estação tratamento agua2

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(Parte 1 de 7)

Luiz Di Bernardo, Cristina Célia S. Brandão e Léo Heller

Capítulo 1 – INTRODUÇÃO Características Físicas e Organolépticas Características Químicas Características Bacteriológicas Características Radiológicas

Capítulo 2 – CONCEITUAÇÃO DA FILTRAÇÃO EM MÚLTIPLAS ETAPAS Considerações Iniciais Necessidade de Pré-Tratamento Filtração em Múltiplas Etapas – FiME

Capítulo 3 – APLICABILIDADE, LIMITAÇÕES, EFICIÊNCIA E CUSTOS A Filtração Lenta O Pré Tratamento na Filtração em Múltiplas Etapas (FiME) Pré-filtro Dinâmicos de Pedregulho Pré-filtro de Pedregulho com Escoamento Vertical Limitações da Filtração em Múltiplas Etapas Custos

Capítulo 4 –CRITÉRIOS DE PROJETO E DIMENSIONAMENTO Considerações Preliminares Fatores que Influem na Eficiência da FiME Sólidos Suspensos, Turbidez e Tamanho das Partículas Método de Operação Meio Filtrante de Filtros Lentos Carga Hidráulica Disponível e Taxa de Filtração nos Filtros Lentos Fundo dos Filtros Lentos Meios Granulares de Pré-Filtros e Características de Projeto e Operação Pré-Filtração Dinâmica Pré-Filtração Ascendente em Pedregulho CRITÉRIOS DE PROJETO Considerações Iniciais Pré-Filtração Dinâmica Pré-Filtração Ascendente Filtração Lenta

Capítulo 5 – OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO Pré-filtro Dinâmicos de Pedregulho Pré-filtro de Pedregulho com Escoamento Ascendente Filtro Lento

Em 1997 iniciou-se no Brasil o PROSAB – Programa de Pesquisa em Saneamento Básico, programa de pesquisa induzida na área. O PROSAB foi concebido para, mediante uma conjunção de esforços entre agências governamentais de fomento, instituições de pesquisa e pesquisadores, oferecer, à área de saneamento do país, desenvolvimentos tecnológicos que incorporassem o princípio da tecnologia apropriada, englobando critérios como simplicidade, custo compatível e sustentabilidade face às particularidades regionais e nacionais. Essa iniciativa supõe ainda a visão de que tecnologias com tais características detêm o potencial de contribuir para a universalização, com eqüidade, do atendimento às populações com serviços de saneamento e assim combater uma importante face da exclusão social, que afasta parcela expressiva da população dos direitos da cidadania.

O primeiro dos quatro temas do PROSAB dedicou-se à investigação da eficiência, limitações e aplicabilidade de sistemas não convencionais de tratamento de águas de abastecimento, em instalações piloto montadas na Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo - USP e no Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Tecnologia da Universidade de Brasília - UnB, e teve como um de seus produtos a presente publicação. Nela, procura-se apresentar os princípios da Filtração em Múltiplas Etapas – FiME e sistematizar informações capazes de instrumentalizar a concepção, o dimensionamento, o projeto, a construção, a operação e a manutenção do processo, visando tanto à sua apropriação pelos técnicos, quanto seu emprego no ensino da graduação e da pós-graduação.

O processo FiME constitui resultado de um esforço de aperfeiçoamento de uma tecnologia de tratamento coletivo de águas de abastecimento, que teve sua origem há quase dois séculos – a filtração lenta. Esta representa um sistema de tratamento de funcionamento extremamente simplificado, que em verdade simula mecanismos naturais de depuração das águas, em sua percolação pelo subsolo, quando, nesse percurso, são removidos microrganismos, partículas, substâncias químicas e componentes biológicos. Trata-se de processo que tinha emprego privilegiado na área do tratamento de água no Brasil, a partir do início do século até a década de 60, e passou a ser desprezado a partir dos anos 70. Duas pressões colaboraram com essa mudança: o processo de substituição tecnológica, determinado pela influência, sobretudo, da cultura técnica norte-americana; e a acelerada deterioração da qualidade das águas dos mananciais, resultado da opção de desenvolvimento econômico baseado no modelo urbano-industrial, sem a preocupação de assegurar sua sustentabilidade sócio-ambiental.

Nessas últimas três décadas, mesmo que a filtração lenta pudesse constituir solução apropriada em diversas aplicações no país, especialmente na zona rural e em comunidades de pequeno e médio portes onde o manancial se manteve razoavelmente preservado, a substituição tecnológica reprimiu seu emprego no país, resultando, além da implantação de soluções menos adequadas, em prejuízo para o próprio desenvolvimento e aperfeiçoamento da tecnologia, em bases nacionais.

A despeito dessa discriminação, o meio científico nacional e internacional não deixou de considerar a pertinência da tecnologia e de desenvolver aperfeiçoamentos, objetivando tornar ainda mais amplo o espectro de situações nas quais sua utilização pudesse ser recomendada. Nessa linha, houve a consolidação de pré-tratamentos, constituídos por unidades preliminares de filtração em leitos de maior granulometria – os pré-filtros dinâmicos e os pré-filtros em leitos de pedregulho. A combinação de uma ou mais dessas unidades com os filtros lentos recebeu justamente a denominação da tecnologia objeto da presente publicação – a FiME.

Em vista dessa trajetória, ao se publicar este texto necessariamente é também incorporado o objetivo de resgate da tecnologia e a pretensão de modificação de uma cultura técnica setorial. A divulgação da FiME, nesse sentido, procura apresentar para o meio da Engenharia Sanitária nacional uma tecnologia “re-emergente”, que já galgou o status de tecnologia consolidada em vários países em desenvolvimento e mesmo desenvolvidos. Uma tecnologia versátil, de custo de implantação compatível com a realidade nacional, passível de se adaptar a mudanças de qualidade da água e de operação e manutenção pouco especializados. Além disso, dado o excepcional desempenho na remoção bacteriológica característico do processo, corresponde a uma solução com muito maior potencial de benefício à saúde pública se comparado aos tratamentos físico-químicos convencionais, em especial nas situações com fragilidade na eficiência da desinfecção química. Verdadeiramente, uma tecnologia com a potencialidade de transformar qualitativamente a natureza de sistemas de abastecimento de água de significativo número de localidades brasileiras.

Obviamente, não obstante essas virtudes, não se deve relevar a necessidade de um adequado, criterioso e responsável enfoque de engenharia como pré-requisito para o pleno sucesso da tecnologia.

Os autores esperam, ao colocar esta contribuição à disposição dos técnicos em Engenharia Sanitária brasileiros, estar colaborando para remover uma discriminação injusta cometida contra uma tecnologia de tratamento de água, que tem a vocação de minorar as precárias condições sanitárias a que se encontra submetido importante contingente da nossa população.

Capítulo 1 - INTRODUÇÃO

A água consumida pelo ser humano deve obedecer a critérios de qualidade definidos por normas nacionais ou internacionais. A obediência a esses critérios determina que a seleção da tecnologia de tratamento a ser adotada considere, além da qualidade da água a ser tratada, a própria característica da comunidade a ser beneficiada. Em muitos países em desenvolvimento, não há disponibilidade de recursos financeiros para construir estações de tratamento sofisticadas, exigindo dos pesquisadores que difundam as tecnologias apropriadas, visando convertê-las em projetos realistas, econômicos e confiáveis.

Do ponto de vista tecnológico, água de qualquer qualidade pode ser, em princípio, transformada em água potável, porém, os custos envolvidos e a confiabilidade na operação e manutenção podem inviabilizar o uso de um determinado corpo d’água como fonte de abastecimento. Existe uma relação intrínseca entre o meio ambiente e as tecnologias de tratamento, isto é, em função da qualidade da água de um determinado manancial e suas relações com o meio ambiente, há tecnologias específicas para que o tratamento seja eficientemente realizado. Na Figura 1.1 é mostrado um esquema, no qual se procura relacionar o meio ambiente e as tecnologias de tratamento. Observa-se nessa Figura que há alternativas tecnológicas compatíveis com a qualidade da água do manancial. Somente com a realização de análises e exames em laboratório, inspeções sanitárias na bacia do manancial e com a execução de ensaios em instalações de bancada ou em instalações piloto com escoamento contínuo, é que algumas tecnologias podem ser consideradas inicialmente e outras descartadas.

Figura 1.1 - Esquema Indicativo entre Meio Ambiente e Alternativas de Tratamento

No Brasil, a Resolução no 20 do CONAMA-Conselho Nacional do Meio Ambiente (1986), estabelece a classificação das águas em todo território nacional de acordo com seus usos preponderantes, presentes e futuros. Segundo esta resolução, quatro das cinco classes de água doce incluem entre seus usos preponderantes, a destinação para abastecimento público, considerando o tipo de tratamento requerido, a saber:

Classe Especial: águas destinadas ao abastecimento doméstico sem prévia ou simples desinfecção; Classe 1: águas destinadas ao abastecimento doméstico após tratamento simplificado; Classes 2 e 3: águas destinadas ao abastecimento doméstico após tratamento convencional.

Para cada classe são estabelecidos limites dos parâmetros físicos, químicos biológicos e radiológicos, tornando obrigatória a determinação de parâmetros de qualidade, incluindo compostos orgânicos complexos, muitas vezes inexeqüível em algumas regiões do Brasil. Há também a limitação de alguns parâmetros sem sentido aparente sob o ponto de vista da definição do processo de tratamento, tais como a turbidez máxima igual a 100 uT e a cor igual a 75 mg Pt/L para as águas das classes 2 e 3, e o NMP/100 mL de coliformes fecais inferior a, respectivamente, 1000 e 4000 em 80 % ou mais de pelo menos 5 amostras mensais colhidas em qualquer mês (ou do NMP/100 mL de coliformes totais inferior a 50 e 20 0 em 80 % ou mais de pelo menos 5 amostras mensais colhidas em qualquer mês se não houver, na região, meios disponíveis para o exame de coliformes fecais) para as águas de classe 2 e de classe 3. Como não há definição precisa do parâmetro cor na Resolução no 20 do CONAMA , supõe-se que seja cor verdadeira, pois águas com turbidez de 75 uT seguramente apresentarão cor aparente maior que 75 mg Pt/L. No total, são aproximadamente setenta parâmetros de qualidade exigidos, alguns medidos somente em laboratórios altamente especializados, razão pela qual tem sido difícil o cumprimento desta resolução.

Ainda no Brasil, a Associação Brasileira de Normas Técnicas-ABNT (1989), por meio da NB-592, considera os seguintes tipos de águas naturais e respectivos tratamentos:

Tipo A: águas subterrâneas ou superficiais, provenientes de bacias sanitariamente protegidas, com características básicas apresentadas na Tabela 1.1 e, os demais parâmetros de qualidade, de acordo com o Padrão de Potabilidade.

Tipo B: águas superficiais ou subterrâneas, provenientes de bacias não protegidas, com características básicas apresentadas na Tabela 1.1 e que possam atender ao Padrão de Potabilidade com tecnologias de tratamento que não exijam a coagulação química. Tipo C: águas superficiais ou subterrâneas de bacias não protegidas, com características básicas apresentadas na Tabela 1.1 e que exigem tecnologias de tratamento com coagulação química para atender ao Padrão de Potabilidade. Tipo D: águas superficiais de bacias não protegidas, sujeitas à poluição ou contaminação, cujas características básicas são apresentadas na Tabela 1.1 e que requerem tratamentos especiais para atender ao Padrão de Potabilidade.

Tabela 1.1 - Classificação das Águas Segundo a NB-592 da ABNT (1989) CARACTERÍSTICA TIPO

A B C D

DBO5 (mg/L) - média

- máxima (qualquer amostra)

< 1,51,5 a 2,5 2,5 a 4,0 > 4,0
3,0 4,0 6,0 > 6,0

Coliformes Totais (NMP/100 mL) - média mensal

50 a 100 100 a 5000 5000 a 20000> 20000
> 100 (*) > 5000 (**) > 20000 (***)-------
PH 5 a 95 a 9 5 a 9 3,8 a 10,3
Cloretos (mg/L) < 5050 a 250 250 a 600 > 600
Fluoretos (mg/L) < 1,51,5 a 3,0 > 3,0 -------

- máximo

NMP : número mais provável (*) em menos de 5 % das amostras examinadas (**) em menos de 20 % das amostras examinadas (***) em menos de 5 % das amostras examinadas

Embora a NB-592 da ABNT limite o uso de tecnologias sem coagulação química à água tipo B, há dados referentes à operação de algumas instalações tipo FiMEFiltração em Múltiplas Etapas funcionando na Colômbia, tratando água com qualidade pior que aquela recomendada na Tabela 1.1.

Com a aprovação da lei n. 9433, publicada no Diário Oficial da República do Brasil, em janeiro de 1997, foi criado o Sistema Nacional de Gerenciamento dos Recursos Hídricos-SNGRH, fundamentado nos seguintes aspectos: - a água é um bem de domínio público;

- a água é um recurso natural limitado e dotado de valor econômico;

- em situações de escassez, o uso prioritário dos recursos hídricos é o consumo humano e a dessedentação de animais; - a gestão dos recursos hídricos deve sempre proporcionar o uso múltiplo das águas; - a bacia hidrográfica é a unidade territorial para implementação da política nacional de recursos hídricos e a atuação de gerenciamento dos recursos hídricos; - a gestão dos recursos hídricos deve ser descentralizada e contar com a participação do poder público, dos usuários e da comunidade.

A preocupação com o meio ambiente resultou em aprovação pelo Congresso Nacional da Lei de Crimes Ambientais publicada no Diário Oficial da União em abril de 1998, a qual estabelece medidas punitivas aos infratores, tais como: - prestação de serviços à comunidade;

- interdição temporária de direitos;

- suspensão parcial ou total de atividades;

- prestação pecuniária;

- recolhimento domiciliar.

A Lei de Crimes Ambientais considera crime contra o meio ambiente as seguintes situações: - artigo 3 : provocar, pela emissão de efluentes ou carreamento de materiais, o perecimento de espécies da fauna aquática existentes em rios, lagos, açudes, lagoas, baias ou águas jurisdicionais brasileiras – pena de detenção por um período de 1 a 3 anos; - artigo 54 : causar poluição de qualquer natureza em níveis tais que resultem ou possam resultar em danos à saúde humana, ou que provoquem a mortandade de animais ou a destruição significativa da flora – neste artigo são descritos vários crimes, incluindo o lançamento de resíduos líquidos nos recursos hídricos, provenientes de estações de tratamento de água, em desacordo com a Lei n.9 433 de 1997, que também dispõe sobre a prevenção e controle do meio ambiente.

As principais alterações da qualidade da água de um recurso hídrico estão relacionadas ao crescimento ou adensamento das populações urbanas, à expansão industrial e aos usos diferentes do solo da bacia hidrográfica. Para os ecólogos em geral, a poluição decorre de qualquer alteração da natureza física, química, biológica ou mesmo de regime hidrológico que produza desequilíbrios no ciclo biológico normal, alterando a composição da fauna e da flora do meio. Para os sanitaristas, a poluição de um recurso hídrico resulta, principalmente, do lançamento de águas oriundas de atividades industriais, agrícolas ou humanas. A contaminação é a denominação genérica das conseqüências da poluição, tais como os efeitos da introdução de substâncias ou de organismos nocivos no recurso hídrico, causando doenças no ser humano. A poluição do meio aquático pode causar alterações das características físicas (turbidez, cor, número e tamanho de partículas, temperatura, condutividade, viscosidade, tensão superficial, etc), químicas (DQO, DBO, pH, toxicidade, etc) ou biológicas (microrganismos em geral e espécies do fitoplâncton e do zooplâncton). As principais doenças associadas à contaminação biológica dos recursos hídricos são cólera, febre tifóide, febre paratifóide, salmoneloses, disenteria bacilar, amebíase, giardíase, criptosporidíose, esquistossomose, viroses, etc.

Do ponto de vista toxicológico, seria interessante pesquisar ou adaptar técnicas desenvolvidas sobre indicadores biológicos, utilizando-os na chegada da água bruta na ETA-estação de tratamento de água, de forma a possibilitar a detecção da toxicidade causada por substâncias químicas, pois em geral, as ETAs não se encontram preparadas para a remoção de substâncias ou elementos tóxicos, a menos que tivessem sido projetadas considerando-se tal aspecto. Nesse caso, uma pequena parcela da vazão afluente poderia continuamente ser desviada para um recipiente, no qual estariam presentes os indicadores biológicos. Esse é um exemplo de medida visando aumentar a segurança do tratamento, reconhecendo a dificuldade em se prever a presença de substâncias ou elementos tóxicos, que podem ser decorrentes do tipo de solo da bacia hidrográfica, do uso de agrotóxicos na agricultura, de despejos industriais, de deposição de contaminantes atmosféricos ou da excreção de sub-produtos pelas algas e outros organismos.

O projeto de estações de água, para ser adequado às características da água bruta, deve se basear em dados obtidos a partir de estudos de laboratório, utilizando-se instalações constituídas de reatores estáticos ou, preferivelmente, instalações piloto de escoamento contínuo. Mesmo que dados sobre a qualidade da água bruta sejam conhecidos, o projetista pode incorrer em erros graves quando seleciona a tecnologia de tratamento ou quando adota parâmetros de projeto a partir da literatura ou da sua própria vivência. Tem sido observado em alguns países em desenvolvimento que não existe relação entre a qualidade da água bruta e a tecnologia de tratamento adotada, resultando no comprometimento da operação da ETA, tanto do ponto de vista do consumo exagerado de produtos químicos, quanto da qualidade da água produzida, especialmente quando a coagulação química é empregada.

As tecnologias de tratamento de água podem ser enquadradas em dois grupos, sem coagulação química e com coagulação química. Dependendo da qualidade da água bruta, ambos os grupos podem ou não ser precedidos de pré-tratamento. Na Figura 1.2 são apresentadas, na forma de diagrama de blocos, as principais alternativas de tratamento sem coagulação química, com ou sem pré-tratamento.

Figura 1.2 – Tecnologias de Tratamento Utilizando a Filtração Lenta e Pré-Tratamento

A decantação tem sido empregada principalmente quando se têm mananciais superficiais cujas nascentes são próximas a montanhas, como no caso dos países andinos. Nas épocas chuvosas, os picos de sólidos suspensos e de turbidez são elevadíssimos, tornando impraticável o funcionamento da estação de tratamento sem a existência de unidades de pré-tratamento. Na decantação plena, a água captada no rio é conduzida a um lago com tempo de detenção geralmente superior a 2 meses. No lago, ocorre remoção considerável, não apenas de sólidos suspensos, mas também de bactérias, protozoários, fungos, vírus e outros organismos, fato relacionado ao tempo médio de detenção. Por outro lado, segundo Di Bernardo (1995), com a clarificação da água e, com a maior penetração da luz solar, podem surgir florescimentos de algas, caso se a água contenha os nutrientes necessários, e dificultar a operação da estação de tratamento.

A Filtração em Múltiplas Etapas – FiME é uma tecnologia de tratamento que vem sendo utilizada em alguns países da América do Sul, tendo tido sua eficácia comprovada tanto em instalações piloto quanto em protótipos para o tratamento de água com qualidade variável. Basicamente, uma instalação FiME é composta por alguma combinação entre a pré-filtração dinâmica, a pré-filtração grosseira e a filtração lenta.

A pré-filtração dinâmica pode ser empregada de duas formas como pré-tratamento: a) para remover impurezas; b) para amortecer picos de turbidez ou de sólidos suspensos. A Segunda opção pode ser adotada, em função da qualidade da água bruta, de modo que ocorra colmatação rápida da subcamada superior de pedregulho, evitando-se dessa forma que água bruta com turbidez elevada atinja as unidades subseqüentes. Nesse caso, as subcamadas do pré-filtro apresentam pedregulho de menor tamanho, a velocidade de escoamento do excesso (que não é captada) é relativamente pequena e é maior a taxa de filtração quando comparada às de um pré-filtro dinâmico projetado para remover impurezas. A remoção de organismos é substancial, tendo sido reportadas eficiência da ordem de 80 a 90 % de remoção de coliformes totais e fecais nas unidades de pré-filtração dinâmica, o que assegura o funcionamento adequado e seguro da tecnologia de tratamento posterior sem coagulação química. Há situações em que a filtração lenta precedida da pré-filtração dinâmica pode ser uma alternativa apropriada.

Quando se tem a pré-filtração grosseira após a pré-filtração dinâmica, esta pode ser projetada tanto para remover impurezas quanto para amortecer picos de turbidez ou de sólidos suspensos, o que dependerá essencialmente da qualidade da água bruta. Há dados na literatura relatando substancial remoção de algas, coliformes, protozoários, metazoários e rotíferos nos pré-filtros em pedregulho de escoamento vertical ascendente, de modo que, precedidos por pré-filtros dinâmicos, esse tipo de pré-tratamento pode resultar muito seguro do ponto de vista sanitário e altamente recomendável para comunidades de pequeno e médio porte, adequando as características da água para posterior tratamento por meio da filtração lenta. Como grande parte das impurezas poderão ser retidas nos pré-filtros com escoamento vertical (ascendente ou descendente) ou horizontal, é conveniente que estas unidades possuam dispositivos que permitam a realização de descargas de fundo periódicas.

Quando são consideradas as características da comunidade, condição importantíssima em países em desenvolvimento, verificam-se limitações para a utilização das tecnologias de tratamento que requerem a coagulação química em muitas regiões do país. Na seleção da tecnologia, deve-se assegurar a sustentabilidade do sistema, que desempenha papel importantíssimo para que seja continuamente produzida água com qualidade satisfatória e quantidade compatível com as necessidades daz população durante o período de projeto para o qual será construído. A sustentabilidade do sistema é função de vários fatores, destacando-se a cultura e costumes da população, nível de mobilização social, capacidade de investimento, existência de mão de obra qualificada, disponibilidade de materiais de construção e de produtos químicos na região, porte do sistema, confiabilidade na operação e manutenção, padrão de potabilidade a ser atendido, quadro de saúde da população, etc. Na Figura 1.3 é apresentado um esquema no qual se visualiza a interação entre as tecnologias de tratamento, o meio ambiente e a comunidade. Notase, nessa figura, que existe uma região demarcada, na qual se encontram as alternativas sustentáveis do ponto de vista técnico e econômico. Se houver mais de uma alternativa, deve ser feito um estudo comparativo para a definição da alternativa a ser adotada, que considere não apenas fatores de ordem econômica, como também aqueles relacionados à maior ou menor sustentabilidade da solução por ocasião da implantação e durante a operação e manutenção do sistema. Assim, aspectos a serem considerados nessas fases, incluem a educação sanitária, a participação comunitária, a avaliação da eficiência e da eficácia da intervenção e a integração com demais políticas públicas como a de saúde pública, de planejamento urbano, ambiental e de recursos hídricos.

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