TRATAMENTO DE ÁGUAS SUPERFICIAIS DO RIO PIRAPÓ PELO PROCESSO DE FILTRAÇÃO POR MEMBRANAS CERÂMICAS POROSIDADE MÉDIA DE 0,2 µm.

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1 TRATAMENTO DE ÁGUAS SUPERFICIAIS DO RIO PIRAPÓ PELO PROCESSO DE FILTRAÇÃO POR MEMBRANAS CERÂMICAS POROSIDADE MÉDIA DE 0,2 µm. 1 Daniel Trentini Monteiro, 2 Rosângela Bergamasco, 3 Leila Cristina Konradt Moraes 1 Bolsista de Iniciação Científica PIBIC/CNPQ/UEM, discente do curso de Engenharia Química 2 Professora da Universidade Estadual de Maringá UEM/PR 3 Doutora em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Maringá. 1,2,3 Universidade Estadual de Maringá Avenida Colombo, CEP: Maringá PR. rosangela@deq.uem.br RESUMO Este trabalho teve por objetivo estender a tecnologia de filtração com membranas para águas de qualidade inferior, avaliando os principais parâmetros de potabilidade da água do rio Pirapó, que abastece a cidade de Maringá PR, antes e após um tratamento de filtração com membrana tubular de α-al 2 O 3 /ZrO 2 de porosidade média de 0,2 µm. Foram testadas duas pressões 1 e 2 bar, e avaliados neste estudo a cor (real e aparente), turbidez, compostos com absorção em UV-254nm, coliformes totais, sólidos suspensos totais e sólidos dissolvidos totais sendo que, a maioria destes parâmetros apresentaram eficiências de remoção acima de 90 %. Palavras-Chave: água potável, tratamento de água, filtração por membranas INTRODUÇÃO O desenvolvimento industrial, o crescimento demográfico e a ocupação do solo de forma intensa e desordenada vêm provocando o comprometimento dos recursos hídricos disponíveis para o consumo humano, recreação e outras atividades, aumentando consideravelmente o risco de doenças de transmissão hídrica, sendo que o transporte de microrganismos patogênicos pelas águas tem representado um fator importante no comprometimento destes recursos e na disseminação de processos infecciosos em populações, especialmente quando sistemas de abastecimento de água e tratamento de esgoto são precários. Assim a água torna-se um risco em potencial para a saúde da população quando nela estiverem presentes agentes nocivos. Isto é, mesmo que visualmente ela não apresente indicações de contaminação, não se pode assegurar sua qualidade física, química e microbiológica. De acordo com a Organização Mundial da Saúde e Organização Panamericana da Saúde (OMS/OPAS, 2001), cerca de um quarto dos 4,8 bilhões de pessoas dos países em desenvolvimento continua sem acesso a fontes de água adequadas, enquanto metade deste total não está servida por serviços apropriados de saneamento. Os responsáveis pelos sistemas de abastecimento têm então a responsabilidade da adequação das técnicas de tratamento convencionais, ou da aplicação de novas técnicas, de acordo com as necessidades para o ajuste da estação de tratamento, em função da água bruta captada assegurando assim a qualidade da água final distribuída ao consumidor. A produção de água que atenda ao Padrão de Potabilidade requer, na maioria dos casos, a filtração, pois somente nesta etapa é que são removidos, quase que em sua totalidade, as partículas coloidais, suspensas e microrganismos em geral, de forma que a desinfecção final seja efetiva (SPINELLI, 2001). A finalidade do controle da turbidez em águas é porque este parâmetro poder ter uma relação com a presença de microorganismos na água, que podem ficar aderidos às partículas que causam turbidez. Babbit (1973), afirma que a cor na água é, usualmente, devida a matéria orgânica em suspensão coloidal, podendo, porém, ser devida à matéria mineral em solução, como um colóide, ou em suspensão. O processo de filtração por meio de membranas tem, atualmente, sido objetivo de grande atenção em processos de tratamento de água potável. As razões para tal incluem as leis cada vez mais rígidas para a produção de água potável e o despertar das pessoas para a necessidade de melhoria do padrão de saúde (KONRADT-MORAES, 2004). Processos com membranas são atualmente economicamente atrativos em grandes instalações utilizando-se águas superficiais de boa qualidade. Atualmente, os objetivos são estender os processos de tecnologia com membranas para águas de qualidade inferior para a remoção de cor, sabor, VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

2 matéria orgânica dissolvida e produtos de desinfecção (GUIGUI et al., 2002). Segundo Lemanski (2004), na filtração tangencial a solução de alimentação flui paralelamente à membrana e ao fluxo de permeado, perpendicularmente, o que permite o escoamento de grandes volumes de fluidos, pois esse tipo de escoamento, a altas velocidades, tem o efeito de arrastar os sólidos que tendem a se acumular sobre a superfície da membrana. O fouling que ocorre nas membranas pode ser entendido como o conjunto de fenômenos capaz de provocar uma queda no fluxo permeado, quando se trabalha com uma solução em suspensão. A extensão do fenômeno do fouling depende da natureza da solução problema, sua concentração, tipo de membrana e distribuição de tamanho de poros, qualidade da água, características hidrodinâmicas e de superfície de membrana. A ocorrência do fouling afeta o desempenho da membrana pela deposição de uma nova camada sobre sua superfície, pelo bloqueio parcial ou completo dos poros o que acarreta a mudança efetiva da distribuição do tamanho de poros e da massa molar média de corte da mesma (Lemanski, 2004). O processo de microfiltração se focaliza na remoção de partículas suspensas e de bactérias, reduzindo a pressão necessária para atravessar as membranas para apenas alguns metros de coluna de água. Uma abertura tão pequena separa qualquer microrganismo e produz uma desinfecção física, requerida no caso de parasitas quase resistentes à desinfecção com cloro. O consumo de produtos químicos é limitado às lavagens periódicas da membrana e uma possível desinfecção de segurança para manter um resíduo dentro da rede de distribuição (REVISTA MEIO AMBIENTE INDUSTRIAL, 2000). Assim, este trabalho teve por objetivo estender a tecnologia de filtração com membranas para águas de qualidade inferior, avaliando os principais parâmetros de potabilidade da água do rio Pirapó, que abastece a cidade de Maringá PR, antes e após um tratamento de filtração com membrana tubular de α-al 2 O 3 /ZrO 2 de porosidade média de 0,2 µm. Materiais e Métodos A parte experimental foi realizada no Laboratório de Gestão, Controle e Preservação Ambiental, do Departamento de Engenharia Química DEQ, da Universidade Estadual de Maringá UEM. A unidade de ultrafiltração utilizada está apresentada na Figura 1, ao lado do banho termostático que manteve a temperatura do tanque de alimentação constante. O módulo de filtração tangencial NETZSCH, em aço inox, foi equipado por um par de manômetros e uma válvula para o controle da pressão. Figura 1 Unidade Experimental de Filtração por Membranas. A membrana utilizada era cerâmica, composta de α-al 2 O 3 /ZrO 2, de forma tubular, monocanal com área filtrante de 0,005 m 2 e de porosidade média 0,2 µm. A membrana pode ser representada na Figura 2. Figura 2: Representação do processo de filtração tangencial, Fonte: LEE et al., Caracterização da membrana: Foram realizados ensaios de caracterização da membrana, um sob uma pressão de 1 bar e outro a 2 bar. O tanque de alimentação foi alimentado com água desionizada para este processo de filtração, coletando-se o permeado em copos plásticos com seus respectivos intervalos em tempos pré-determinados. A temperatura do tanque de alimentação foi controlada e mantida a (25 ± 1) C. As amostras de permeado foram coletadas em intervalos de tempo pequenos, no início da filtração, sendo estes intervalos, aumentados posteriormente, para uma boa determinação da curva de fluxo de permeado em função do tempo. Entre cada processo de filtração a membrana foi lavada. Lavagem da membrana: A membrana foi lavada em um banho de ultra-som. Os banhos foram de soluções de hidróxido de sódio, para remoção da matéria orgânica, com 8 banhos de 10 minutos cada, em temperatura entre 60 a 70 C. Posteriormente, o ph da membrana era estabilizado próximo da neutralidade, com vários banhos consecutivos de água de osmose, cada

3 um deles com duração de 10 minutos. Para a lavagem ácida, foi preparada uma solução de ácido cítrico 1% m/v a mesma rotina foi submetida com 8 banhos de 10 minutos cada, em temperatura entre 60 a 70 C. Seguido de banhos de água de osmose por 10 minutos, até o ph da membrana se aproximar da neutralidade. A água bruta foi coletada no ponto de captação da empresa de saneamento local e recalcada até dentro da cidade de Maringá, onde é localizada a sede da empresa de saneamento da região. A água coletada não recebeu nenhum tratamento prévio, e seu local de captação é no rio Pirapó. Ensaio de filtração: Esta etapa foi realizada com a água bruta coletada, e o procedimento experimental foi o mesmo que o da caracterização da membrana. E para cada uma das pressões utilizadas (1 e 2 bar), a membrana foi lavada. Para determinar o fluxo de permeado utilizamos a Equação 1: f Permeado = m ρ A (1) o. t. 25 C m Onde f Permeado é o fluxo de permeado, m é a massa de água coletada, ρ 25 C é a densidade da água a 25 C, t é o intervalo de tempo em que a massa de água foi coletada e A a área filtrante da membrana. Para a determinação do fouling ou entupimento, foi utilizada a Equação 2. Para cada conjunto de curvas de fluxo, o entupimento foi baseado em um tempo em comum entre as curvas analisadas para que seja possível uma comparação. ffinala ffinalab entupiment o= 100% (2) f iniciala Onde f finala é o fluxo final de permeado com água desionizada (caracterização da membrana) e f é o fluxo final de permeado finalab com água bruta (ensaio de filtração). Caracterização da água: A água bruta utilizada e o permeado obtido no ensaio de filtração tiveram alguns parâmetros caracterizados. As análises de cor (verdadeira e aparente), turbidez, materiais com faixa de absorção UV-254 nm, sólidos suspensos totais e sólidos dissolvidos totais foram realizadas segundo procedimento recomendado pelo Standard Methods (APHA, 1995). A cor foi medida em espectrofotômetro HACH DR 2010, método 8025, programa 120, m comprimento de onda de 455 nm, por comparação visual com padrão de cobalto-platina. A cor aparente foi determinada na amostra sem prévia preparação e a cor verdadeira foi determinada após a filtração desta amostra. A medida de turbidez foi realizada em Turbidímetro portátil HACH modelo 2100P. Segundo Najm e Eaton, a absorbância em UV-254 nm é utilizada como uma alternativa para representação da matéria orgânica natural (MON) (ou da potencial formação de trihalometanos) em água. Os compostos de absorção em UV-254 nm foram determinados em espectrofotômetro HACH modelo DR Os sólidos dissolvidos totais e os sólidos suspensos totais foram determinados pelo método gravimétrico. O ph foi determinado por meio de phmetro Digimed DM-2, conforme metodologia descrita no manual do aparelho e as medições de temperatura foram realizadas utilizando um termômetro de mercúrio. Os indicadores patogênicos, como coliformes totais, foram quantificados por meio das placas 3M Petrifilm, segundo os métodos NMKL ( ). Resultados e Discussões A Figura 3 apresenta as curvas de caracterização da membrana, e do fluxo de permeado em função do tempo de operação do ensaio de filtração na pressão de 1 bar. A Tabela 1 apresenta os parâmetros caracterizados da água bruta e do permeado do ensaio de filtração, sob a pressão transmembrana de 1 bar, em comparação com as características da legislação em vigor (Portaria 518 / MS). Fluxo de Permeado (Lh -1 m -2 ) Água Deionizada Água Bruta Tempo (min) Figura 3 Comportamento do Fluxo de Permeado pelo Tempo no Ensaio de Filtração a 1 bar.

4 Cor Verdadeira Cor Aparente Turbidez (ut) 9,1 0,4 95 5,0 / 1,0 UV-254 nm (cm -1 ) 0,12 0, ph 7,96 7,95-6,0-9,5 Colif.Totais (UFC/100 ml) SST (mg/l) 4,7 2, Tabela 1 Parâmetros de Potabilidade Caracterizados em Comparação com o Padrão da Portaria 518 do MINISTÉRIO DA SAÚDE, do Ensaio de Filtração a 1 bar Portaria Parâmetros Eficiência (%) AB M Analisados 518/MS Ausência SDT (mg/l) 79,3 36, Os dados apresentados na tabela indicam as eficiências de remoção: 96 % para cor verdadeira, 94 % para cor aparente, 95 % para a turbidez, 74 % para os compostos com absorção em UV-254 nm, 57 % para sólidos suspensos totais, 55 % sólidos dissolvidos totais e 100% de coliformes totais. Sendo o entupimento da membrana de 61,3 % ao longo de 170 minutos de operação de água bruta em relação à água desionizada. A Figura 4 representa as curvas de caracterização da membrana e do fluxo de permeado do ensaio de filtração com água bruta na pressão de operação de 2 bar. Na Tabela 2 estão apresentados os parâmetros analisados da água bruta e permeado com uma comparação com a Portaria 518 / MS. Fluxo de Permeado (Lh -1 m -2 ) Água Deionizada Água Bruta Tempo (min) Figura 4 Comportamento do Fluxo de Permeado pelo Tempo no Ensaio de Filtração a 1 bar. Cor Verdadeira Cor Aparente Turbidez (ut) 45,4 0,8 98 5,0 / 1,0 UV-254 nm (cm -1 ) 0,214 0, ph 7,82 7,79-6,0-9,5 Colif.Totais (UFC/100 ml) SST (mg/l) 12,7 6, Tabela 2 Parâmetros de Potabilidade Caracterizados em Comparação com o Padrão da Portaria 518 do MINISTÉRIO DA SAÚDE, do Ensaio de Filtração a 2 bar Portaria Parâmetros Eficiência (%) AB M Analisados 518/MS Ausência SDT (mg/l) 105,3 64, A Tabela 2 apresenta os parâmetros analisados da água bruta e do permeado, e suas eficiências de remoção que foram 95 % para cor verdadeira, 99 % para cor aparente, 98 % para a turbidez, 85 % para os compostos com absorção em UV-254 nm, 53 % para sólidos suspensos totais, 39 % sólidos dissolvidos totais e 100 % de coliformes totais. Sendo o entupimento da membrana de 89,3 % ao longo de 170 minutos de operação de água bruta em relação à água deionizada. Conclusões Com base nos resultados obtidos, em ambos os ensaios de filtração realizados, para as pressões de 1 e 2 bar, pode-se observar que o tratamento proposto foi adequado, para os parâmetros analisados, tornando a água tratada livre de coliformes totais e com os demais parâmetros analisados, dentro dos padrões estabelecidos pela Portaria 518 do MINISTÉRIO DA SAÚDE, apresentando porcentagens de remoção acima de 90 % dos parâmetros. Tais estudos possibilitaram a necessidade de um aprimoramento deste trabalho utilizando agentes coagulantes em uma etapa de coagulação/floculação antes da filtração, para a formação de flocos de sedimentação, diminuindo o fouling e melhorando ainda mais as porcentagens de remoção dos parâmetros analisados. Logo o tratamento mostrou-se de maneira satisfatória sendo de interesse econômico e qualitativo. Em termos de fluxo o ensaio de filtração a 1 bar apresentou vantagem em relação ao ensaio de filtração a 2 bar, pois o fouling foi menor para o primeiro.

5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA- AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION, 1995, Standard Methods for the Examination for Water and Wastewater. 19th ed., Washington. BABBITT, H.E., 1973, ABASTECIMENTO DE ÁGUA. EDITORA EDGARD BLÜCHER LTDA SÃO PAULO. GUIGUI, C., ROUCH, J.C., DURAND-BOURLIER, L., BONNELYE, V., APTEL, P., 2002, Impact of Coagulation Conditions on the in-line Coagulation/UF Process for Drinking Water Production. Els. Sc. Desalination, 147: KONRADT-MORAES, L. C. K., Estudo da coagulação-ultrafiltração para produção de água potável. Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Química/UEM, Maringá PR, Brasil, 135p. LEE, S. H., CHUNG, K. C., SHIN, M. C., DONG,J. I., LEE, H. S., AUH, K., H. Preparation of Ceramic Membrane and Application to the Crossflow Microfiltration of Soluble Waste Oil, Materials Letters, nº 52, p , Coréia do Sul, LEMANSKI, S.R., 2004, Purificação e Concentração do Extrato Aquoso de Stévia Rebaudiana Bertoni Através dos Processos com Zeólitas e Membranas. Tese de Doutorado. Departamento de Engenharia Química/UEM, Maringá, PR, Brasil. MINISTÉRIO DA SAÚDE (MS), Portaria 518, de 25 de Março de NAJM, I. M.; PATANIA, N. L.; JACANGELO, J. G.; KRASNER, S. W Evaluation surrogates for disinfection by produtcs. JAWWA, ORGANIZAÇÃO PAN-AMERICANA DA SAÚDE/ORGANIZAÇÃO MUNDIAL DA SAÚDE; Água e Saúde. 30/05/2001. isponível em < Acesso em 10 de abril de REVISTA MEIO AMBIENTE INDUSTRIAL, ano V, ed. 25, n. 24, Maio/Junho de SPINELLI, V. A., Quitosana: polieletrólito natural para o tratamento de água potável. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química), Universidade Federal de Santa Catarina UFSC, Florianópolis, Santa Catarina. AGRADECIMENTOS Ao CNPQ pelo financiamento do projeto.