II AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA - DESVENDANDO O REAL

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1 II AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA - DESVENDANDO O REAL Rafael K.X. Bastos (1) Engenheiro Civil, Universidade Federal de Juiz de Fora. Especialização em Engenharia de Saúde Pública, ENSP/FIOCRUZ. Ph.D. em Engenharia Sanitária, University of Leeds, UK. Professor e pesquisador do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Viçosa (UFV). Chefe do Serviço de Tratamento de Água da UFV. Lídia C. Vargas Engenheira Sanitarista. Assessora de Tratamento de Água para Consumo Humano - Centro Panamericano de Ingeniería Sanitária y Ciências del Ambiente - CEPIS. Sando S. Moysés Engenheiro Civil, UFV. Helen C.A. Silva Graduanda em Engenharia Civil, UFV. Endereço (1) : Universidade Federal de Viçosa - Departamento de Engenharia Civil - Viçosa - MG - CEP: Brasil - Tel: (31) rkxb@mail.ufv.br RESUMO A importância da avaliação de desempenho de estações de tratamento de água é ilustrada com resultados parciais de dois estudos de caso. Parâmetro de floculação e decantação, determinados em laboratórios, são comparados com os correspondentes valores teóricos e de funcionamento real das estações. Os resultados permitem a visualização de falhas hidráulicas (má distribuição de fluxo, curto-circuitos, etc) que podem comprometer o desempenho dos processos unitários de tratamento. O diagnóstico das estações é analisado em conjunto com a avaliação da eficiência do tratamento (remoção de turbidez), subsidiando a identificação de medias corretivas e de otimização necessárias e, ou, recomendáveis. PALAVRAS-CHAVE: Qualidade da Água, Estações de Tratamento, Avaliação de Desempenho. INTRODUÇÃO A produção de água de boa qualidade depende de um bom controle operacional dos diversos processos unitários de tratamento, o que nem sempre é observado, mesmo que se trate de controle de rotina (FNS/ASSEMAE, 1995; MOITA, 1993). Além disso, o desempenho de uma estação de tratamento de água (ETA) depende, inicialmente, de uma seleção adequada da tecnologia de tratamento e de um projeto criterioso, acompanhados da disponibilidade de recursos humanos e materiais que propiciem uma boa rotina de operação. Na avaliação de desempenho de uma ETA, essencialmente busca-se aferir a adequação e eficiência dos diversos processos unitários de tratamento. Genericamente, devem ser analisados os fatores hidráulicos e operacionais que poderiam concorrer pra um desempenho insuficiente, tais como: possíveis falhas de projeto, discrepância entre parâmetros ótimos, de projeto e de funcionamento real, a capacidade instalada de operação e controle (recursos humanos e materiais) e o efetivo controle operacional realizado. Torna-se, assim, nítida a importância da avaliação de desempenho de ETA s, seguida da otimização dos processos de tratamento, com o objetivo de garantir a produção sistemática de água de boa qualidade, ao menor custo possível e, em última instância, promover a saúde pública. Neste trabalho são apresentados os resultados da avaliação de desempenho de duas ETA s no Estado de Minas Gerais, com base na metodologia proposta pelo CEPIS (1992). As duas estações empregam o tratamento convencional completo: mistura rápida (Calhas Parshall), floculação hidráulica, decantação, filtração rápida descente e desinfecção por cloração, com as seguintes particularidades: ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 ETA I: floculação com seis câmaras e orifícios retangulares de passagem dispostos, alternadamente, nos bordos inferiores esquerdo e superiores direto; conexão entre o floculador e o decantador através de tubulação de ferro fundido, diâmetro decantador circular com alimentação central e fluxo radial; dois filtros rápidos. ETA II: duas séries de floculadores: uma com oito câmaras conectadas através de curvas de 90 o raio curto em ferro fundido e 60 cm de diâmetro, dispostas nas bordas inferiores das paredes em lados alternados; outra com sete câmaras conectadas com curvas de 50 cm de diâmetro alinhadas no fundo e ao centro das paredes; alimentação do decantador através de canal; dois decantadores retangulares em paralelo; quatro filtros rápidos. A ETA I trata cerca de 50 l/s com períodos de operação médios diários de oito horas; a ETA II é operada por 24 horas, com vazões oscilando aproximadamente, entre 140 e 200 l/s, respectivamente durante os períodos noturno e diurno. METODOLOGIA Determinação dos Parâmetros Ótimos e Reais Através de ensaios de laboratórios (Jar-test), com base nos valores típicos de turbidez da água bruta em épocas de estiagem e chuvas, foram determinados os seguintes parâmetros ótimos: concentração do coagulante, ph e dosagem de coagulante, gradientes de velocidade e tempo de detenção hidráulico de floculação, velocidade de sedimentação. Com base na análise dos projetos das ETA s, complementada por medições de campo, foram levantados e, ou, determinados parâmetros teóricos e, ou reais de funcionamento, tais como: tempos teóricos de detenção hidráulico, gradientes de velocidade, taxas de aplicação superficial dos decantadores, etc. Ensaios in loco, permitam a calibração de vazões e determinação de distribuição de fluxo, a determinação dos tempos reais de detenção hidráulico (ensaios com traçadores), etc. Tais resultados, analisados vis-a-vis com a sistematização de dados de monitoramento da qualidade da água, permitem uma avaliação detalhada da eficiência dos processos unitários de tratamento, além do desempenho global do sistema. RESULTADOS E DISCUSSÃO Avaliação Hidráulica Nas Tabelas 1 e 2 encontram-se, respectivamente, as características hidráulicas das Calhas Parshall e o desenvolvimento dos gradientes de velocidade ao longo do processo de tratamento. Na Tabela 1, os parâmetros teóricos referem-se a situação esperada em função das dimensões das calhas (RICHTER e AZEVEDO NETTO, 1991). Os gradientes de velocidade (G) recomendados para a mistura rápida devem situar-se entre s -1 ; gradientes da ordem de s -1 já podem prejudicar a desestabilização das partículas (CEPIS, 1992). Por outro lado, para que ocorra um ressalto hidráulico estável na Calha Parshall, o número de Froude deve situar-se na faixa de 2 a 3, o que, entretanto não é fácil de ser obtido (DI BERNARDO, 1993). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Tabela 1: Características hidráulicas das Calhas Parshall. Parâmetro ETA I ETA II Teórico Real Qmin (151us) Qmax (208 l/s) Teórico Real Teórico Real H0 (cm) 29,00 28,50 45,00 45,00 55,00 55,00 H1 (cm) 16,00 12,10 26,00 33,54 34,00 41,54 H2 (cm) 34,00 22,10 47,00 16,75 55,00 28,40 H3 (cm) 30,00 7,20 43,00 13,90 51,00 19,21 Hf (cm) 7,00 28,90 9,60 38,70 12,00 43,39 F 1,80 2,00 1,60 1,40 1,40 1,30 TDH (s) 0,77 0,41 0,39 0,14 0,33 0,15 G (s -1 ) 737, , , , , ,00 Hi: Alturas de lâmina; Hf: perda de carga; F: número de froude; TDH: tempo de detenção hidráulica; G: gradiente de velocidade. Tabela 2: Gradiente de velocidade. Gradiente de velocidade (s 1 ) Unidade ETA I ETA II Qmin (162 l/s) Qmax (208 l/s) Calha Parshall Calha Parshall/Floc Floculador Floc.I(112,20 l/s) Floc.II(49,80 l/s) Floc.I(131,0 l/s) Floc.II(77 l/s) Câmara 1 28,7 31,49 12,62 26,46 24,82 Câmara 2 25,2 17,42 7,72 27,72 27,63 Câmara 3 26,2 13,52 9,30 24,31 27,55 Câmara 4 26,5 20,39 10,25 26,20 22,31 Câmara 5 29,2 20,30 10,57 20,55 22,35 Câmara 6 18,0 20,34 8,03 22,80 19,13 Câmara 7-14,87 11,38 19,06 26,06 Câmara 8-13,12-14,18 - Floculador/dec. 15, Cortina distrib./dec. 27, Qmin, max: valores próximos aos extremos na rotina de operação da ETA II. Aparentemente os gradientes nas gargantas das calhas são demasiadamente elevados. Entretanto, detalhes construtivos da calhas nas duas ETA s, acabam por provocar um rebaixamento das lâminas (Figura 1) e um deslocamento do ressalto para jusante, provocando nestes pontos gradientes de 1203 s -1 e s -1, respectivamente, nas ETA s I e II (Tabela 2); são estes, portanto os pontos mais adequados para a aplicação do coagulante. O rebaixamento das lâminas, mascara, superestimando as perdas de carga e, por conseguinte, os gradientes acumulados na garganta das calhas. Na Tabela 3, encontram-se resumidas as características hidráulicas dos floculadores. Observa-se que o floculador da ETA I apresenta um bom desempenho hidráulico: tempos de detenção teórico e real próximos, com algum curto-circuito, e predominância de fluxo em pistão. Na ETA II, pode-se dizer que em termos de tempo detenção hidráulico as duas séries não apresentam maiores problemas; entretanto, o processo de floculação possa ver-se prejudicado pela ocorrência de espaços mortos, curto-circuitos e elevadas porcentagens de fluxo em mistura completa, sendo estes fenômenos mais acentuados no floculador I. Entretanto, os gradientes de velocidade na ETA II mostram-se nitidamente inadequados, como resultado conjunto da má distribuição de vazões e dimensões inapropriadas das passagens entre as câmaras. Em resumo, o processo de floculação na ETA II demanda otimização hidráulica. Na Tabela 4, apresenta-se as principais características hidráulicas dos decantadores. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Tabela 3: Características hidráulicas dos floculadores. ETA I ETA II Parâmetro Qmin (162 l/s) Qmax. (208 l/s) Teórico Real Floc. I (112,2 l/s) Floc. II (49,8 l/s) Floc. I (131,0 l/s) Floc. II (77,0 l/s) Teórico Real Teórico Real Teórico Real Teórico Real TDH (min) 32,6 28,0 31,9 37,0 59, ,4 25,0 33,0 39,8 G (s -1 ) - 33,2-18,1-11,4-26,9-26,1 Fluxo pistão 64 52,7 60,2 50,9 57,6 (%) Fluxo mist ,3 39,8 49,1 42,4 completa (%) Zonas mortas 9 61,7 17,4 53,3 5,1 (%) Teórico: parâmetros determinados com base nas dimensões das unidades; mais real: parâmetros determinados a partir de ensaios com traçadores; TDH: tempo de detenção hidráulico; G: gradiente de velocidade. Tabela 4: Características hidráulicas dos decantadores. ETA I ETA II Parâmetro Qmin. (138 l/s) Qmax. (208 l/s) Teórico Real Dec. I (91 l/s) Dec. II (47 l/s) Dec. I (97 l/s) Dec. II (111 l/s) Teórico Real Teórico Real Teórico Real Teórico Real TDH (h) 4,10 2,75 2,4 2,1 4,7 3,2 2,2 1,4 2,0 1,1 Tx ,8 40,9 19,4 26,5 39,2 61,4 45,8 78,1 (m 3 /m 2.dia) q (1/s.m) 0,98 1, Fluxo pistão 50 52,0 40,0 55,8 47,0 (%) Fluxo mist ,0 60,0 44,2 53,0 completa (%) Zonas 51 38,0 20,0 10,4 5,0 mortas (%) Qmin, max: valores próximos aos extremos na rotina de operação da ETA II; TDH: tempo de detenção hidráulico; Tx: taxa de aplicação superficial; q: vazão de coleta nos vertedouros de saída. Na ETA I, observa-se uma elevada ocorrência tanto de curto-circuitos quanto de zonas mortas, revelando uma péssima distribuição do fluxo radial, o que é reforçado pela discordância entre os valores real e teórico de vazão de coleta nos vertedouros. De certa forma, o mesmo se aplica a ETA II, somado à grandes oscilações de desempenho hidráulico, muito provavelmente devido à má distribuição de vazões entre os decantadores. Análise Comparativa entre Parâmetros Ótimos e Reais Ensaios de laboratório utilizando águas com turbidez em torno de 60 UNT, indicaram os seguintes parâmetros ótimos para a ETA I: tempo de floculação de 15 minutos, gradientes de floculação entre s -1 ; taxa de aplicação de 30 m 3 /m 2.dia para a obtenção de um efluente do decantador de 5 UNT. O tempo de detenção teórico do floculador é de 35 minutos e o real de 25 minutos; portanto, a unidade encontra-se superdimensionada, apresentando folga considerável de tempo de floculação. Os gradientes de velocidade das câmaras de floculação são inferiores aos ótimos de laboratório; entretanto os gradientes nos orifícios de passagem são bastante elevados (dados não incluídos) e o gradiente médio do floculador mostra-se adequado. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 De forma análoga, o decantador encontra-se superdimensionado e, mesmo com a precária distribuição de fluxo (curto-circuito e zonas mortas) a taxa de aplicação real permanece próxima à ótima determinada. Para a ETA II, foram realizados ensaios com faixas de turbidez de UNT e UNT. Em linhas gerais, os parâmetros ótimos foram determinados como: tempo de floculação entre minutos, gradientes de floculação entre s -1 e taxa de aplicação entre m 3 /m 2.dia. Conclui-se, pois, que os tempos de floculação reais das duas séries de floculação, em geral, são suficientes, apesar dos problemas hidráulicos já mencionados. Entretanto, a determinação dos parâmetros ótimos revela claramente que os gradientes de floculação reais são bastante reduzidos. Assim como na ETA I, na ETA II, apesar das deficiências hidráulicas (má distribuição de fluxo e curto-circuito), as taxas reais de aplicação, mesmo para as máximas vazões, permanecem próximas aos valores ótimos determinados. Avaliação da Eficiência do Tratamento Em virtude do maior volume de informações disponíveis e sistematizadas, as discussões a seguir concentramse, principalmente, na avaliação da ETA I. Dados da água bruta de 1998 e 1999 revelaram que a turbidez média no período de estiagem é da ordem de 8,80 UNT e a do período de chuvas em torno de 19,40 UNT, o que sugere a possibilidade da adoção de filtração direta nos períodos de estiagem. Na Figura 1, encontram-se ilustradas as variações sazonais de tubidez da água bruta em ,14 27,52 19,48 20 Turbidez (NTU) ,65 7,37 9,29 8,54 6,35 6,04 10,26 15, Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Mês Figura 1: Turbidez de água bruta. Valores médios mensais, O traçado da curva de freqüência da turbidez da água decantada permite identificar abaixo de 5 UNT, o que sugere um bom desempenho do decantador (Figura 2). Durante os períodos de estiagem, a eficiência de remoção de turbidez variou de 60% a 70%, e nos períodos de chuva de 70% a 80%, reforçando a sugestão que o processo de floculação/decantação pode ser dispensável no primeiro período (Tabela 5). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 FREQUÊNCIA ACUMULADA(%) TURBIDEZ (UNT) Figura 2: Curva de freqüência da água decantada, Tabela 5: Eficiência de remoção de turbidez, %). Mês Turbidez média Eficiência de remoção (%) Bruta Decantada Filtrada Decantação Filtração Janeiro 26,14 5,36 0,70 79,50 86,94 Fevereiro 9,00 3,04 0,40 66,22 86,84 Março 27,52 4,67 0,30 83,03 93,58 Abril 10,65 3,15 0,30 70,42 90,48 Maio 7,37 2,75 0,31 62,69 88,73 Junho 9,29 3,26 0,23 64,91 92,94 Julho 8,54 3,36 0,20 60,66 94,05 Agosto 6,35 2,39 0,25 62,36 89,54 Outubro 6,04 1,93 0,28 68,05 85,49 Setembro 10,26 2,17 0,35 79,14 83,64 Novembro 19,48 4,70 0,44 75,87 90,64 Dezembro 15,35 4,35 0,34 71,66 92,18 Anual 13,00 3,43 0,34 70,36 89,59 A eficiência de remoção de turbidez na filtração variou de 84% a 94%, o que demonstra uma certa instabilidade do processo. De toda sorte pode-se observar que os valores de turbidez da água filtrada são sistematicamente baixos (Tabela 5 e 6). Tabela 6: Freqüência de dados de turbidez da água filtrada abaixo de valores recomendados, Mês < 0,2 UNT < 0,5 UNT < 1,0 UNT Janeiro 7,1 69,7 93,9 Fevereiro 19,3 78,3 85,5 Março 4,6 93,8 100,0 Abril 11,3 96,8 100,0 Maio 1,6 95,3 100,0 Junho 39,6 98,9 100,0 Julho 36,7 97,2 100,0 Agosto 28,2 93,2 98,1 Setembro 13,1 88,8 98,1 Outubro 16,7 84,3 100,0 Novembro 5,1 69,2 91,0 Dezembro 22,9 88,0 98,8 Média anual 17,2 87,8 97,1 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Com raras exceções, o processo de filtração não atende ao padrão de potabilidade ( 1,0 UNT), vigente no Brasil (Brasil, 1990). Também foram parcial e significativamente satisfeitas as metas de filtração para uma desinfecção eficiente de vírus ( 0,5 UNT) (OMS, 1995) e, apenas razovelmente, as recomendações para uma remoção eficiente de protozoários no próprio processo de filtração (95% 0,3 UNT) (EPA); neste caso, cerca de 58% dos dados de 1999 permaneceram abaixo de 0,3 UNT. Os poucos dados disponíveis da ETA II revelam uma deficiência considerável do processo de filtração e uma deterioração significativa do efluente dos filtros durante o período de chuvas e elevação da turbidez da água bruta (Figuras 3 e 4). tur bi de z (N TU ) Out/99 Nov/99 Dez/99 Jan/00 Figura 3: Médias mensais da turbidez da água bruta no período de outubro 1999 a janeiro de tub ide z (NT U) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Out/99 Nov/99 Dez/99 Jan/00 Figura 4: Médias mensais da turbidez da água tratada no período de outubro de 1999 a janeiro de CONCLUSÕES A avaliação de desempenho de Estações de Tratamento de Água, constitui, de fato, um ferramenta poderosa na identificação de falhas de processo e, ou, operacionais, com vistas à adequação e otimização do processo de tratamento. Os resultados incluídos nestes estudos de caso ilustram bem tal afirmação. A comparação entre os parâmetros reais, de projeto e, ou, teóricos dos diversos processos unitários revelaram disparidades, indicando problemas hidráulicos de funcionamento das ETA s. Em relação à ETA I, de início, constatou-se que a calha Parshall não promove uma boa mistura; os resultados sugerem a mudança do ponto de aplicação à jusante da garganta e, ou, experimentos com a introdução de stop-logs de maneira a provocar a ocorrência de ressalto adequado. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 Ensaios de laboratório permitiram detectar que os floculadores encontram-se superdimensionados. Já o decantador apresenta uma taxa de aplicação superficial próxima ao valor ótimo determinado. Entretanto, foram detectados grandes volumes de zona morta e a ocorrência significativa de curtos circuitos. Cabe destacar que os parâmetros ótimos foram levantados a partir da realização de ensaios com turbidez de cerca de 60 UNT. Há que se repetir os ensaios para valores mais reduzidos de turbidez, compatíveis com a qualidade da água bruta em períodos de estiagem. Apesar das falhas hidráulicas detectadas, tanto a decantação quanto a filtração revelaram-se bastante eficientes na remoção de turbidez. Isto sugere que pode haver uma certa folga nos parâmetros da decantação (velocidade de sedimentação), principalmente em época de estiagem, o que deverá ser verificado em ensaios de laboratório. Outra explicação reside no fato reconhecido de que a granulometria dos filtros é por demais fina. Provavelmente graças a isso e a baixa turbidez da água bruta, o sistema apresenta um bom desempenho global. Finalmente, a análise dos resultados revela que o processo de filtração deve ser otimizado, o que desponta como plenamente viável através de rígido controle operacional. Há ainda que destacar que os dados de variação anual da turbidez da água bruta, sugerem a possibilidade de adotar a filtração direta em períodos de estiagem. Quanto à ETA II, as deficiências hidráulicas mostram-se mais sérias, com destaque para a inadequação dos gradientes de floculação e a má distribuição de fluxo entre os decantadores, o que requer intervenção corretivas. A água afluente à ETA II apresenta variações sazonais de turbidez bem mais acentuadas e os poucos dados disponíveis sobre a eficiência do tratamento revelam uma certa vulnerabilidade do sistema. Tonam-se, portanto, nítidas as necessidades de correções hidráulicas na ETA e um melhor controle operacional. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NB 592 Projeto de Estação de Tratamento de Água para Abastecimento Público. Rio de Janeiro. ABNT, 1989, 17p. 2. CENTRO PANAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y CIENCIAS DEL AMBIENTE CEPIS. Plantas de Tecnologia Apropriada. Paises en desarollo. Evaluacion. Programa Regional HPE/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano (Tomo 1, Manual 4). CEPIS, Lima, Peru, 1993, 120p. 3. DI BERNARDO, L. Métodos e técnicas de tratamento de água. Vol.1. Rio de Janeiro: ABES, p. 4. FUNDAÇÃO NACIONAL DE SAÚDE FNS, ASSOCIAÇÃO NACIONAL DOS SERVIÇOS DE MUNICIPALIDADE DE SANEAMENTO ASSEMAE. Diagnóstico nacional dos serviços municipais de saneamento. Brasília: FNS/ASSEMAE, MOITA, F.R H.S. Dados Fundamentais. Bio, n.2, p.10-12, RICHTER, C.A.; AZEVEDO NETTO, J.M. Tratamento de Água, Tecnologia Atualizada. São Paulo; Edgard Blucher, p. 7. VIANNA, M.R. Hidráulica Aplicada às Estações de Tratamento de Água. Belo Horizonte; Imprimatur, p. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8