidade de reter uma quantidade de água equivalente à sua massa sem, entretanto,desenvolver plasticidade (NORTON, 1970 apud TRAUNER, 1993). Desta forma noprocesso de secagem, a perda de umidade não se traduz em retração dimensional, uma vezque as cinzas não haviam sido influenciadas pela adição desta mesma água. Um pequenoaumento da retração de queima pode ter sido resultado da fusão de alguns compostos dascinzas a temperaturas menores, merecendo estudo mais aprofundado. Este mesmo fenômenopoderia explicar o aumento da absorção, da queda da resistência mecânica e até do ligeiroaumento da massa específica. Ressalva deve ser feita à redução da massa específica no

estudo de TRAUNER (1993), atribuída à redução da água quimicamente combinada daargila, bem como à volatilização de alguns de seus compostos.

A qualidade da superfície do bloco feito com cinzas foi superior ao do bloco feito com lododesidratado (TAY; SHOW, 1997), porém, apesar dos resultados mais favoráveis àincorporação de cinzas, é importante considerar que para obtê-las houve um dispêndio deenergia.

Segundo ONAKA (2000) no Japão cerca de 70% das tortas de lodo é incinerada, sendo queparte das cinzas é utilizada na produção de tijolos e blocos de piso intertravados. O autorapresenta vários problemas dessa abordagem, dentre eles o alto consumo de combustível daincineração, alto custo da fabricação de materiais de construção a partir das cinzas e daescória.

No Japão, atualmente existem oito fábricas de blocos usando apenas cinza de lodo de esgotoincinerado, sem nenhum aditivo (OKUNO; TAKAHASHI, 1997). É usada moldagem dealta pressão e queima ajustada entre 1.020 ºC a 1.080 ºC. Estas fábricas fazem parte dasETEs, sendo que uma delas, inaugurada em 1991, produz cerca de 5.500 blocos por dia, apartir de 15 m3 de cinza. Esses blocos somente passaram a ser competitivos quando osproblemas de crescimento de fungos devido ao teor de umidade e o aparecimento demanchas pela lixiviação do carbonato de cálcio foram solucionados. Tal solução incluiu oaumento da temperatura de queima e a adoção de uma camada impermeabilizante.

Esse processo atende aos três requisitos básicos fixados pelo governo desse país: redução dovolume das cinzas; o produto não libera metais por lixiviação e; a produção não é sazonal.O volume do produto final é 20% do volume das cinzas. O único metal pesado detectadonas cinzas é o arsênio, lixiviado em concentração muito menor que a padrão em pH = 3 etambém em pH = 6, porém no bloco não é detectado em nenhuma destas condições de pH.A fábrica opera oito horas por dia, durante cinco dias por semana, o ano todo.

As fábricas de blocos fazem parte das ETEs e pertencem ao Governo Metropolitano deTóquio, assim parte dos blocos é utilizado para os serviços público da cidade. O restante écomercializado pelo mesmo preço do bloco concorrente de mercado — cerca de um dólar.O custo de fabricação é de dois dólares, porém, segundo o Governo de Tóquio, estadiferença é muito vantajosa diante dos custos de disposição das cinzas (OKUNO;YAMADA, 2000).

5. PROBLEMAS NA RECICLAGEM DO LODO DE ESGOTO

Apesar das vantagens e benefícios proporcionados pela reciclagem do lodo de esgoto parafabricação de materiais de construção, não se deve negligenciar a presença de poluentesorgânicos, metais pesados e organismos patogênicos inerentes à constituição desse resíduo.

5.1 Saúde ocupacional no manuseio do lodo de esgoto

No Brasil, inexistem informações sobre saúde ocupacional dos trabalhadores que temcontato direto com os resíduos de tratamento de esgotos. Portanto, em princípio valem asmesmas informações relativas aos contaminantes do próprio esgoto, e apesar de tratar-se de

lodo digerido, não se deve perder de vista que, por exemplo, basta um ovo de helminto parater-se a dose infectante por ingestão ou inalação.

A agência de proteção ambiental americana faz uma série de recomendações aostrabalhadores em seu manual, baseando-se em princípios de higiene pessoal e treinamentobásico (USEPA, 2000b). Apesar destas recomendações estarem dirigidas a lodo comdestinação agrícola, as mesmas podem servir como orientações básicas para a incorporaçãodo lodo de esgoto em processos industriais.

Em tese, o contato direto de pessoas com o lodo nas indústrias é menor, o que reduz aindamais um risco de contaminação que já é considerado baixo. Quanto maior o grau deautomação, mais interessante é a indústria para receber e processar o lodo, porém aexistência de processos de moagem, com emissão de poeira, conforme as condiçõesparticulares da instalação, eventualmente poderia introduzir risco de contaminação porinalação. A mesma preocupação deve ser tomada nos processos térmicos no tocante aemissão de gases e partículas.

5.2 Transporte e armazenamento de lodo de esgoto

Dada a inexistência de literatura específica sobre transporte e armazenagem de lodo, ospreceitos válidos nos estudos e na prática de uso de biossólidos na agricultura são expostosaqui apenas como referência. Entretanto, deve-se observar as diferenças no caso dascircunvizinhanças de uma propriedade rural e de uma indústria, por vezes próxima ou atéinserida em conglomerados urbanos, e demais particularidades que diferenciam as possíveisdestinações do lodo de esgotos. O processo de transporte de biossólidos da ETE até o localde armazenagem pode atrapalhar o trânsito, ser desagradável e emitir odores desagradáveispara a comunidade. Assim ele deve ser gerenciado para minimizar estes problemas,inclusive a exposição pública de odores.

Os lodos de esgoto bem estabilizados podem ser estocados sem gerar problemas de maucheiro (USEPA, 2000b). Contudo, o potencial de emissão de odores (compostos de enxofreou amônia) aumenta se certas condições ocorrerem durante a estocagem, como porexemplo: elevação da temperatura e umidade; pH caindo a menos de 9 em lodosestabilizados com cal; condições anaeróbias ou deficiência de oxigênio; contato do lodocom água; estocagem prolongada de lodos estabilizados inadequadamente; limpeza econtrole de perdas deficientes.

A agência de proteção ambiental americana em seu manual de estocagem de biossólido,lodo adequado para aplicação agrícola portanto, considera possível a amazenagem por até 1dia em local sem cobertura, porém a preocupação com uma potencial contaminação da águapermanece. Para períodos mais longos, até dois anos, são necessárias obras adequadas,como galpões de estocagem com piso de concreto ou asfalto e cobertura (USEPA,2000b).

5.3 Processamento térmico de lodos de esgoto e poluição do ar

Na maioria dos incineradores de resíduos urbanos e de lodos de esgoto, são usadosprecipitadores eletrostáticos para remoção das cinzas. Eles operam em temperaturas acimade 400 ºC, precedidos ou não de ciclones para remoção das partículas mais grossas,

inclusive com aproveitamento de calor. Sob as altas temperaturas de combustão nosincineradores, a maioria dos metais pesados é vaporizada. Porém, eles se condensam nasuperfície das partículas das cinzas numa parte mais fria do evaporador e são removidoscom essas cinzas. Cerca de 78 a 98 % do Cd, Cr, Cu, Ni, Pb e Zn são retidos na cinzas,enquanto que mais de 98% do mercúrio pode ser liberado para atmosfera junto com os gasesde saída (WERTHER; OGADA, 1999).

Sendo assim, a técnica de controle de emissão de metais pesados na atmosfera é o empregode um dispositivo eficiente de captura das cinzas nos gases de saída da chaminé, tais comolavadores Venturi e precipitadores eletrostáticos, entre outros. Com a limitação na emissãode partículas, o problema de metais pesados é transferido de poluição do ar para amanipulação das cinzas contaminadas. Porém o problema com a lixiviação dos metaispesados pode ser resolvido durante a incineração com o uso de temperaturas mais altas,causando a fusão das cinzas. As emissões de metais pesados não são um problema durante ouso do lodo de esgoto na produção de tijolos ou na co-combustão na fabricação de cimento.Na produção de tijolos os metais pesados são encapsulados na matriz do tijolo e não sãolixiviáveis, enquanto que na produção de cimento os metais pesados do lodo são adsorvidosnas partículas e retornam para o forno depois da separação no precipitador eletrostático(WERTHER; OGADA, 1999).

Os compostos de mercúrio, devido a suas baixas temperaturas de vaporização, sãoprontamente vaporizados. Contudo, devido à instabilidade dos compostos de mercúrio emtemperaturas mais altas, geralmente acima de 700 ºC, os compostos decompõem-se paraformar mercúrio elementar. O mercúrio elementar não é prontamente solúvel e depois,diferente dos outros metais pesados, não é removido com as cinzas durante o tratamento dosgases da combustão. Porém mais adiante os gases da chaminé esfriam, e é possível que omercúrio metálico possa reagir com outros componentes dos gases de saída e formar outroscompostos. Em um estudo na Suécia, com incinerador de resíduos sólidos municipais —resíduo que contém maior presença de mercúrio que o lodo de esgoto — mais de 97% domercúrio foi removido através de sistema de três estágios composto por precipitadoreletrostático, lavagem de gases e filtro-adsorção (HYLANDER et al, 2003).

As dioxinas e furanos, no caso do lodo de esgoto, sob temperaturas de incineração acima de1.200 ºC, são completamente destruídos, de forma que no incinerador suas concentraçõessão desprezíveis. Porém na limpeza do gás, onde a temperatura é menor que 450 ºC, podeocorrer uma nova formação de dioxinas e furanos. Felizmente no caso dos lodos de esgoto,este nível de formação é muito menor do que nos incineradores de resíduos urbanos, pois arelação S/Cl é de 7 a 10 vezes maior nos lodos de esgoto. Um teor alto de enxofre inibe aformação de dioxinas e furanos, o que é comprovado por pesquisas em incineradores naEuropa e comparações com os respectivos limites legais de emissão, demonstrando que aincineração dos lodos de esgoto não é uma fonte, e sim um redutor de dioxinas e furanos.Os balanços de massa tem mostrado que a partir da quantidade de entrada, mais de 94% édestruído durante a combustão, menos de 1% escapa para a atmosfera com os gases desaída, e cerca de 5% é retido nas cinzas (WERTHER; OGADA, 1999). A adoção do sistemade três estágios obteve remoções superiores a 99% de dioxinas (EDULJEE; CAINS, 1997;HYLANDER et al, 2003).

No Brasil não se tem muitos dados sobre incineração, e sobre co-processamento de lodo deesgotos. Assim atenção especial é recomendada para os processos de reciclagem do lodo no

que tange à emissão de gases num ciclo de queima, os quais podem envolver diferentestemperaturas, e conseqüentemente liberar gases tóxicos em alguma destas temperaturas.Ressaltando-se que apenas a temperatura máxima do processo não é parâmetro suficientepara esta análise.

Hipotéticas simulações de queima, associadas a temperaturas e tempos de residência nosfornos, tem probabilidade mínima de detecção de gases tóxicos em escala de laboratório,devido a seus baixíssimos valores de concentração. Logo, o monitoramento de emissõesgasosas deve ser feito em escala real, tão logo seja desenvolvido o processo de reciclagem,representando uma etapa de extrema importância.

5.4 Contaminação do ambiente por lixiviação

A lixiviação de metais pesados e outras espécies perigosas incorporadas nos materiaisproduzidos a partir de resíduos é um dos problemas ambientais a ser enfrentado (van derSLOOT, 1997) também no caso do lodo de esgoto.

As matrizes cerâmicas e mesmo cimentícias tem sido propostas para inertização de resíduoscontendo alto teor de metais pesados, mas certamente os resultados dependem dascaracterísticas do produto final. Estas características podem, no entanto, ser controladasaplicando conceitos básicos de engenharia de materiais de forma a imobilizar os metaispesados, desde que o teor dos mesmos permaneça dentro de limites razoáveis. Aspectoscomo dosagem de resíduo, processos de mistura (MAGALHÃES et al, 2004), porosidadedos produtos (CHEESEMAN et al 2003), etc estão relacionados a esses conceitos.CHEESEMAN et al (2003) investigaram a lixiviação de cerâmicas produzidas a partir dascinzas de lodo de esgoto e constataram uma acentuada redução dos produtos agressivoslixiviados.

6. CONCLUSÕES

Os resultados do presente trabalho permitem concluir que:

• os lodos gerados não podem ser considerados como um resíduo único, mas constituemuma família de lodos diferentes de ETE para ETE e certamente irão requerer técnicas dereciclagem específicas;

• é desejável desenvolver outros mercados para o lodo de esgoto, alternativas ao uso naagricultura, particularmente para lodos da RMSP, devido a contaminação com metaispesados e até a possível presença de patógenos;

• poder calorífico da matéria orgânica presente, combinado com o teor de inorgânicostornam os lodos de esgotos atrativos a processos industriais cerâmicos, como porexemplo agregados leves, componentes de cerâmica vermelha e até materiaiscimentícios;

• desenvolvimento destes novos mercados para o lodo de esgoto depende de investigaçãotanto de adequação dos processos industriais para as diferentes características do lodosde esgoto, quanto de aspectos de risco ambiental e segurança do trabalho.

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