estação tratamento agua2, Notas de estudo de Cultura

Baixe estação tratamento agua2 e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity! TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO POR FILTRAÇÃO EM MÚLTIPLAS ETAPAS Luiz Di Bernardo, Cristina Célia S. Brandão e Léo Heller APRESENTAÇÃO 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 APRESENTAÇÃO 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 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 5000 e 20 000 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) < 1,5 1,5 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 - máximo 50 a 100 100 a 5000 5000 a 20000 > 20000 > 100 (*) > 5000 (**) > 20000 (***) ------- PH 5 a 9 5 a 9 5 a 9 3,8 a 10,3 Cloretos (mg/L) < 50 50 a 250 250 a 600 > 600 Fluoretos (mg/L) < 1,5 1,5 a 3,0 > 3,0 ------- 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 FiME- Filtração 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; 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. Nota- se, 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. Figura 1.3 – Esquema Ilustrativo da Interação entre Meio Ambiente, Tecnologias de Tratamento e Comunidade A conservação da bacia hidrográfica, com a conseqüente proteção dos mananciais, é sem dúvida o método mais eficaz para assegurar a qualidade da água destinada ao Tabela 1.4 - Componentes Químicos que Afetam a Qualidade Organoléptica CARACTERÍSTICA VALOR MÁXIMO PERMISSÍVEL Alumínio (mg/L Al) 0,2 Agentes Tenso-ativos (mg/L) 0,2 Cloretos (mg/L) 250 Cobre (mg/L) 1 Dureza Total (mg/L CaCO3) 500 Ferro Total (mg/L Fe) 0,3 Manganês (mg/L) 0,1 Sólidos Totais Dissolvidos (mg/L) 1 000 Sulfatos (mg/L SO4-) 400 Zinco (mg/L) 5,0 Tabela 1.5 - Componentes Químicos Orgânicos que Afetam a Saúde do Ser Humano CARACTERÍSTICA VALOR MÁXIMO PERMISSÍVEL (μg/L) Aldrin e Dieldrin 0,03 Benzeno 10 Benzo-a-pireno 0,01 Clordano (total de isômeros) 0,03 DDT (total) 1,0 Endrin 0,2 Heptacloro + Heptacloro Epóxido 0,1 Hexaclorobenzeno 0,01 Lindano (gama HCH) 3,0 Metoxicloro 30 Pentaclorofenol 10 Tetracloreto de Carbono 3,0 Tetracloroeteno 10 Toxafeno 5,0 Tricloroetano 30 Trihalometanos 100 (*) 1,1 Dicloroeteno 0,3 1,2 Dicloroetano 10 2,4 D 100 2,4,6 Triclorofenol 10 (**) (*) sujeito a revisão em função de estudos toxicológicos em andamento; a remoção ou prevenção não deverá prejudicar a eficiência da desinfecção (**) concentração limiar de odor igual a 0,1 μg/L Tabela 1.6 - Limites de Substâncias que Conferem Odor à Água Potável SUBSTÂNCIA VALOR MÁXIMO PERMISSÍVEL Clorobenzenos (mg/L) 0,1 a 0,3 Clorofenóis e Fenóis (μg/L) 0,1 Sulfeto de Hidrogênio (μg/L S) (não ionizável) 0,025 a 0,050 Tabela 1.7 - Freqüência Mínima de Amostragem da Água Tratada DISCRIMINAÇÃO SAÍDA DA ETA (*) REDE DE DISTRIBUIÇÃO POPULAÇÃO ABASTECIDA (hab) <50 000 50 000 a 250 000 > 250 000 1 amostra 1 amostra cada 4 amostras+1 50 000 hab cada 50 000 hab Características Físicas e Organolépticas 1 amostra diária mensal mensal mensal Componentes Inorgânicos que afetam a saúde (*8) 1 amostra semestral semestral semestral semestral Componentes Orgânicos que afetam a saúde (**8) 1 amostra semestral semestral semestral semestral Componentes que afetam a qualidade organoléptica (****) 1 amostra semestral semestral semestral semestral (*) ETA: estação de tratamento de água (**) diária para cloro residual e íon fluoreto na saída da estação de tratamento; mensal para o íon fluoreto e cloro residual e obrigatoriedade da coleta semestral somente para cádmio, chumbo e cromo total na rede de distribuição; (***) mensal para trihalometanos na saída da estação de tratamento; obrigatoriedade da coleta semestral na rede de distribuição somente para os trihalometanos; (****) mensal para alumínio e ferro total na saída da estação de tratamento; obrigatoriedade semestral somente para alumínio e ferro total na rede de distribuição. Características Bacteriológicas As principais exigências com relação à qualidade bacteriológica são as seguintes: - ausência de coliformes fecais em 100 mL de amostra; - ausência de bactéria do grupo coliformes totais em 100 mL quando a amostra for coletada na entrada da rede de distribuição; - nas amostras procedentes da rede de distribuição, 95 % não deverão conter coliformes totais em 100 mL; nos 5 % restantes, serão tolerados até 3 coliformes totais em 100 mL, desde que isso não ocorra em duas amostras consecutivas, coletadas sucessivamente no mesmo ponto; - o volume mínimo da amostra é de 100 mL; no caso da técnica dos tubos múltiplos, quando não houver possibilidade de examinar 100 mL, permite-se o exame de 5 porções de 10 mL; - quando forem obtidos resultados desfavoráveis, pelo teste A/P (presença/ausência), duas novas amostras deverão ser coletadas nos mesmos pontos, em dias imediatamente consecutivos, para serem examinadas; - para avaliar as condições sanitárias dos sistemas de abastecimento público de água, é recomendado que, em 20 % das amostras examinadas por mês, semestre ou ano, seja efetuada a contagem de bactérias heterotróficas, que não poderão exceder a 500 UFC (unidade formadora de colônia) por mL; - a amostragem deverá obedecer ao disposto na Tabela 1.8. Tabela 1.8 - Número Mínimo de Amostras e Freqüência Mínima de Amostragem para Verificação das Características Bacteriológicas da Água Tratada POPULAÇÃO TOTAL ABASTECIDA (hab) NÚMERO MÍNIMO DE AMOSTRAS (*) FREQUÊNCIA AMOSTRAS MENSAIS Até 5 000 semanal 5 5 001 a 20 000 semanal 1 para cada 1 000 hab 20 001 a 100 000 2 vezes/semana 1 para cada 1 000 hab > 100 000 diária 90 + 1 para cada 1 000 hab (*) as amostras devem ser representativas da rede de distribuição, independentemente de quantas unidades de produção a alimentam, distribuídas uniformemente ao longo do mês. Características Radiológicas As principais exigências com relação às características radioativas são: - o valor de referência para a radioatividade alfa total (incluindo o rádio 226) é de 0,1 Bq/L (um décimo de bequerel por litro); - o valor de referência para a radioatividade beta total é de 1 Bq/L; - se os valores encontrados na água forem superiores àqueles de referência, deverá ser feita a identificação dos radionuclídeos presentes e a medida das concentrações respectivas e verificados os valores estabelecidos pela Norma Experimental da Comissão Nacional de energia Nuclear - Diretrizes Básicas de Radioproteção (CNEN - NE 3.01); - a freqüência mínima de amostragem, para a verificação das características da qualidade radiológica da água nos sistemas de abastecimento público, Capítulo 2 - CONCEITUAÇÃO DA FILTRAÇÃO EM MÚLTIPLAS ETAPAS Considerações Iniciais A filtração é um processo imprescindível para a produção contínua e segura de água potável, e pode ser rápida ou lenta, dependendo da taxa de filtração. Usualmente, os filtros rápidos funcionam com taxas de filtração entre 150 e 600 m/d enquanto os filtros lentos operam com taxas geralmente inferiores a 6 m/d, embora na literatura existam indicações de taxas superiores. Para o uso eficiente da filtração rápida, é necessário o pré-tratamento da água bruta com coagulação química, podendo ou não haver a floculação e decantação ou flotação, dependendo da qualidade da água a ser tratada. Como na filtração lenta não é utilizada a coagulação química, a água a ser filtrada deve possuir características apropriadas, pois caso contrário o processo torna-se ineficaz. Por isso, na atualidade, a filtração lenta tem sido precedida por unidades de pré-tratamento, geralmente constituídas por pré-filtros de pedregulho. Além de trabalhos de pesquisa sobre a filtração lenta realizados na década de setenta e sobre a pré-filtração em pedregulho e filtração lenta, realizados partir de 1983 no Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, tais processos vêm sendo estudados por diversos organismos internacionais, destacando-se o CINARA-Instituto de Investigación y Desarrollo en Agua Potable, Saneamiento Básico y Conservación del Recurso Hídrico da UNIVALLE-Universidad del Valle (Cali-Colômbia), o Department of Civil Engineering - Imperial College of Science, Technology and Medicine (Londres-Reino Unido), o Department of Civil Engineering-University of Surrey (Guilford, Surrey-Reino Unido), o IRC-International Water and Sanitation Centre (Haia-Holanda), o IHE- International Institute for Infrastructural, Hydraulic and Environmental Engineering (Delft-Holanda), o EAWAG-Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (Dubendorf-Suiça), o Department of Civil Engineering-College of Engineering and Physical Sciences, University of New Hampshisre (Durham-Estados Unidos). No Brasil, a FINEP-Financiadora de Estudos e Projetos, por meio do programa PROSAB-Programa de Pesquisa em Saneamento Básico, financiou no período 1997- 1999 pesquisa sobre sistemas de tratamento de água não convencionais. Especificamente, foram estudadas a eficiência, limitações e aplicabilidade da FiME com a coordenação do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC-USP e a participação da Universidade de Brasília. Algumas instituições brasileiras vêm também pesquisando o tema, como a Universidade Federal de Minas Gerais e a UNICAMP. Necessidade de Pré-Tratamento A água bruta proveniente de corpos d’água superficiais geralmente contém material flutuante (pequenos galhos e folhas de árvores, grama), areia fina, silte, argila, e, algumas vezes, matéria orgânica natural e algas, conforme ilustrado na Figura 2.1. Organismos, tais como protozoários, bactérias e vírus também podem estar presentes e representar riscos à saúde pública, razão pela qual sua inativação deve ser prioridade em qualquer sistema de tratamento. Quando não se emprega a coagulação química, a filtração lenta e a cloração são os principais processos de tratamento capazes de assegurar a produção de água com qualidade que pode ser usada pelo ser humano. Figura 2.1 – Impurezas geralmente presentes em águas superficiais A eficiência da filtração lenta é substancialmente afetada pela turbidez da água a ser tratada, pois tal parâmetro de qualidade reflete a quantidade de partículas pequenas presentes na água, às quais muitos microrganismos encontram-se aderidos. Para que a filtração lenta produza água filtrada com turbidez relativamente baixa e que não diminua a eficiência da desinfecção final, e que apresente carreiras de duração razoável (geralmente superior a 1 mês), muitos pesquisadores limitam em 10 uT a turbidez da água afluente aos filtros lentos. É interessante observar que, na atualidade, a filtração lenta constitui a etapa final de tratamento em muitos países europeus. Em muitos casos, as instalações de filtração lenta foram construídas no final do século passado ou no início do século vinte e, devido ao aumento do conteúdo de matéria orgânica natural, agrotóxicos, algas e seus sub-produtos na água bruta, os quais praticamente não são removidos na filtração lenta, bem como à adoção de padrões de potabilidade mais rigorosos, a água, antes de ser encaminhada aos filtros lentos, é submetida a diferentes tecnologias de pré- tratamento. Destacam-se a pré-oxidação com uso de ozônio (com ou sem peróxido de hidrogênio), coagulação, floculação seguida de flotação ou decantação, filtração rápida e finalmente, adsorção em colunas de carvão ativado granular. Em instalações na Inglaterra e Holanda, o meio filtrante de alguns filtros lentos, antigamente constituído unicamente de areia fina, foi alterado, mediante a introdução de uma subcamada intermediária de carvão ativado granular, com o fim de aumentar a eficiência de remoção de matéria orgânica. Nos países tropicais há duas épocas do ano bem definidas, de estiagem e de chuva. Durante a estiagem, a qual pode representar a maior parcela do ano, a água proveniente de mananciais localizados em bacias hidrográficas sanitariamente protegidas, com freqüência possui qualidade compatível com a requerida para que a filtração lenta funcione satisfatoriamente com produção água filtrada eficientemente desinfetada por meio da cloração. No entanto, em épocas de chuva, a água geralmente apresenta-se com concentração de alguns tipos de microrganismos, valores de turbidez e teor de sólidos suspensos relativamente altos, para que a filtração lenta funcione adequadamente, tornando-se imperiosa a utilização de alguma forma de pré-tratamento. Também, no caso de lagos, que podem apresentar florescimentos de algas, há necessidade de pré-tratamento, pois os filtros lentos, poderiam apresentar carreiras de filtração muito curtas se recebessem água bruta com elevada concentração de algas. Filtração em Múltiplas Etapas – FiME Como ilustrado na Figura 2.2, na filtração em múltiplas etapas, a água passa por diferentes etapas de tratamento, em cada qual ocorrendo uma progressiva remoção de substâncias sólidas. O princípio básico é o de cada etapa condicionar seu efluente de forma adequada para ser submetido ao tratamento posterior, sem sobrecarregá-lo, ou seja, impedindo uma colmatação muito freqüente de seu meio granular e assegurando um efluente com características compatíveis com o processo de tratamento adotado. As etapas de tratamento da FiME são constituídas, em seqüência, pela pré-filtração dinâmica, pré-filtração grosseira e filtração lenta. Segundo levantamento de custos realizados na Colômbia, verificou-se que, em instalações contendo pré-filtro dinâmico, pré-filtro de escoamento vertical ou horizontal e filtro lento, o custo do primeiro representa aproximadamente 10 % do custo global de implantação, razão pela qual naquele país as estações de tratamento com filtração lenta são sempre precedidas da pré-filtração dinâmica. O efluente da pré-filtração dinâmica apresenta menor quantidade de impurezas de maior tamanho e passa, na segunda etapa, por outra unidade de pré-filtração contendo sub-camadas de pedregulho de tamanho decrescente, na qual o escoamento pode ser vertical ascendente ou descendente, ou horizontal. O efluente dessas unidades apresenta-se, em geral, com qualidade adequada para ser submetida à filtração lenta. Da comparação realizada entre a pré-filtração em pedregulho horizontal e a vertical para diferentes taxas de filtração, a segunda tem resultado superior, não somente em termos de eficiência de remoção de impurezas, como também na facilidade de operação e manutenção, especialmente com relação às limpezas periódicas que são realizadas. A respeito da pré-filtração em pedregulho vertical ascendente ou descendente, a primeira, realizada em unidades em série, tem resultado mais eficiente que a ascendente realizada em uma única unidade. Atualmente, pode-se considerar que, uma estação de tratamento constituída de pré-filtração dinâmica, pré-filtração ascendente e filtração lenta, é capaz de fornecer água com qualidade satisfatória a custos relativamente baixos. Na Figura 2.5 tem-se o esquema de uma unidade de pré-filtração ascendente, contendo três sub-camadas de pedregulho de diferentes tamanhos. No início da carreira a perda de carga no meio granular será baixa e aumentará com o tempo de funcionamento e, quando atingir um valor previamente fixado (em geral da ordem de 40 a 60 cm) a unidade deve ser retirada de operação para limpeza, a qual geralmente é feita algumas vezes por meio de enchimento dos filtros com água bruta e posterior execução de descarga de fundo. O sistema de drenagem deve ser compatível com a vazão de descarga desejada para que resulte limpeza eficiente durante a sua operação. O pré-filtro ascendente também pode ser operado com descargas de fundo intermediárias, pois tem sido comprovado que as mesmas propiciam aumento na duração da carreira. Em função das características do afluente, pode-se programar a execução de uma descarga de fundo intermediária a cada acréscimo de 10 cm na perda de carga no meio granular. Figura 2.5 - Esquema de um Pré-Filtro de Pedregulho com Escoamento Ascendente A filtração lenta, última etapa da FiME, evoluiu consideravelmente nos últimos dez anos, especialmente com relação ao meio filtrante e à forma de funcionamento. O uso de mantas sintéticas em conjunto com areia fina possibilita a adoção de taxas de filtração mais elevadas que as convencionalmente utilizadas. A comprovação de que filtros lentos com nível de água variável em seu interior apresenta resultados semelhantes aos de nível constante, facilitou sobremaneira sua operação, descartando-se o emprego de equipamentos para controle de nível. O emprego de carvão ativado granular em conjunto com areia fina favorece a remoção de matéria orgânica dissolvida, o que geralmente não acontecia na filtração lenta com meio filtrante exclusivamente de areia. Na Figura 2.6 é mostrado um esquema de um filtro lento com taxa de filtração constante e nível de água variável no seu interior. No início de funcionamento, quando o meio filtrante encontra-se limpo, a eficiência de remoção de impurezas é relativamente baixa, havendo a necessidade de um período de filtração para a formação de uma camada biológica no topo da areia, conhecida por “schmutzdecke”, para que seja produzida água com qualidade aceitável, caracterizando o período de amadurecimento do filtro lento. O nível de água no interior do filtro varia desde um valor mínimo, no início da filtração, até um valor máximo pré-fixado, quando o filtro deve ser retirado para que seja efetuada sua limpeza, por meio de raspagem de aproximadamente 1 a 3 cm do topo da areia. Após a retirada do material superficial, o filtro é recolocado em operação, até que a espessura da camada de areia atinja 60 cm, quando então a areia limpa armazenada deve ser reposta para recompor o meio filtrante original. Figura 2.6 - Esquema de um Filtro Lento de Areia Pelas características da areia utilizada na filtração lenta, geralmente muito fina quando comparada à empregada na filtração rápida, há retenção considerável de impurezas no topo da camada filtrante. No início da filtração, há predominância da ação física de coar, sendo as partículas removidas da água maiores que os vazios intergranulares, contribuindo para a formação de uma camada biológica no topo do meio filtrante – a superfície de coesão ou “schutzdecke”. A eficiência da filtração lenta depende dessa camada biológica, a qual normalmente demora desde alguns dias até semanas para se formar, dependendo das características afluente e do meio filtrante, e dos parâmetros de operação. Somente após esse período de tempo decorrido do início de funcionamento até a formação do “schmutzdecke”, conhecido como período de amadurecimento, é que há produção de efluente com qualidade satisfatória. A atividade biológica é considerada a ação mais importante que ocorre na filtração lenta, sendo mais pronunciada no topo do meio filtrante, porém, se estendendo até cerca de 40 cm de profundidade. Essa camada biológica é constituída, fundamentalmente, por partículas inertes, matéria orgânica, e uma grande variedade Clorofila-a (μg/L) - Carreira 2 - 24/11/97 0 5 10 15 20 25 30 35 AB PFD PFA1 PFA2 FL1 FL2 Figura 2.10 - Teor de clorofila-a nas diversas etapas da FiME (taxa de aplicação no pré-filtro dinâmico = 36 m/d; taxa de aplicação nos pré-filtros ascendentes = 18 m/d; taxa de filtração nos filtros lentos = 3 m/d) Bibliografia Ahsan, T. Process Analysis and Optimization of Direct Horizontal-Flow Roughing Filters PhD Thesis A. A. Balkema / Rotterdan 1995, The Netherlands. Brandão, C. C. S, Wiecheteck, G. K., Mello, O M., Di Bernardo, L., Galvis, G., Veras, L. R. V. O Uso da Filtração em Múltiplas Etapas no Tratamento de Águas com Elevado Teor de Algas XXVI Congreso Interamericano de Ingenieria Sanitaria y Ambiental 1998, Lima, Peru. Cinara-Instituto de Investigación y Desarrollo en Agua Potable, Saneamiento Básico y Conservación del Recurso Hidrico Manual de Operación y Mantenimiento de Plantas de Tratamiento por Filtración en Multiples Etapas CINARA 1996, Santiago de Cali, Colômbia. Di Bernardo, L. Water Supply Problems and Treatment Technologies in Developing Countries in South America JWater SRT Aqua Vol. 40, n. 3, Jun. 1990, England. Di Bernardo, L. Filtração Lenta In: Métodos e Técnicas de Tratamento de Água Cap. 14, p: 281-399 1a Ed. Rio de Janeiro: Ed. Luiz Di Bernardo e Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1993, Rio de Janeiro, Brasil Di Bernardo, L. Algas e suas Influências na Qualidade das Águas e nas Tecnologias de Tratamento Ed. Luiz Di Bernardo e Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, 1995, Rio de Janeiro, Brasil. Galvis, G., Visscher, J. T., Fernandes, J., Berón, F. Pre-Treatment Alternatives for Drinking Water Supply - Selection, Design, Operation and Maintenance IRC International Water and Sanitation Centre 1993, The Hague, The Netherlands. Galvis C., G. Latorre, J., Visscher, J. T. Filtración en Múltiples Etapas – Tecnologia Alternativa para el Tratamiento de Agua , Série Documentos Técnicos, 1998 IRC International Water and Sanitation Centre e CINARA Vargas F, V Modelo de Decision para la Seleción de un Sistema de Tratamiento de Agua con Tecnologia por Filtración en Multiples Etapas Santiago de Cali, Colômbia, UNIVALLE, 1996 Wegelin, M. Surface Water Treatment by Roughing Filters - A Design, Construction and Operation Manual Duebendorf, Swiss, SANDEC-EAWAG , 1996. Capítulo 3 – APLICABILIDADE, LIMITAÇÕES, EFICIÊNCIA E CUSTOS A Filtração Lenta A filtração lenta tem sido usada no tratamento de água para abastecimento público desde o começo do século XIX e tem se mostrado um sistema eficaz de tratamento, desde que projetado de forma apropriada e aplicado nas situações corretas. É um processo de tratamento que não requer a adoção de coagulante, trabalha com taxas de filtração baixas e utiliza meio filtrante de granulometria fina. O uso de baixas taxas de filtração levam a um maior tempo de detenção da água sobre o meio filtrante e no seu interior, o que favorece uma intensa atividade biológica no filtro lento e garante a produção de água com qualidade apropriada para uma desinfecção efetiva. Uma das principais vantagens atribuídas ao filtro lento é a elevada eficiência de remoção de bactérias, vírus e cistos de Giardia. A Tabela 3.1 mostra alguns valores de remoção reportados por vários autores. Tabela 3.1 - Remoção de microrganismos em filtros lentos segundo vários pesquisadores Microrganismo Percentagem de remoção (*) Autor Coliformes Totais >99% Bellamy et al. (1985a) Vírus (Poliovirus 1) 98,25 - 99,99 Poynter e Slade (1977)(**) Cistos de Giardia > 98% Bellamy et al. (1985a) Oocistos de Cryptosporidium >99,9% Timms et al. (1995) Cercárias de Schistosoma 100% Galvis et al. (1997) (*) valores obtidos em estudos realizados em escala piloto ( **) apud Wheeler et al. (1988) A remoção de bactérias patogênicas e vírus no filtro lento é atribuída a vários fatores, destacando-se: o decaimento natural, devido o filtro lento ser um ambiente relativamente hostil para esses microrganismos; a predação; o efeito biocida da radiação solar; e, a adsorção no biofilme aderido ao meio filtrante (Hespanhol, 1987; Haarhoff e Cleasby, 1991). A adsorção parece ser um dos principais mecanismos de redução do número desses organismos, particularmente dos vírus (Wheeler et al., 1988). A presença, em quantidades significativas, de sólidos em suspensão e turbidez (argila, silte) na água afluente aos filtros lentos, pode levar a problemas operacionais e de qualidade da água filtrada. O material em suspensão, quando em excesso, pode criar condições ambientais adversas para a biomassa que coloniza o meio filtrante, particularmente para os grupos de protozoários que predam bactérias, comprometendo a qualidade microbiológica da água produzida (Lloyd, 1996). Além disso, observa-se a rápida obstrução dos vazios intergranulares das camadas superiores do meio filtrante e a redução da duração da carreira de filtração. O filtro lento também é muito sensível aos picos de turbidez e de sólidos suspensos. A ocorrência de valores muito superiores aos recomendados na Tabela 3.2, por mais de 1 ou 2 dias, acarreta carreiras de filtração de curta duração e necessidade de limpezas mais freqüentes. As algas, juntamente com bactérias, protozoários e outras formas de vida, colonizam os filtros lentos, e têm um papel importante na atividade biológica que ocorre nesses filtros. Entretanto, segundo Di Bernardo et al. (1990), elevadas concentrações de algas exercem influência negativa no processo da filtração lenta, pois, como são continuamente removidas da água afluente, causam a obstrução rápida do meio filtrante e contribuem para a formação de uma “schmutzdecke” mais impermeável, resultando no rápido crescimento da perda de carga e conseqüente diminuição da carreira de filtração. Os autores observaram, também, que a eficiência de remoção de algas no filtro lento depende das características das algas (espécie, tamanho e mobilidade) e da concentração das mesmas na água bruta. A presença de algas na água bruta ou filtrada pode provocar problemas de sabor e odor. As algas, e seus subprodutos dissolvidos, também são considerados potenciais precursores de triahalometanos, e, além disso, algumas espécies de algas cianofíceas (atualmente mais conhecidas como cianobactérias) exibem propriedades tóxicas. Dessas espécies, algumas liberam toxinas na água durante todo o ciclo de vida, enquanto outras só o fazem quando suas células começam a morrer. As toxinas de cianobactérias diferem no modo de ação e no potencial tóxico, e seus efeitos sobre a saúde podem variar de desordens gastro-intestinais, irritação da pele, disfunção neuro-muscular ou hepática, mau funcionamento dos rins, e até mesmo morte. Yoo et al. (1995), ao mesmo tempo que consideram pouco provável a ocorrência de danos agudos letais via ingestão de água contaminada por toxinas de cianobactérias, alertam para o fato de que danos crônicos associados à exposição a algumas hepatotoxinas já foram identificados, o que sugere a necessidade de intensificar-se o desenvolvimento de estudos sobre a eficiência dos processos de tratamento de água no que tange à remoção destes compostos. Keijola et al. (1988), em estudos em escala de laboratório e piloto, verificaram que a filtração lenta foi significativamente mais eficiente na remoção de toxinas do que o tratamento convencional, mas a adsorção em carvão ativado foi o processo que apresentou melhor resultado. Vários autores apontam o fato de que a filtração lenta necessita de grandes áreas para sua instalação, o que, praticamente, inviabiliza a sua adoção quando se trata do abastecimento de água de grandes centros urbanos, que demandam grandes vazões. Entretanto, é importante observar que a filtração lenta, mesmo quando considera-se a adoção de uma taxa de filtração de 3 m/dia, requer uma área de 0,05 a 0,10 m2 de filtro por habitante, para, respectivamente, um consumo per capta de 150 a 300 litros por dia. Esta área é inferior à sugerida por Arceivala (1986) para o tratamento de esgotos domésticos através do processo convencional de lodos ativados (0,16 a 0,20 m2/pessoa, em regiões de clima quente), de lagoas facultativas (1 a 2,8 m2/pessoa em regiões de clima quente) e outros processos aeróbios de tratamento. É importante lembrar que o excesso de material em suspensão, seja de origem mineral ou devido às algas, na água afluente ao filtro lento tem como efeito a diminuição da duração da carreira de filtração e o aumento da freqüência da limpeza da superfície do meio filtrante. O que, por sua vez, tem como conseqüência o aumento do custo de operação e manutenção e, também, a diminuição da qualidade da água filtrada, por não se desenvolver adequadamente a “schmutzdecke” e a película biológica no meio granular. Assim, para garantir a eficácia da filtração lenta, ou de qualquer outra tecnologia de tratamento, é fundamental que as características da água sejam compatíveis com a tecnologia selecionada. Para ampliar a utilização da filtração lenta para águas de qualidade inferior à recomendada na Tabela 3.2, faz-se necessária a adoção de sistemas de pré- tratamentos que permitam condicionar a qualidade da água bruta às limitações das unidades de filtração lenta. Segundo Visscher et al. (1996), tais alternativas devem apresentar níveis de complexidade técnica, e custos de operação e manutenção, similares aos da própria tecnologia de filtração lenta. Existem vários métodos de pré-tratamento aplicáveis ao sistema de filtração lenta, conforme visto no Capítulo 2. A adoção de um determinado tipo de pré-tratamento depende de vários fatores, como por exemplo, a qualidade da água bruta, a topografia no local da captação, a distância da captação ao local da estação de tratamento, a vazão a ser captada, o nível de instrução técnica dos operadores e dos responsáveis pela manutenção, a disponibilidade de material granular na região, a facilidade de limpeza, entre outros. O Pré-Tratamento na Filtração em Múltiplas Etapas (FiME) A seqüência de tratamento que envolve a utilização de pré-filtro dinâmico, pré-filtro de pedregulho com escoamento horizontal ou vertical (ascendente ou descendente), e a filtração lenta como barreira microbiológica, tem sido denominada de Filtração em Múltiplas Etapas (FiME). A Figura 3.1 mostra um esquema geral de uma instalação de FiME. Figura 3.1 - Esquema geral da instalação FiME (Galvis et al., 1998). O conceito de filtração em múltiplas etapas originou-se-se da busca de opções de acondicionamento ou pré-tratamento para fontes superficiais de água, cuja qualidade pode interferir nos mecanismos de purificação ou superar a capacidade de remoção da filtração lenta, produzindo água filtrada de qualidade deficiente, se esta fosse a única etapa de tratamento antes da desinfecção (Visscher et al., 1996). Tabela 3.3 - Performance da pré-filtração dinâmica em escala real (Galvis et al.,1997) Água Bruta Pré-filtro dinâmico (efluente) Nome da ETA Parâmetros avaliados Faixa Media ± σ Media ± σ remoção* El Retiro Turbidez (uT) S. Suspensos (mg/L) Coli. Fecais(UFC/100mL) Cor Verdadeira (uC) 3,2 -120 0,2 - 316 140 – 162000 2 – 188 15,0 ± 18,0 20,6 ± 42,0 7416 ± 21921 24,0 ± 20,0 7,6 ± 7,8 4,6 ± 6,2 3150±15567 20,0 ± 17,0 - 77,7 % 57,5 % - Colombo Turbidez (uT) S. Suspensos (mg/L) Coli. Fecais(UFC/100mL) Cor Verdadeira (uC) 2,8 - 122 0,1 - 392 800 - 470000 3 - 122 15,0 ± 17,0 23,0 ± 48,1 44556 ± 56976 24,0 ± 17,0 6,5 ± 7,6 3,2 ± 5,1 8051±9590 19,0 ± 14,0 - 86,1 % 81,9 % - * percentagem baseada em valores médios σ - desvio padrão A taxa de aplicação, a constituição e a espessura total do meio granular e a velocidade de escoamento sobre o topo do meio granular são adotados em função do objetivo principal do pré-filtro dinâmico, qual seja, a amortização de “picos” de turbidez ou a remoção de impurezas. No capítulo 4 são apresentados os parâmetros de projeto sugeridos para esta unidade de pré-tratamento. Pré-filtro de Pedregulho com Escoamento Vertical Nessa modalidade de pré-filtração duas variantes se apresentam, a descendente e a ascendente. No pré-filtro de pedregulho com escoamento ascendente podem ser encontradas duas configurações, a em camadas e a em unidades em série, ao passo que no pré-filtro descendente apenas a configuração em unidades em série é utilizada. No caso da pré-filtração em camadas, o processo ocorre em uma única unidade onde o material filtrante é composto de subcamadas de pedregulho decrescente no sentido do escoamento. Quando se tem a pré-filtração em série, cada camada filtrante é disposta em compartimento separado, de tal modo que a água filtrada no primeiro compartimento, de maior granulometria, é encaminhada para uma segunda câmara, e desta para uma terceira, onde as granulometrias são gradativamente menores (ver Figuras 2.3 e 2.5 do Capítulo 2). A utilização de pré-filtros de pedregulho com escoamento descendente, foi investigada por Peres, (1985 apud Bresaola, 1990) usando unidades em série e em paralelo. A disposição dos filtros em paralelo permitiu o estudo do comportamento de diferentes meios granulares perante a mesma qualidade da água bruta. Em cada unidade, variou-se a espessura do meio granular (entre 0,50 e 2,0 m) e a taxa de filtração (de 2,4 a 19,6 m/dia), concluindo-se que a eficiência do processo dependia, essencialmente, da qualidade da água bruta. Investigando a disposição dos filtros em série e utilizando taxas de filtração decrescentes, o autor obteve remoções de turbidez variando de 50 a 86%. Verificou-se ainda que a eficiência de remoção de turbidez resultou maior com o aumento da turbidez da água bruta e com o tempo de funcionamento da unidade. Uma comparação entre o comportamento da pré-filtração em pedregulho com escoamento descendente com o da pré-filtração em pedregulho com escoamento ascendente é reportada por Di Bernardo e Collazos (1990). Com base nos resultados experimentais obtidos com diferentes taxas de filtração na faixa de 12 a 36 m/dia, os autores concluíram que: a remoção de impurezas, tanto físico-químicas como bacteriológicas, é similar nos dois tipos de pré-filtro e parece não ter sido influenciada pela taxa de filtração; a ocorrência de picos de turbidez no afluente resulta no surgimento de picos no efluente, mostrando que tais unidades possuem baixa capacidade de atenuação de variações bruscas na qualidade do afluente; a taxa de crescimento da perda de carga no pré-filtro de escoamento descendente foi, geralmente, superior à da unidade com escoamento ascendente; a duração da carreira do pré-filtro de escoamento descendente foi influenciada pela qualidade do afluente, o que não ocorreu no pré-filtro de escoamento ascendente. Além disso, uma simples descarga de fundo no pré-filtro de escoamento ascendente mostrou-se suficiente para recolocá-lo em operação, enquanto no de escoamento descendente era necessária a introdução de água no sentido ascensional para a lavagem do meio granular. Várias publicações, que apresentam resultados obtidos em estudos-piloto ou em unidades em funcionamento regular (escala real), demonstram a aplicabilidade da pré- filtração ascendente como pré-tratamento para águas com elevados teores de turbidez e de coliformes. Resultados obtidos em uma instalação demonstrativa, em escala real, operando em Puerto Mallarino (Colômbia) indicam que um pré-filtro de escoamento ascendente em camadas, operando com taxas de filtração de 7 a 18 m/dia, pode alcançar remoções de turbidez da ordem de 70%, coliformes totais na faixa de 70 a 98 % e cor verdadeira entre 10 e 45 % (Visscher et al. 1996). No Brasil, não se têm notícias de utilização de unidades de pré-filtração ascendente, ou qualquer outra pré-filtração em pedregulho. Entretanto, essa alternativa de pré- tratamento tem sido estudada na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP) desde 1984. Di Bernardo (1991) cita algumas conclusões obtidas a partir de estudos desenvolvidos utilizando a pré-filtração ascendente e filtração lenta precedida da pré- filtração ascendente: • quando a qualidade do afluente permanece praticamente constante, a eficiência de remoção de turbidez, cor aparente, ferro total, sólidos totais e coliformes totais aumenta com o tempo de funcionamento; • variações repentinas da qualidade da água bruta causam variações simultâneas da qualidade efluente do pré-filtro ascendente, configurando uma pequena capacidade dessas unidades em absorver tais “picos”; • com taxas de até 36 m/dia no pré-filtro e de até 6 m/dia no filtro lento, o sistema tem capacidade para produzir um efluente final com turbidez consistentemente menor que 5 uT, independente da turbidez afluente, desde que o valor seja inferior a 100 uT; • a comunidade biótica presente no pré-filtro e no filtro lento é bastante variada, sendo mais diversificada neste último, incluindo cerca de 50 gêneros de algas, diversos protozoários, nematodos, oligoquetos, rotíferos e copépodos; • tanto a remoção de algas, quanto a de partículas totais, foi maior no pré-filtro do que no filtro lento. As Tabelas 3.5 a 3.8 apresentam dados comparativos de três alternativas de pré- filtração em pedregulho: pré-filtro com escoamento horizontal; pré-filtros com escoamento horizontal em série; e, pré-filtro com escoamento ascendente em série (Galvis et al.,1996). A comparação incluiu a eficiência de tratamento, o desempenho hidráulico e exigências de operação e manutenção. Tabela 3.5 - Eficiências de remoções para os diferentes pré-filtros de pedregulho (Galvis et al., 1996 ). Eficiência de remoção (%) Parâmetro PFA em série PFH em série PFH Coliformes Fecais 99,4 95,6 95,4 Turbidez 80 66 68,4 Sólidos suspensos 97 94 93 Sendo que: PFA em série = pré-filtro com escoamento ascendente constituído por três unidades em série PFH em série = pré-filtro com escoamento horizontal constituído por três unidades em série; PFH = pré-filtro com escoamento horizontal. meio granular do pré-filtro ascendente em camada ser mais sujeito a problemas durante as etapas de construção, operação e manutenção, pois existe o risco das camadas do leito se misturarem, trazendo implicações negativas para o processo. Assim, em áreas mais retiradas, Vargas et al. (1996) sugerem que é mais recomendável o uso do pré-filtro ascendente em série. Diante dos resultados obtidos nos estudos comparativos realizados por Di Bernardo e Collazos (1990) e Galvis et al. (1992 e 1996), nos quais foram comparadas diversas alternativas de pré-filtração em pedregulho, pode-se verificar que a pré-filtração com escoamento ascendente constitui-se na opção de pré-filtro de pedregulho mais atraente, apresentando os melhores desempenhos e menores custos em termos de operação e manutenção com relação tanto a pré-filtração horizontal quanto à pré-filtração descendente. Recentemente, como parte do PROSAB, foi realizado por Veras (1999), na EESC- USP, um estudo detalhado do uso da FiME no tratamento de águas sujeitas a variações bruscas de sólidos suspensos e turbidez. Utilizou-se uma instalação piloto composta por dois pré-filtros dinâmicos em série, três linhas de pré-filtros de pedregulho com escoamento ascendente e quatro filtros lentos, tratando água proveniente de manancial de superfície (um dos rios utilizados como fonte de abastecimento da cidade de São Carlos). As características da instalação piloto permitiram avaliar tanto a eficiência global do sistema proposto, como também, pesquisar a eficiência de dois pré-filtros operando em série, comparar a eficiência de diferentes arranjos para o pré-filtro com escoamento ascendente, e, avaliar o desempenho da filtração lenta com diferentes meios filtrantes. As condições operacionais adotadas ao longo do trabalho experimental são apresentadas na Tabela 3.9. Tabela 3.9 –Taxas de Filtração nas Unidades da Instalação Piloto (Veras, 1999) Carreira PFD1 PFD2 PFVA FL 1-A 48 36 12 4 1-B 48 36 12 4 2-A 36 24 8 3 2-B 36 24 8 3 3-A 60 48 16 3 3-B 60 48 16 3 4-A 48 36 12 6 4-B 48 36 12 6 As especificações dos meios granulares utilizados nos pré-filtros dinâmicos e pré- filtros ascendentes são apresentadas, respectivamente, nas Tabelas 3.10 e 3.11. A areia utilizada nos filtros lentos possui tamanho efetivo de 0,20 a 0,25 mm, coeficiente de desuniformidade entre 2 a 3 e tamanho dos grãos entre 0,08 a 1,0 mm. Como pode ser visto na Tabela 3.12, em três dos quatro filtros lentos, a areia foi utilizada de forma conjugada com mantas sintéticas e/ou carvão ativado. As especificações técnicas referentes às mantas estão apresentadas na Tabela 3.13. O carvão ativado granular usado é de origem mineral, possui tamanho dos grãos entre 0,30 e 0,84 mm e número de iodo entre 400 e 500. Tabela 3.10 - Meios Granulares dos Pré-filtros Dinâmicos (Veras, 1999) Unidade Granulometria (mm) Espessura das camadas (m) PFD 1 15,9 - 25,4 0,4 12,7 - 19,0 0,25 6,4 - 12,7 0,25 PFD 2 19,0 - 25,4 0,4 9,6 – 15,9 0,25 4,8 – 9,6 0,25 Tabela 3.11 - Meios Granulares dos Pré-filtros Verticais Ascendentes (Veras, 1999) Unidades Tamanho (mm) Espessura das camadas (m) PFVA 1 31,4 – 50 0,2 19,0 - 25,4 0,4 PFVA 2 31,4 – 50 0,2 9,6 - 15,9 0,4 PFVA 3 19,0 - 31,4 0,2 3,2 - 6,4 0,4 PFVA 4 9,6 - 15,9 0,2 1,41 - 3,2 0,4 PFVA 12 50 - 75 0,25 19,0 - 25,4 0,4 9,6 - 15,9 0,4 PFVA 34 31,4 - 50 0,25 3,2 - 6,4 0,4 1,41 - 3,2 0,4 PFVA 1234 31,4 - 50 0,5 19,0 - 25,4 0,4 9,6 - 15,9 0,4 3,2 - 6,4 0,4 1,41 - 3,2 0,4 Tabela 3.12 - Características dos Meios Filtrantes dos Filtros Lentos Unidades Granulometria Espessura das camadas (mm) (m) FL 1 31,4 - 50,0 0,30 15,9 - 25,4 0,15 7,9 - 12,7 0,10 6,4 - 3,2 0,10 1,41 - 2,4 0,10 0,08 - 1,0 0,70 FL 2 31,4 - 50,0 0,30 (uso de 1 manta M1 e 15,9 - 25,4 0,15 1 manta M2 acima 7,9 - 12,7 0,10 da camada de areia) 6,4 - 3,2 0,10 1,41 - 2,4 0,10 0,08 - 1,0 0,40 FL 3 31,4 - 50,0 0,30 (uso de 30cm de 15,9 - 25,4 0,15 CAG no meio da 7,9 - 12,7 0,10 camada de areia) 6,4 - 3,2 0,10 1,41 - 2,4 0,10 0,08 - 1,0 0,55 FL 4 31,4 - 50,0 0,30 (uso de 30cm de 15,9 - 25,4 0,15 CAG no meio da 7,9 - 12,7 0,1 camada de areia e 1 manta M1 e 1 manta M2) 6,4 - 3,2 1,41 - 2,4 0,1 0,2 0,08 - 1,0 0,40 Tabela 3.13 - Características Principais das Mantas Parâmetro Manta 1 Manta 2 Diâmetro médio das fibras (μm) 45,09 29,6 Massa específica média (g/cm3) 0,115 0,171 Porosidade (%) 88,3 84,7 Superfície específica (m2/m3) 10 388 20 662 Permeabilidade (mm/s) 7,16 1,31 Espessura (mm) 5 3 Tabela 3.17 - Dados Principais da Qualidade do Efluente da Linha 1 de Pré-filtros ascendentes Carreira Turbidez (uT) Cor Apar. (uC) Coliformes totais (NMP/100mL) Coliformes fecais (NMP/100mL) SST (mg/L) 1 A 4,1 – 8,23 51 - 89 395 - 2420 10,7 - 78 1 – 2,4 1 B 7,02 – 70,7 102 - 750 922 - 1573 381 - 500 1,67 - 15 2 A 4,89 – 164 58 – 1020 288 - 4352 31 - 265 1,8 – 2,8 2 B 5,6 – 15,4 79 - 175 341 - 2420 20 - 185 0,6 – 3,8 3 A 4,5 - 13,9 47 - 117 223 - 591 31 - 74 0,6 – 3,2 3 B 4,5 – 7,5 51 - 78 160 - 428 10 - 63 1,2 – 3,8 4 A 4,5 – 6,5 51 - 75 435 - 1553 29 - 345 1,3 – 1,8 4 B 4,95 – 7,6 52 - 84 59,8 - 435 7,2 - 63 1,8 - 2 Tabela 3.18 - Dados Principais da Qualidade do Efluente da Linha 2 de Pré-filtros Ascendentes Carreira Turbidez (uT) Cor Apar. (uC) Coliformes totais (NMP/100mL) Coliformes fecais (NMP/100mL) SST (mg/L) 1 A 4,51 – 8,98 51 - 108 408,3 - 2420 20,1 – 88,6 1 – 2,3 1 B 7 – 71,6 101 - 790 1047 - 1521 466 - 536 3,33 - 16 2 A 5,62 – 191 58 - 1056 472 - 6131 31 - 203 1 – 3,8 2 B 7,98 – 15,3 102 – 173 313 - 1300 10 – 43,5 0,4 – 4,2 3 A 4,4 – 12,9 50 - 131 173 - 404 31 - 63 0,4 – 3,2 3 B 4,6 – 6,9 54 - 80 173 - 512 10 - 85 1,2 - 4 4 A 4,4 – 6,5 50 - 74 400 - 1203 21,8 - 720 1,4 – 1,6 4 B 5,02 – 8,3 51 - 79 40 - 537 6 - 84 1,6 - 2 Tabela 3.19 - Dados Principais da Qualidade do Efluente da Linha 3 de Pré-filtros Ascendentes Carreira Turbidez (uT) Cor Apar. (uC) Coliformes totais (NMP/100mL) Coliformes fecais (NMP/100mL) SST (mg/L) 1 A 4,67 – 8,41 57 - 104 381 - 2420 21,3 – 61,3 1 – 2,3 1 B 6,9 – 79,6 95 - 650 954 - 1586 463 - 524 4 - 15 2 A 5,5 – 59,1 60 - 1084 443 - 4611 31 - 148 1,2 – 2,8 2 B 8,3 – 15,5 100 - 175 648,8 – 1986,3 10 - 86 1,4 – 4,6 3 A 4,37 – 50 - 135 182 - 345 31 - 63 1 – 3,6 3 B 4,6 – 7,4 53 – 74 259 - 530 10 - 51 1,2 - 4 4 A 4,4 – 6,5 50 – 81 437 - 1011 25 - 649 1,2 – 1,5 4 B 5,04 – 7,94 51 - 80 29,2 - 535 5,1 - 83 1,3 – 1,6 Tabela 3.20 - Dados Principais da Qualidade do Efluente do Filtro Lento FL1 Carreira Turbidez (uT) Cor Apar. (uC) Coliformes totais (NMP/100mL) Coliformes fecais (NMP/100mL) SST (mg/L) 1 A 3,46 – 11,7 38 - 103 34,3 - 93 3 - 23 08 - 2 1 B 3,82 – 15,9 53 - 132 0,68 - 94 7 - 11 2,3 - 4 2 A 1,6 – 4,58 5 - 55 0 - 62 0 - 1 0,2 – 3,2 2 B 4,12 – 13,8 57 - 154 15,8 – 117,8 3 – 8,5 0,2 – 2,8 3 A 1,17 – 7,8 12 - 80 0 - 189 0 - 20 0,2 - 2 3 B 1,3 – 7,9 18 - 41 10 - 109 0 - 20 0,2 – 1,8 4 A 1,8 – 5,1 17 - 66 23,5 - 770 3,1 - 115 0,2 – 0,5 4 B 1,6 – 3,6 15 - 48 2 – 58,8 1 – 17,5 0,2 – 0,6 Tabela 3.21 - Dados Principais da Qualidade do Efluente do Filtro Lento FL2 Carreira Turbidez (uT) Cor Apar. (uC) Coliformes totais (NMP/100mL) Coliformes fecais (NMP/100mL) SST (mg/L) 1 A 3,28 – 9,05 33 - 105 115 - 343 4 – 22,6 0,7 – 1,6 1 B 3,71 – 16,5 55 - 123 54 - 68 2 - 3 2,8 – 3,3 2 A 2,03 – 7,01 14 - 134 3 - 148 0 - 31 0,6 – 2,2 2 B 4,52 – 12,1 65 - 150 45,5 – 177,9 3,1 – 12,2 0,6 – 2,4 3 A 1,15 – 7,8 14 - 82 10 - 120 0 - 10 0,4 – 1,8 3 B 1,5 – 7,9 22 – 41 10 - 161 0 - 30 0,4 – 1,6 4 A 1,6 – 3,5 25 – 66 36 - 461 1 - 100 0,2 – 0,6 4 B 1,8 - 6 15 - 48 2 – 47,2 2 – 1,5 0,4 – 0,6 Tabela 3.22 - Dados Principais da Qualidade do Efluente do Filtro Lento FL3 Carreira Turbidez (uT) Cor Apar. (uC) Coliformes totais (NMP/100mL) Coliformes fecais (NMP/100mL) SST (mg/L) 1 A 2,71 – 9,13 34 - 94 42 - 127 2 – 26,6 0,4 – 1,2 1 B 4,23 – 16,5 53 - 122 41 - 50 3 - 4 1,67 - 3 2 A 1,32 – 6,96 12 - 70 0 - 41 0 - 2 0,4 – 2,2 2 B 1,67 - 9,61 92 - 22 5,2 – 57,3 0 0,6 – 2,2 3 A 1,01 – 5,4 9 - 59 0 - 20 0 0,2 – 0,8 3 B 1 – 2,7 12 - 29 10 - 30 0 0,2 – 1,2 4 A 0,85 - 2,5 6 - 33 7,4 - 312 0 – 91,6 0,2 – 0,4 4 B 0,9 – 2,9 6 - 33 0 – 23,1 0 - 2 0,2 – 0,6 Tabela 3.23 - Dados Principais da Qualidade do Efluente do Filtro Lento FL4 Carreira Turbidez (uT) Cor Apar. (uC) Coliformes totais (NMP/100mL) Coliformes fecais (NMP/100mL) SST (mg/L) 1 A 2,62 – 9,45 27 - 90 29,5 - 100 0,99 - 16 0,4 – 1,6 1 B 3,79 – 16,1 54 - 119 30,5 - 41 3 2 – 2,6 2 A 1,4 – 6,89 11 – 114 2 - 52 0 - 10 0,2 – 2,8 2 B 2,2 – 8,82 28 - 99 4,1 – 36,4 0 0,2 - 2 3 A 0,94 – 6,13 9 - 59 0 - 74 0 0,2 – 0,8 3 B 1,1 – 3,84 32 - 11 12 - 63 0 - 2 0,2 - 1 4 A 1,3 – 3,3 17 - 38 4,1 - 302 0 – 87,8 0,2 – 0,4 4 B 1,01 - 2,9 8 - 36 0 – 30,1 0 - 2 0,2 – 0,4 Em função do trabalho realizado por Veras (1999), concluiu-se, principalmente, que : • é possível reduzir a turbidez da água bruta de valores da ordem de 250 a 300 uT para valores inferiores a 5 uT, o teor de SST de até 96 mg/L para valores inferiores a 5 mg/L, a cor aparente de até 2 660 uC para valores inferiores a 100 uC e o NMP/100 mL de coliformes fecais de até 10 000 para valores inferiores a 100, com a pré-filtração dinâmica operando com taxa 24 a 48 m/d, a pré-filtração ascendente em pedregulho com taxa de 8 a 16 m/d e os filtros lentos com taxa de 3 a 4 m/d. • Adicionalmente, observou-se que a eficiência das três linhas de pré-filtros de pedregulho com escoamento ascendente apresentaram desempenho praticamente igual, em termos de remoção de turbidez, sólidos suspensos totais, cor aparente, coliformes fecais e totais para taxas de aplicação entre 8 e 16 m/d. Limitações da Filtração em Múltiplas Etapas Apesar das reconhecidas vantagens da tecnologia FiME em termos de eficiência de tratamento; simplicidade de projeto, operação, manutenção e administração; custos de investimento inicial moderados e baixos custos de manutenção; essa tecnologia apresenta limitações que podem afetar a confiabilidade que sobre ela existe. De acordo com Visscher et al. (1996), essas limitações podem ser agrupadas nas seguintes categorias: Qualidade da água bruta que supera a capacidade de remoção do processo Os parâmetros básicos não podem ter um nível que superem a capacidade do sistema. Para turbidez, pode-se aceitar valores médios até 80 uT, com “picos” de O arranjo experimental da instalação usada, composta de um pré-filtro dinâmico de pedregulho (PFD) que alimentava duas linhas paralelas de pré-filtros de pedregulho de escoamento ascendente de camadas sobrepostas (PFA-1 e PFA-2) e filtros lento de areia (FL-1 e FL-2), permitiu avaliar tanto o potencial dessa tecnologia de tratamento quando voltada para a remoção de algas, como também a influência da composição granulométrica e da taxa de filtração na performance da unidade de pré-filtração ascendente. As características do material granular do pré-filtro dinâmico utilizado se assemelham às do PFD1 usado por Veras (1999) (Tabela 3.10), como também são similares as características da areia usada nos filtros lentos. A Tabela 3.24 apresenta as composição do meio granular usada nos pré-filtros de escoamento ascendente. Tabela 3.24 - Composição granulométrica dos pré-filtros ascendentes. PFA com 4 camadas PFA com 5 camadas Camada Espessura Granulometria Espessura Granulometria Topo 0,4 3,2 a 6,4 0,3 1,4 a 3,2 Intermediária superior 0,4 7,9 a 12,7 0,3 3,2 a 6,4 Intermediária 0,3 9,6 a 15,9 Intermediária inferior 0,4 15,9 a 25,4 0,3 19,0 a 25,4 Fundo 0,3 31,4 a 50,0 0,3 31,4 a 50,0 As Tabelas 3.25 e 3.26 apresentam, respectivamente, algumas das condições estudadas e seus resultados médios. Tabela 3. 25 - Resumo de algumas condições operacionais testadas 2a Carreira 3a Carreira 4a Carreira 5a Carreira 6a Carreira Unidade TF NC TF NC TF NC TF NC TF NC PFD 36 3 36 3 36 3 36 3 36 3 PFA-1 12 4 18 4 18 5 12 5(*) “by-pass” (**) PFA-2 12 5 18 5 12 5 12 5 12 5 FLs 1 e 2 3 1 3 1 3 1 3 1 3 1 Carreira# 57 dias 55 dias 65 dias 67 dias 65 dias # Considera o funcionamento contínuo do sistema de pré-tratamento, sendo interrompida por questões de planejamento experimental e não por se atingir a perda de carga limite dos pré-filtros. (*) unidade sendo operada com descarga de fundo intermediária (**) PFA-1 fora de operação com FL1 sendo diretamente alimentado com água efluente do PFD Legenda: TF – Taxa de filtração (m/dia) NC – Número de sub-camadas filtrantes Tabela 3.26 - Eficiência de remoção média das unidades de pré-filtração. Unidade de pré-filtração PFD PFA-1 PFA-2 Remoção de Turbidez (%) 49 51 65 2a Carreira Remoção de Clorofila-a (%) 41 41 64 Remoção de Turbidez (%) 61 39 50 3a Carreira Remoção de. Clorofila-a (%) 52 15 31 Remoção de Turbidez (%) 48 36 49 4a Carreira Remoção de Clorofila-a (%) 46 29 51 Remoção de Turbidez (%) 37 62 60 5a Carreira Remoção de Clorofila-a (%) 30 56 58 Remoção de Turbidez (%) 47 --- 68 6a Carreira Remoção de Clorofila-a (%) 45 --- 58 Da Tabela 3.26 observa-se que a eficiência da pré-filtração dinâmica é bastante significativa também na remoção de algas (expressa como clorofila-a), apresentando níveis de eficiência da mesma ordem de grandeza dos reportados para remoção de turbidez e sólidos suspensos de origem mineral. No que tange à pré-filtração ascendente, verifica-se que as melhores eficiências de remoção foram obtidas com o filtro de cinco camadas, onde a camada superior é constituída de areia grossa, operando com a taxa de 12 m/dia. Nesses casos, a duração da carreira de filtração no filtro lento foi superior a superior a 35 dias e foi interrompida por questões de planejamento experimental. Outras observações de interesse podem ser ressaltadas: • A variação dos teores de algas na água bruta não influenciou de forma significativa a performance das unidades do sistema de pré-tratamento; entretanto, observou-se uma tendência a maiores eficiências de remoção quando concentrações mais elevadas de algas estavam presentes na água bruta; • A performance dos pré-filtros dinâmico e de pedregulho com escoamento ascendente tendem a melhorar passados os primeiros dias de funcionamento, sugerindo a existência de um período de “amadurecimento” similar ao observado nos filtros lentos; • A remoção de coliformes totais e fecais observada no sistema de pré-filtração, quando operado nas suas condições mais apropriadas, foi da ordem de 80% e 90%, respectivamente no pré-filtro dinâmico e pré-filtros ascendentes; • Os dois filtros lentos produziram água com qualidade bastante similar, independentemente da performance do sistema de pré-tratamento (inclusive quando recebeu água diretamente do pré-filtro dinâmico); entretanto, o desenvolvimento da perda de carga foi maior quando o filtro recebia água de qualidade inferior, com conseqüências negativas sobre a duração das carreiras de filtração. Cerca de 90% das amostras de água coletadas na saída dos filtros lentos apresentaram valores de turbidez inferiores a 1 uT e clorofila-a inferior a 1 μg/L. Da análise dos dados obtidos, observa-se que, em qualquer das situações, a concentração de algas é significativamente reduzida no sistema de pré-tratamento, de 50 a 80%, demonstrando o grande potencial de utilização da pré-filtração dinâmica e da pré-filtração ascendente também nos casos de águas com altas concentrações de algas. Contudo, a generalização dos níveis de eficiência obtidos deve ser evitada pois, como observado por Di Bernardo e colaboradores (1990 e 1992), a eficiência de remoção de algas tanto em filtros lentos, como em pré-filtros, é influenciada pelas características das algas presentes na água bruta. Custos Na filtração lenta convencional, a inexistência de unidades de mistura rápida (adição de coagulante), floculação e sedimentação, comuns à maioria das instalações que envolvem a filtração rápida, resulta na concepção de um sistema de simples construção e operação, que dispensa o uso de equipamentos de controle sofisticados e não requer mão de obra especializada para sua operação, além de apresentar um baixo consumo de energia. Tais aspectos permitem, de um modo geral, a produção de água com custos mais baixos devido à redução, principalmente, dos custos operacionais. Um resumo dos custos de construção de 15 estações de tratamento de filtração lenta (13 das quais construídas na década de 80) apresentado por Berg et al. (1991), revela uma variação significativa desses custos, na faixa de US$ 50 a 2640 por metro quadrado de área de filtro. Essa variação é altamente influenciada pela capacidade de instalação, observando-se uma significativa economia de escala nas unidades de maior porte, e por outros fatores como: a) se o filtro é coberto ou não; b) o tipo de construção da unidade de filtração (concreto ou bermas de terra); c) complexidade e nível de automatização; d) condições locais (infra-estrutura rodoviária, tipo de solo, etc); e, e) disponibilidade de material granular (areia e pedregulho). Em geral as Bellamy, W.D., Silverman, G.P., Hendricks, D.W. e Logsdon, G.S. (1985a). “Removing Giardia Cysts with Slow Sand Filtration”. Journal of American Water Works Association, Vol 77, No. 2, pp. 52-60. Bellamy, W.D., Hendricks, D.W. e Logsdon, G.S. (1985b). “Slow Sand Filtration: Influences of Selected Process Variables”. Journal of American Water Works Association, Vol 77, No. 12, pp. 62-66. Berg, P., Tanner, S. e Shieh, C.Y. (1991). “Construction, Operation, end Maintenance Costs”. In: Logsdon, G.S. (ed.) 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Figura 4.3 – Foto de um Filtro Lento da ETA Ashford Common (Londres-Inglaterra) Fatores que Influem na Eficiência da FiME Os fatores que influem no desempenho da FiME podem ser agrupados em: a) características da água bruta, como número e tamanho das partículas, teor de sólidos suspensos, turbidez, concentração e principais gêneros de algas, outros organismos (bactérias, vírus, protozoários, etc), compostos orgânicos, nutrientes, ferro, manganês e outros metais, etc; b) tipo de pré-tratamento antecedendo à filtração lenta; c) operação e manutenção; d) características de projeto. No ítens seguintes são desenvolvidos os principais fatores relacionados à eficiência da FiME e que devem ser considerados no projeto e operação. Sólidos Suspensos, Turbidez e Tamanho das Partículas É importante o conhecimento do tamanho das partículas presentes na água bruta, pois águas que contêm grande quantidade de partículas sub-micrômicas dificilmente podem ser tratadas convenientemente por meio da filtração lenta. A presença de partículas de maior tamanho é também importante, do ponto de vista operacional, uma vez que um filtro lento limpo deve inicialmente receber água bruta, pois essas partículas, importantes para a formação rápida do “schmutzdecke”, são retidas nas unidades de pré-filtração (dinâmica ou ascendente). Isso tem sido observado em pesquisas realizadas em instalação piloto e em estações em funcionamento na Colômbia. Di Bernardo e Alcócer C. (1996) desenvolveram uma pesquisa em instalação piloto de filtração lenta para taxas de filtração de 3, 6, 9 e 12 m/d, tomaram amostras do afluente e efluente do filtro e efetuaram medidas de vários parâmetros de qualidade, destacando-se a turbidez e o número de partículas com tamanho entre 0,5 e 40 μm. Nas Figuras 4.4 e 4.5 são apresentados os valores da concentração de partículas em ordenadas e os de turbidez em abcissas, sendo mostrados dados do número total de partículas entre 0,5 e 40 μm e de partículas com tamanho médio de 10,08 μm. Figura 4.4 – Número de Partículas em Função da Turbidez do Afluente (Di Bernardo e Alcocer C, 1996) Figura 4.5 – Número de Partículas em Função da Turbidez do Efluente (Di Bernardo e Alcocer C, 1996) Os valores de turbidez maiores que 10 uT ocorreram geralmente no início da carreira de filtração. A melhoria na qualidade do efluente foi detectada após cerca de 2 a 4 dias, dependendo da taxa de filtração. Embora não sejam mostrados os dados, o número de partículas com tamanho médio de 1,16 μm resultou relativamente elevado no efluente, representando cerca de 50 % do número total entre 0,5 e 40 μm. Isso ocorre, principalmente, no início da carreira de filtração, embora se saiba que, mesmo após o período de amadurecimento, os filtros lentos não são muito eficientes na remoção de partículas pequenas que conferem turbidez à água. Por outro lado, a remoção de partículas com tamanho médio de 10,08 μm, representando aproximadamente 0,1 % do número total de partículas presentes na água bruta, foi da ordem de 99,9 % quando a turbidez do efluente era inferior a 10 uT. Nas duas Figuras percebe-se que existe certa correlação entre o número total de partículas e a turbidez da água bruta ou da água filtrada, embora os dados correspondentes ao tamanho médio de 10,08 μm se mostrem melhor correlacionados aos da turbidez, especialmente da água filtrada. Os autores concluíram que havia relação entre o número de partículas e a turbidez do afluente e efluente dos filtros lentos, cujo grau de dispersão dos dados diminuía à medida que aumentava o tamanho médio das partículas de 1,16 para 25,40 μm. Embora a turbidez venha sendo um dos parâmetros comumente considerados para a escolha da filtração lenta sem pré-tratamento, observa-se, pelo exposto, que tal parâmetro não necessariamente representa as partículas presentes na água bruta ou filtrada. Segundo Bernier (1991), quando o afluente apresenta turbidez ou teor de sólidos em suspensão total - SST baixos, a duração da carreira de filtração pode resultar significativamente longa, como mostrado na Figura 4.6, na qual se tem a variação da turbidez nos 10 primeiros dias de carreira e 10 meses de carreira (após o período inicial de 10 dias), principalmente quando a taxa de filtração é baixa. Nesse experimento, a taxa de filtração era da ordem de 2,4 m/d, e a água bruta apresentou turbidez inferior a 5 uT, teor de SST menor que 5 mg/L e temperatura variando entre 4 e 20 0C. Como se pode observar na Figura 4.6, a turbidez decresce continuamente durante o período de funcionamento, não havendo a ocorrência do traspasse, característica da filtração rápida, ou seja, aumento contínuo da turbidez da água filtrada após um certo tempo de operação. Dentre outras, essa é a grande diferença operacional entre a filtração rápida e a lenta. Também, como não há a coagulação química, o tempo requerido para a produção de água com turbidez menor que 1 uT, preconizada pelo Padrão de Potabilidade no Brasil, pode levar semanas ou meses (no presente caso, menor ou igual ao tamanho do vazio considerado na filtração e no eixo das abcissas, a abertura do papel de filtro utilizado. Uma vez mais pode-se tentar relacionar a turbidez com o teor de SST das amostras filtradas, o que fornecerá informações importantes acerca do tamanho e quantidade das partículas presentes na água bruta. Do mesmo modo que as partículas inertes, as algas podem ter tamanhos variados na água bruta, de forma que o conhecimento dos principais gêneros pode ser interessante, pois algas filamentosas causam obstrução rápida do meio filtrante dos filtros lentos, enquanto algas de outros gêneros podem ter forma e mobilidade que facilitam sua passagem pelo meio filtrante. Sempre que houver possibilidade da presença de algas nas fontes de abastecimento, torna-se imprescindível o pré- tratamento antecedendo a filtração lenta. Método de Operação Em geral, as unidades de um instalação FiME funcionam com taxa constante. No caso da pré-filtração dinâmica, pode haver uma pequena diminuição na taxa de filtração durante o dia, dependendo da freqüência de ajuste de vazão. No caso da filtração lenta, os filtros normalmente funcionam com taxa constante e nível de água em seu interior constante ou variável. Nas Figuras 4.8 e 4.9 são mostrados arranjos típicos de filtros lentos projetados e operados com nível de água constante ou variável em seu interior. Segundo Di Bernardo e Alcocer C. (1996), a eficiência é praticamente a mesma, de forma que, do ponto de vista econômico e operacional, é preferível optar pelo filtro com nível de água variável. É interessante observar nas duas Figuras a existência de uma descarga do sobrenadante, pois o tempo é relativamente longo quando a retirada do sobrenadante, para posterior execução da limpeza do meio filtrante, é feita pela drenagem geral do filtro. Figura 4.8 – Arranjo Típico de Filtro Lento com Nível de Água Constante Figura 4.9 – Arranjo Típico de Filtro Lento com Nível de Água Variável Figura 4.10 – Foto ilustrando o canal de descarga (e de entrada) de um filtro lento operado com nível de água variável eio Filtrante de Filtros Lentos esde 1829, quando os filtros de areia foram empregados pela primeira vez no a Figura 4.11 é mostrada a curva típica de distribuição granulométrica da areia usada M D tratamento de água para abastecimento público, ocorreram muitas inovações visando melhorar o desempenho destas unidades. Algumas pesquisas foram realizadas com areia de diferentes granulometrias, chegando–se à conclusão sobre o mais eficiente material: tamanhos dos grãos compreendidos entre 0,08 e 1,0 mm; tamanho efetivo entre 0,15 e 0,30 mm; coeficiente de desuniformidade menor que 5,0 (preferivelmente entre 2 e 5). N na filtração lenta. No eixo das abcissas tem-se a abertura das peneiras da série granulométrica e, no das ordenadas, a porcentagem acumulada da areia que passa (em massa) nas peneiras. O tamanho efetivo, corresponde àquele referente a 10 % no eixo das ordenadas e é igual a 0,21 mm, e o coeficiente de desuniformidade, dado pela relação dos tamanhos correspondentes a 60 % (0,71 mm) e 10 % (0,21 mm), é igual a cerca de 3,4, para a areia com curva granulométrica igual à da Figura 4.11. Figura 4.11 – Curva Granulométrica da Areia Comumente Usada nos Filtros Lentos i Bernardo e Escobar R. (1996) desenvolveram um trabalho de pesquisa com o fim D de verificar a influência do coeficiente de desuniformidade na eficiência da filtração lenta. Os autores estudaram quatro areias, todas tendo tamanho efetivo da ordem de Para mantas com elevada superfície específica, a taxa de retenção de impurezas é tão grande que, para qualquer espessura de manta superior a 1 mm, a perda de carga torna-se maior do que nos filtros lentos constituídos apenas de areia. Embora uma pequena espessura destas mantas previna a penetração de partículas na areia, elas não são eficientes para aumentar a duração da carreira de filtração. Por outro lado, mantas muito porosas e com baixa superfície específica possibilitam aumentar a duração da carreira de filtração, sendo que o fator de aumento cresce com a espessura da manta. Contudo, a baixa taxa de retenção de impurezas destas mantas conduz a uma apreciável penetração de partículas na camada de areia, mesmo para a espessura de aproximadamente 3 cm, de forma que a perda de carga ocorre principalmente na areia. Os autores comentam que parece haver relação exponencial entre o fator de aumento da duração da carreira de filtração e a espessura da camada de manta. Contudo, é possível que para uma manta particular haja uma espessura limite que corresponda ao aumento máximo da duração da carreira de filtração. Entretanto, os pesquisadores recomendam que a espessura total não ultrapasse a 2 ou 3 cm, a fim de não dificultar a remoção das mantas para limpeza. Finalmente, segundo os autores, a superfície específica e a espessura são os parâmetros que melhor definem a adequabilidade de uma camada de manta a ser usada na filtração lenta. Contudo, algumas considerações devem ser feitas a respeito da porosidade e natureza da manta (diâmetro da fibra, material e método de manufatura). Os primeiros trabalhos sobre o uso de mantas na filtração lenta foi iniciado no Brasil por volta de 1988. As principais propriedades de algumas mantas sintéticas estudadas por Paterniani (1991) e Di Bernardo et al. (1991), compostas por fibras de poliamida, poliéster e polipropileno combinadas em diferentes porcentagens, são mostradas na Tabela 4.1. Tabela 4.1: Propriedades físicas de cinco mantas sintéticas não-tecidas utilizadas em pesquisas realizadas no Brasil (Paterniani, 1991) Parâmetro Manta 1 Manta 2 Manta 3 Manta 4 Manta 5 Diâmetro médio das fibras (μm) 42,43 37,81 45,09 23,96 29,6 Massa específica média (g/cm3) 0,123 0,108 0,115 0,106 0,171 Porosidade (%) 89,0 91,0 88,3 92,3 84,7 Superfície específica (m2/m3) 10 360 9 500 10 388 12 778 20 662 Permeabilidade (mm/s) 7,01 7,33 7,16 4,23 1,31 Espessura (mm) 5 5 5 5 3 Após a colmatação decorrente da retenção de impurezas, as mantas não-tecidas empregadas no tratamento de água são lavadas, por meio de jatos de água, e reutilizadas. A reutilização das mantas exige que o polímero que constitui a fibra do não-tecido apresente algumas propriedades particulares tais como resistência a abrasão, ausência de grupos polares para facilitar sua limpeza, resistência a compostos químicos como ácidos, álcalis e agentes oxidantes encontrados na água e resistência a fungos e ácidos orgânicos. O baixo custo também é um fator relevante, de modo que as fibras de polipropileno são citadas como as mais indicadas para a confecção de mantas a serem empregadas no tratamento de água para abastecimento público. Dos cinco tipos de mantas caracterizados por Paterniani (1991), foram selecionados previamente dois tipos, denominados M3 (preta) e M4 (branca com tela) para serem utilizados na filtração lenta. A escolha destas mantas baseou-se nos valores de porosidade, superfície específica, permeabilidade e na porcentagem de polipropileno na composição da mesma, além da resistência mecânica. Para investigar o desempenho dos filtros lentos (ver Figura 4.14) em função da utilização de mantas sintéticas não-tecidas no topo da camada de areia, foram realizadas cinco séries de ensaios, variando-se a taxa de filtração, a espessura da areia e da camada de manta, conforme mostrado na Tabela 4.2. Para comparar os resultados, em todos os ensaios foi mantido em paralelo um filtro sem manta. Foram medidos os seguintes parâmetros: perda de carga devido a retenção de impurezas, turbidez, cor aparente, pH, temperatura, oxigênio dissolvido, NMP de coliformes totais, contagem de colônias de bactérias em placa de Petri e contagem de partículas. O acompanhamento da evolução da perda de carga nos filtros devido a retenção de impurezas foi feito por meio da leitura do nível de água em piezômetros instalados a cada 10 cm de altura do meio filtrante. O final da carreira de filtração ocorria no momento em que a perda de carga atingia um valor pré-estabelecido ( Tabela 4.2). Tabela 4.2 - Programação dos ensaios realizados na instalação de filtração lenta Série Filtro Taxa de filtração (m3/m2.d) Espessura da areia (cm) Utilização de mantas Perda de carga final (cm) F1 6 80 Não 95 F2 6 80 1M3 95 I F3 6 60 Não 115 F4 6 60 1M3 115 F5 6 30 1M3 145 F1 6 30 Não 145 F2 6 30 2M3 145 II F3 6 60 Não 115 F4 6 60 2M3 115 F5 6 30 3M3 145 F1 6 30 Não 145 F2 6 30 1M3 145 III F3 6 30 2M3 145 F4 6 30 1M3+1M5 145 F5 6 30 2M3+1M5 145 F1 9 30 Não 145 F2 9 30 2M3+1M5 145 IV F3 12 30 Não 145 F4 12 30 2M3+1M5 145 F1 3 30 Não 95 V F2 3 30 2M3+1M5 95 F3 3 30 1M3+1M5 95 na areia. Mantas com maior superfície específica evitam a ocorrência de penetração de impurezas na areia, mas proporcionam fatores de aumento menores na duração da carreira de filtração. A duração da carreira de filtração tende a ser maior quanto maior for a espessura das mantas utilizadas. Após três anos de uso consecutivo, as mantas utilizadas na pesquisa não apresentaram qualquer sinal de desgaste ou deterioração, demonstrando grande resistência e durabilidade para o uso na filtração lenta. A operação de limpeza do filtro foi bem mais simples com o uso de mantas sintéticas, quando esta era capaz de evitar a penetração de impurezas na areia uT uC NMP/100 mL 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Taxa de filtração=6m3/m2.d F1 ( sem manta): TO=466h F2 (2M3+M5):TO=1149h uT uC NMP/100 mL 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Taxa de filtração=9m3/m2.d F1 ( sem manta): TO=405h F2 (2M3+M5):TO=458h Figura 4.16 – Resultados parciais da pesquisa realizada na instalação piloto de filtros lentos (Di Bernardo et al., 1991) Nas Figuras 4.17 e 4.18 são mostrados dados sobre a perda de carga em dois filtros lentos operados em paralelo, um deles contendo mantas, 2M3+1M5, e o outro, sem mantas, ambos com camada de areia de 30 cm de espessura. É evidente, nessas Figuras, que as mantas propiciam a obtenção de carreiras de filtração de maior duração, além da possibilidade de ser utilizada taxa de filtração maior que aquelas comumente adotadas na filtração lenta em areia somente. Embora já existam dados confirmatórios da vantagens do uso das mantas, ainda falta o seu estudo em filtros em escala real para que seu emprego seja definitivamente consagrado. Figura 4.17 – Variação das leituras piezométricas nos filtros lentos para as condições especificadas – Taxa de Filtração = 3 m/d (Paterniani, 1991) Figura 4.18 – Variação das leituras piezométricas nos filtros lentos para as condições especificadas – Taxa de Filtração = 6 m/d (Paterniani, 1991) Nas fotos das Figuras 4.19 são mostradas as mantas utilizadas por Paterniani (1991), que são as mesmas usadas por Di Bernardo et al. (1991) e cujos resultados foram apresentados nas Figuras anteriores. Figura 4.19 – Fotos Ilustrando a Retirada e Lavagem de Manta Sintética Disposta sobre o Topo da camada de Areia em Filtro Lento (Paterniani, 1991) Carga Hidráulica Disponível e Taxa de Filtração nos Filtros Lentos Como visto anteriormente, os filtros lentos são geralmente projetados para funcionar com nível de água variável em seu interior, cujo esquema foi mostrado na Figura 4.9. O nível de água mínimo deve situar-se acima do topo do meio filtrante (geralmente 10 a 20 cm), de forma que a crista do vertedor de saída deve estar adequadamente posicionada para que isso ocorra. especiais. Na Figura 4.22 é mostrada a disposição de tubulações e canais do sistema de drenagem usualmente utilizados na filtração lenta, enquanto na Figura 4.23 têm-se esquemas de tipos de drenos empregados. Figura 4.22 – Configuração Usual do Sistema de Drenagem de Filtros Lentos Figura 4.23 – Tipos Usuais de Sistemas de Drenagem de Filtros Lentos Nas fotos da Figura 4.24 tem-se o sistema de drenagem de um filtro lento constituído por drenos especiais, a camada de pedregulho e a colocação da areia. Figura 4.24 – Fotos ilustrando os drenos especiais, a colocação da camada de pedregulho e a de areia em um filtro lento Meios Granulares de Pré-Filtros e Características de Projeto e Operação Tanto na pré-filtração dinâmica, quanto na pré-filtração ascendente, diversos estudos foram realizados para verificar a composição apropriada e espessura das diferentes subcamadas que compõem o meio granular (Di Bernardo e Valenzuela, 1992). Estudos hidrodinâmicos têm sido realizados para verificar o comportamento das unidades com relação à posição que ocupam as impurezas retidas e seu deslocamento no interior do meio granular de pré-filtros dinâmicos (La Torre, 1994, Gusman,1997, etc), além da eficiência das descargas de fundo no caso dos pré-filtros de escoamento ascendente (IRC-WHO, 1989). Pré-filtração Dinâmica O sistema de drenagem dos pré-filtros dinâmicos é geralmente constituído por tubulações providas de orifícios, cuja disposição dos tubos pode ter uma das configurações mostradas na Figura 4.25. Figura 4.25 – Disposição dos Tubos do Sistema de Drenagem de Pré-filtros Dinâmicos Na Figura 4.26 é mostrado o esquema, em corte, de um pré-filtro dinâmico. Para garantir a vazão efluente desejada, a válvula da tubulação de saída deve ser regulada constantemente, pois, com o tempo de funcionamento, há retenção de impurezas no meio granular, causando diminuição da vazão efluente e aumento da vazão de excesso. A vazão efluente do pré-filtro dinâmico pode ser medida por meio de vertedor triangular, localizado a montante das unidades subseqüentes. Quando a válvula de saída estiver completamente aberta e a vazão efluente for inferior à requerida, deverá ser efetuada a limpeza do meio granular. Fecha-se a válvula de saída, de forma que a vazão total afluente passa a escoar para o canal de excesso e; com auxílio de um rastelo ou ancinho, o meio granular fino é revolvido, liberando as impurezas que são arrastadas juntamente com a água que escoa superficialmente. Se for necessária a retirada do material granular, o afluente pode ser desviado do pré-filtro dinâmico e ser encaminhado para as unidades subseqüentes. Na foto da Figura 4.27 é mostrada uma instalação de três pré-filtros dinâmicos recém-construídos. A altura de água sobre o topo da camada de pedregulho fino varia, segundo Gusmán (1997) entre 3 e 5 cm. Figura 4.29 –Variação da concentração de sólidos suspensos totais de uma descarga de fundo em um pré-filtro de escoamento ascendente (IRC-WHO, 1989) Na Figura 4.30 é mostrado um esquema de uma instalação de PFPAS contendo três unidades em série, enquanto, na Figura 4.31, tem-se o esquema em planta e corte de uma instalação de PFPAC. Figura 4.30 – Esquema em corte de uma Instalação de PFPAS Figura 4.31 – Esquema em corte de uma Instalação de PFPAC O sistema de drenagem dos pré-filtros de escoamento ascendente pode ser constituído por tubulações perfuradas, lajes providas de orifícios, etc. É importante que o sistema de drenagem garanta a distribuição uniforme do afluente em toda a área no fundo da unidade, como também deve propiciar condições hidráulicas para que a descarga seja efetiva na remoção de sólidos acumulados no meio granular. Critérios de Projeto Considerações Iniciais Primeiramente, deve-se, em função da qualidade da água bruta, selecionar as unidades que irão compor a instalação FiME. Podem-se ter várias configurações, tais como: pré-filtração dinâmica e filtração lenta; pré-filtração dinâmica, pré-filtração ascendente em pedregulho em subcamadas e filtração lenta; pré-filtração dinâmica, pré-filtração ascendente em pedregulho em unidades em série e filtração lenta. A filtração lenta pode ser usada como única tecnologia de tratamento somente nos casos em que a qualidade da água bruta possui qualidade praticamente constante e, pelo menos semelhante àquela obtida no pré-tratamento das instalações FiME. A pré- filtração dinâmica é geralmente considerada parte integrante de uma instalação FiME, tendo em vista seu custo relativamente baixo quando comparado ao custo total do sistema, a menos que se tenha recalque da água bruta, e com custo de implantação e operação significativo. Na Tabela 4.3 são apresentados os principais parâmetros sugeridos para projeto de instalações de filtração lenta e FiME em função da qualidade da água bruta. Fazolo (1999) estudou três sistemas independentes de pré-filtração ascendente em pedregulho, sendo: sistema 1 : pré-filtração em quatro unidades em série, com a primeira contendo pedregulho de maior tamanho, a segunda de menor tamanho, e assim sucessivamente; sistema 2 : duas unidades em série; com a primeira contendo duas camadas de pedregulho de maior tamanho (iguais às da primeira e segunda unidades do sistema 1) e a segunda com duas camadas de menor tamanho (iguais às da terceira e quarta unidades do sistema 1); sistema 3 : unidade única com as quatro camadas de pedregulho superpostas. Os sistemas receberam água pré-filtrada em dois pré-filtros dinâmicos em série e foram operados com taxas de aplicação de 8, 12 e 16 m3/m2 d. Tabela 4.3 –Características Gerais da Água Bruta e Tipo de Instalação FiME Características da Água Bruta FL PFD FL PFD PFPAC ou PFPAS FL Turbidez (uT) 100 % < 25 uT 95 % < 10 uT 100 % < 50 95 % < 25 100 % < 200 95 % < 100 Cor Verdadeira (uC) 100 % < 10 95 % < 5 100 % < 25 95 % < 10 100 % < 25 95 % < 10 Sólidos Suspensos Totais (mg/L) 100 % < 25 95 % < 10 100 % < 50 95 % < 25 100 % < 200 95 % < 100 Coliformes Totais (NMP/100 mL) 100 % < 1 000 95 % < 500 100 % < 10 000 95 % < 5 000 100 % < 20 000 95 % < 10 000 Coliformes Fecais (NMP/100 mL) 100 % < 500 95 % < 250 100 % < 5 000 95 % < 1 000 100 % < 10 000 95 % < 5 000 Concentração de Ferro Total (mg/L) 100 % < 1,5 95 % < 1,0 100 % < 3,0 95 % < 2,0 100 % < 5,0 95 % < 3,0 Concentração de Algas (UPA/mL) 100 % < 500 95 % < 250 100 % < 1 500 95 % < 1 000 100 % < 5 000 95 % < 2 500 Obs. 1 : na impossibilidade de se conseguir dados em UPA/mL, pode-se utilizar o parâmetro clorofila a e, eventualmente, o número de indivíduos por litro; Obs. 2 : com relação aos limites sugeridos para coliformes, deve ressaltar que, após a desinfecção, deve-se, sempre, assegurar, por meio de teste de ausência/presença, a inexistência de coliformes fecais na água a ser distribuída; Legenda : FL = filtração lenta ; PFD = pré-filtração dinâmica ; PFPAC = pré-filtração em pedregulho com escoamento ascendente em subcamadas ; PFPAS = pré-filtração em pedregulho com escoamento ascendente em unidades em série; Fazolo (1999) efetuou ensaios com aplicação de substância traçadora (cloreto de sódio) para verificar o comportamento hidrodinâmico dos três sistemas, tendo sido observado que, para a mesma taxa de aplicação, o sistema 1 apresentava comportamento mais próximo do escoamento tipo pistão ideal, ou seja, a água afluente permanecia no sistema 1 um tempo médio praticamente igual ao tempo teórico. Não obstante tais diferenças no comportamento hidrodinâmico, o pesquisador observou que, estatisticamente, os três sistemas apresentaram a mesma eficiência com relação à remoção de turbidez, sólidos suspensos totais, cor aparente e coliformes totais e fecais. Galvis et al (1992), utilizando instalação piloto constituída de três linhas de pré-filtros com escoamento ascendente, recebendo água afluente de rio com grau relativamente elevado de poluição e submetida previamente à pré-filtração dinâmica, observaram As principais atividades de operação e manutenção de uma unidade de PFD estão relacionadas ao ajuste da válvula de saída para que a vazão efluente seja aquela compatível com a de abastecimento, pois, à medida que ocorre retenção de impurezas, há aumento da perda de carga no meio granular e, como conseqüência, tem-se aumento da vazão de excesso e diminuição da vazão efluente. Quando a válvula de saída estiver completamente aberta, há necessidade de paralisar a unidade e efetuar a limpeza do meio granular - fecha-se esta válvula de forma que a vazão total afluente à unidade passe a escoar superficialmente e, com auxílio de ancinho ou rastelo, revolve-se o topo do meio granular. O sistema de drenagem é geralmente constituído de tubulações perfuradas, como os drenos comerciais de PVC mostrados na Figura 4.33. O diâmetro dos orifícios desses tubos comerciais variam geralmente de 4,5 a 6,0 mm. Também podem ser usados tubos de PVC comuns e serem executados os orifícios, desde que o somatório da área dos orifícios seja menor ou igual a 20 % da área do tubo, caracterizando um “manifold” de coleta. Quando forem usados tubos com orifícios projetados, deve-se adotar diâmetro mínimo de 6,4 mm. Na Tabela 4.5 são mostradas as principais características dos drenos comerciais. Figura 4.33 – Drenos comerciais de PVC Tabela 4.5 - Características de drenos comerciais Diâmetro do Tubo (mm) Diâmetro dos Orifícios (mm) Número de Orifícios por Seção Número de Orifícios por Metro Linear Área Total dos Orifícios por Metro (10-4 m2/m) Vazão Coletada por Metro de Tubo (L/s m) 50 4,5 6 158 24,8 0,124 75 4,5 12 312 49,6 0,248 100 5,0 12 312 61,25 0,306 150 6,0 12 312 88,22 0,441 Exemplo 4.1 – Dimensionamento de uma instalação de PFD para uma vazão a ser tratada de 8 L/s. A adução é feita por gravidade e não há limitação da vazão afluente à instalação. a) Número de unidades = 2 b) Taxa de aplicação = 36 m/d c) Área superficial de uma unidade = [86,4 x 4]/36 = 9,6 m2 d) Vazão de excesso a uma unidade = 1 L/s e) Vazão total afluente a uma unidade = 5 L/s f) Desnível s(adotado) = 0,015 m g) Velocidade média de escoamento durante a limpeza = 0,2 m/s h) Utilizando as equações 4.1 e 4.2, obtém-se h = 0,0277m e b = 0,7 m i) Altura de água sobre o topo do meio granular durante a limpeza = 0,0427 m j) Comprimento da unidade = 9,6/0,7 = 13,7 m k) Carga hidráulica no vertedor durante a pré-filtração (Q=1L/s; Eq. 4.1) = 0,0084 m l) Altura de água sobre o topo do meio granular durante a pré-filtração = 0,0234 m m) Sistema de drenagem : constituído por 2 drenos comerciais de 75 mm de diâmetro dispostos longitudinalmente; tais tubos serão conectados a uma tubulação de 100 mm de diâmetro localizada no interior da unidade, a qual possuirá, externamente, uma válvula para ajuste da vazão efluente. Pré-filtração Ascendente Basicamente, a pré-filtração ascendente é composta pela estrutura de divisão de vazão às diferentes unidades, câmaras filtrantes (as quais contêm o meio granular e o sistema de drenagem), estrutura de saída, tubulações e acessórios de controle da vazão. Como visto anteriormente nas Figuras 4.30 e 4.31, a pré-filtração ascendente pode ser realizada em câmaras em série (PFPAS) ou em uma câmara contendo as subcamadas de pedregulho (PFPAC). Deve-se considerar as condições existentes no local, tais como topografia e geotecnia da área destinada à estação, disponibilidade de mão de obra e de materiais, etc, para a escolha do tipo de instalação de pré-filtração ascendente. Nas Tabelas 4.6 e 4.7 são apresentados os critérios gerais de dimensionamento de instalações de pré-filtração ascendente. Tabela 4.6 – Critérios Gerais de Dimensionamento de Instalações PFPAC Parâmetro Recomendação ou Valor Recomendado - PFPAC Método de Operação contínuo Taxa de Aplicação (m/d) 12 a 36 Número Mínimo de Unidades em Paralelo 2 Altura Mínima da Lâmina Líquida sobre a Superfície do Meio Granular (cm) 20 Taxa Mínima de Descarga para Limpeza (m/d) 400 Espessura das Subcamadas e Material Granular - suporte - subcamada inferior - subcamada intermediária 1 - subcamada intermediária 2 - subcamada superior 0,25 a 0,35 m ; 19,0 a 31,0 mm 0,2 a 0,3 m ; 12,7 a 19,0 mm 0,2 a 0,3 m ; 6,4 a 12,7 mm 0,2 a 0,3 m ;3,2 a 6,4 mm 0,2 a 0,4 m ;1,68 a 3,2 mm Tabela 4.7 – Critérios Gerais de Dimensionamento de Instalações PFPAS Parâmetro Recomendação ou Valor Recomendado - PFPAS Método de Operação Contínuo Taxa de Aplicação (m/d) 12 a 36 Número Mínimo de Unidades em Paralelo 2 Altura Mínima da Lâmina Líquida sobre Topo do Meio Granular de cada Câmara (cm) 20 Taxa Mínima de Descarga para Limpeza (m/d) 400 Espessura das Subcamadas e Material Granular - primeira câmara camada suporte camadas filtrantes - segunda câmara camada suporte camada filtrante - terceira câmara camada suporte camada filtrante 0,2 a 0,3 m ; 19,0 a 31,0 mm 0,1 a 0, 2m ; 12,7 a 19,0 mm 0,4 a 0,6 m ; 6,4 a 12,7 mm 0,2 a 0,3 m ; 19,0 a 31,0 mm 0,1 a 0,2 m ; 12,7 a 19,0 mm 0,1 a 0,2 m ; 6,4 a 12,7 mm 0,4 a 0,6 m ; 3,2 a 6,4 mm 0,2 a 0,3 m ; 19,0 a 31,0 mm 0,1 a 0,2 m : 12,7 a 19,0 mm 0,1 a 0,2 m ; 6,4 a 12,7 mm 0,1 a 0,2 m ; 3,2 a 6,4 mm 0,4 a 0,6 m ; 1,68 a 3,20 mm