Água para Consumo Humano - Perspectivas Gerais sobre as suas Características e o seu Tratamento

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1 a g o Água para Consumo Humano - Perspectvas Geras sobre as suas Característcas e o seu Tratamento LUÍS FLPE DA COSTA CABEDO E SMAS`. CUROSDADES HSTÓRCAS Desde os tempos mas remotos que a utlzação da água para o seu fm mas nobre, o consumo humano, tem sdo feta obedecendo a determnados cudados. Um texto médco apócrfo datado de 2000 A.C. refere que antes de se consumr água, esta devera ser fervda, ou aquecda ao sol, ou ntroduzndo-lhe um ferro em brasa ou então fltrá-la num leto de area. Estes dados mostram que desde muto cedo o Homem apercebeu-se que a água podera provocar doenças. Alexandre, o Magno, durante as suas conqustas aconselhava as suas tropas a beber apenas água fervda. Fo durante o mpéro Romano, que o abastecmento de água sofreu um grande desenvolvmento tecnológco. Os Romanos construíram captações de água (barragens, poços), aquedutos para efectuar o seu transporte e condutas em pressão fetas de chumbo ou terracota comprmda. Durante o percurso de transporte de água eram fetas bacas de retenção para a remoção de sóldos (decantação). A elevação da água fo outro aspecto que os Romanos desenvolveram utlzando parafusos de Arqumedes, noras, rodas e bombas rudmentares. A utlzação da água pelos Romanos atngu mesmo os aspectos lúdcos (banhos, jogos e fontes para decoração). Já no século, os caudas afluentes à cdade de Roma atngam valores de 3 m 3 /s, para uma população de cerca de um mlhão de habtantes. A queda do mpéro Romano e as nvasões bárbaras levaram a um retrocesso nos desenvolvmentos tecnológcos atngdos no tratamento e abastecmento de água para consumo humano. Só durante o Renascmento, e mas tarde com a Revolução ndustral e o consequente afluxo das populações ruras às cdades, surgu a necessdade de se desenvolverem sstemas de abastecmento de água e drenagem de águas resduas. Em meados do século XX, o médco John Snow conseguu relaconar um surto de cólera em Londres com a contamnação da água. Ao deslgar a bomba manual de um poço verfcou uma dmnução do número de casos de cólera, descobrndo posterormente que o problema estara num soldado recentemente chegado da Índa e alojado numa pensão cujos esgotos corram perto do referdo poço. Fo no níco do século XX, que se começaram a desenvolver sstemas de desnfecção da água em nglaterra e nos Estados Undos da Amérca, ntroduzndo-se a cloração nos sstemas de abastecmento. Até aos anos setenta, o tratamento efectuado na água tnha como prncpas objectvos obter uma água senta de mcroorgansmos patogéncos, sem turvação e qumcamente estável. Para tal utlzava-se o chamado tratamento convenconal que conssta numa pré-cloração, coagulação, sedmentação, fltração e cloração fnal. O desenvolvmento da ndústra com a crescente rejeção de efluentes nas lnhas de água, e do conhecmento centífco com a descoberta de subprodutos dos processos de desnfecção levou a que se procurassem novos processos de desnfecção da água (ozonzação, dóxdo de cloro ou radação ultravoleta). No fnal dos anos otenta com o crescente aparecmento de compostos cada vez mas complexos com efetos nefastos para a saúde públca surgram as fltrações com carvão actvado e as ultrafltrações como forma de assegurar que a população recebera uma água de qualdade. 2. PRNCPAS CARACTERÍSTCAS DAS ÁGUAS em: As águas podem ser classfcadas águas atmosfércas águas superfcas doces águas subterrâneas águas marnhas a) águas atmosfércas As águas atmosfércas são caracterzadas por serem saturadas em oxgéno e azoto e não conterem sas mneras dssolvdos. Podem em regões ndustralzadas serem um veículo de transporte de substâncas nocvas (ex: chuvas ácdas). b) águas superfcas As águas superfcas doces são os ros, lagos e albuferas. As águas dos ros (zona montante) são águas com elevada turvação, pequena contamnação bacterológca, baxa temperatura e baxos valores de cor. A zona jusante das águas dos ros, devdo a estarem geralmente junto de regões com elevada densdade populaconal e ndustral, apresenta contamnações sgnfcatvas aos níves bacterológco, orgânco e norgânco. A cor é também elevada dada a presença de algas e elevadas quantdades de matéra orgânca dssolvda. As águas dos lagos e albuferas são uma boa fonte de abastecmento de água potável (ex: Barragem de Castelo de Bode). Os lagos e albuferas funconam como grandes tanques de sedmentação, o que justfca os baxos valores de cor e turvação das suas águas. Estas águas podem sofrer ao longo do tempo uma perda de qualdade, já que o armazenamento de grandes quantdades de água favorece a decomposção da matéra orgânca e a dssolução de metas (ferro, manganês, cálco e magnéso). As característcas destas águas varam com a profunddade (tabela ). Ao longo do ano as varações são muto lentas, excepção feta a dos curtos períodos no ano, nos quas se dá um fenómeno denomnado turnover (mstura rápda das águas), que provoca um aumento brusco da turvação da água, explcado pela estratfcação de temperaturas no lago ou albufera. Durante o Verão as camadas superfcas das águas de um lago ou albufera aquecem mas rapdamente que as do fundo. No níco do Outono, o arrefecmento é mas rápdo superfcalmente provocando um aumento da densdade da água, que resulta na deslocação das camadas superfcas para o fundo. Durante o nverno ve- QUÍMCA

2 artgos rfca-se uma dmnução da temperatura de toda a massa de água. Na prmavera repete-se o processo, com o aquecmento mas rápdo das camadas superfcas. A camada de água mas fra denomnada hpolímno é caracterzada pelo seu baxo teor em oxgéno favorecendo-se por sso o surgmento de organsmos anaeróbos. A zona de mudança brusca de temperatura denomna-se metalímno, enquanto que a camada de água mas quente é o eplímno. A concentração de oxgéno dssolvdo é alterada nesta camada devdo aos processos de respração e fotossíntese das algas. Em determnadas condções (luz solar, temperatura e nutrentes - azoto e fósforo) pode dar-se um crescmento exagerado de algas e outras plantas de acordo com a segunte equação: 60 CO H NO PO H+C06H8045N6P (materal celular) , (eq. ) Quando temos a presença de elevados teores de materal celular, dz-se que o lago está eutrofzado. Nestas crcunstâncas, a água apresenta um aumento dos teores dos parâmetros organoléptcos (turvação, cor, chero e sabor). Exstem város graus de eutrofzação podendo os lagos serem classfcados em olgotrófco, mesotrófco e eutrófco, quando a concentração de células de algas por mlltro é de, , e , respectvamente. Tabela - Varação dos teores de determnados parâmetros, num lago, a dferentes profunddades Parâmetro c) águas subterrâneas A fltração natural que as águas subterrâneas sofrem no solo contrbu para a baxa turvação e a pratcamente nexstente contamnação bacterana. As águas subterrâneas apresentam também uma temperatura constante, um baxo índce de cor e um caudal constante. O contacto que estas águas sofrem com as formações rochosas pode contrbur para uma dureza elevada (presença de ões Cal+ e Mg 2+, prncpalmente). A baxa percentagem de saturação em oxgéno dssolvdo contrbu para que estas águas dssolvam metas, essencalmente ferro e manganês. d) águas marnhas As águas marnhas só em condções muto excepconas serão usadas para a produção de água potável, dados os elevados custos fnanceros necessáros para a dessalnzação da água. Estas águas são caracterzadas essencalmente por terem elevadas concentrações de sas mneras, que podem varar entre 7000 mg/ (Mar Báltco) a mg/ (Mar Vermelho e Golfo Pérsco). 3. TRATAMENTO DE ÁGUAS PARA CONSUMO HUMANO 3.. Operações de tratamento de águas destnadas a consumo humano Profunddade (m) Temperatura ( C) Saturação em 0 2(%) O ph Azoto (mg N/) Fósforo (mg P/) H,S (mg/) O O O 0 Fe elevado elevado Mn elevado elevado São város os procedmentos que se podem executar para adeguar uma água de determnadas característcas que permtam a sua utlzação para consumo humano. Será feta uma descrção desses procedmentos que depos se podem utlzar em conjunto ou solados, consoante as característcas da água a tratar Mcrotamsação A mcrotamsação consste em fazer passar a água num tambor consttuído por uma rede metálca com dmensões que varam entre 0.02 a 0.06 mm, que está parcalmente merso em água. Este tambor gra com uma velocdade que vara entre os 0.05 e 0.5 m/s. Utlza-se a mcrotamsação essencalmente para remoção de algas em águas superfcas destnadas ao consumo humano Coagulação A coagulação é um processo químco utlzado para remover colódes (partículas com dmensões nferores a 0 µm). Estes colódes podem ser óxdos metálcos, proteínas de grandes dmensões e mcroorgansmos. A maor parte das partículas colodas têm carga negatva, o que as mpede de se agregarem e poderem ser decantadas. Assm a ntrodução de um coagulante permte a sua destablzação fazendo com que se agreguem formando flocos de grandes dmensões. Os prncpas coagulantes utlzados são os sas de ferro e alumíno. Geralmente como adjuvantes deste processo são utlzados os chamados polelectróltos, que devdo às suas longas cadeas moleculares actuam com um mecansmo de formação de pontes nter-partículas. O processo químco de coagulação que ocorre com os sas metálcos de alumíno é o descrto pela equação 2. Al2(SO4)3 + 6H 20 2A 3+(OH - ) H (esq.2) A adção à água dos sas de alu míno lberta os ões Ala+ que neu 6 QUÍMCA

3 a r t g o s tralzam as partículas colodas (negatvas) favorecendo assm a sua coagulação. No entanto, são os hdróxdos de alumíno que resultam da lgação entre os ões A 3+ e OH-, que sendo nsolúves formam precptados, consttundo por sso coagulantes mas fortes Floculação Depos da destablzação provocada pelos mecansmos de coagulação, as partículas aglomeram-se formando flocos. Os mecansmos utlzados para promover o contacto entre as partículas são dos: movmento brownano (floculação percnétca ou natural) e a utlzação de forças exterores para promover esse contacto (floculação ortocnétca). Quando as partículas a flocular têm tamanhos superores a.tm a floculação percnétca é muto lenta pelo que se recorre à floculação ortocnétca que consste em provocar turbulênca na água utlzando, por exemplo, pás mecâncas Sedmentação Geralmente a fltração, rápda ou lenta, é um processo que se utlza com muta frequênca no tratamento de água. No entanto, só funcona com efcênca se a concentração de sóldos suspensos totas for nferor a 5X0-3 Kg/m 3. Recorre-se por sso à sedmentação coadjuvada pela coagulação-floculação para dmnur a concentração de sóldos suspensos totas. A sedmentação consste apenas em dexar depostar as partículas com uma massa específca superor à água. Este processo é tanto mas rápdo, quanto maor for o tamanho das partículas a depostar. A água sobrenadante obtda pode então segur no percurso de tratamento para um fltro, que afnará a sua qualdade em termos de sóldos suspensos Fltração A fltração é um processo físco que permte a remoção de sóldos suspensos e a redução do número de bactéras e outros organsmos, fazendo passar a água através de um meo poroso. Os letos destes fltros são geralmente de area podendo utlzar-se em smultâneo a antracte. Os fltros podem ser rápdos ou lentos, consoante a sua velocdade de fltração podendo ser utlzados soladamente ou em conjunto, consoante o objectvo pretenddo. No entanto, os fltros lentos estão a car em desuso, uma vez que são precsas áreas muto grandes para os mplantar. Contudo, estes fltros têm a vantagem de efectuar um tratamento bológco removendo bactéras e outros mcroorgansmos, o que não acontece nos fltros rápdos. Esta remoção acontece porque dada a baxa velocdade de fltração há formação de um boflme sobre o leto do fltro. Este boflme é consttuído por uma mstura de algas e bactéras ntrfcantes (camada autotrófca), que permtem a remoção do azoto, fósforo e lbertação de oxgéno, e por bactéras e outros mcroorgansmos (camada heterotrófca) que removem a matéra orgânca exstente na água. O mecansmo de fltração pode ser descrto como uma combnação de alguns fenómenos, estando descrtos a segur os mas mportantes: separação mecânca, que consste na remoção das partículas com dmensões superores aos poros dos fltros sedmentação, que consste na deposção das partículas com tamanho nferor aos poros na superfíce dos grãos de area por um processo semelhante ao ocorrdo na sedmentação adsorção do materal em suspensão actvdade químca, em que mpurezas são decompostas noutras nsolúves, e consequentemente removdas actvdade bológca, que consste na utlzação de matéra orgânca exstente na água por mcroorgansmos Amacamento As águas podem classfcar-se em: águas muto duras (dureza superor a 300 nmg/ de CaCO 3 ) águas duras (dureza entre mg/ de CaCO 3 ) águas moderadamente duras (dureza entre mg/ de CaCO 3 ) águas macas ou brandas (dureza nferor a 75 mg/ de CaCO 3 ) Quando uma água tem uma dureza elevada (superor a 50 mg/), pode-se recorrer ao amacamento ou abrandamento da água, que consste na remoção total ou parcal dos ões Cal+ e Mg2+. A necessdade de efectuar esta redução da dureza prendese com alguns nconvenentes das águas duras que são o aumento do consumo de sabão nas lavagens e a precptação dos ões Cal+ sob a forma de carbonato de cálco (CaCO 3 ), nas condutas de dstrbução da água. O amacamento da água pode ser efectuado medante a utlzação de dos processos:. precptação químca, que consste na adção de um composto (cal, carbonato de sódo, soda cáustca) à água, que promova a formação de precptados de carbonato de cálco e de hdróxdo de magnéso. Ca(HCO 3 ) 2 + Ca0 <=> 2CaCO 3.l- + H Z O (eq. 3) 2. permuta ónca, que consste em fazer passar a água por uma resna permutadora de ões que retra os ões Cal+ e Mg 2+, trocando-os por ões Na+. A resna depos é regenerada fazendo passar contracorrente uma solução concentrada de NaC Remoção de ferro e manganês A presença destes metas na água deve ser evtada não por razões de saúde públca, pos o ferro é um elemento essencal para o meta- QUÍMCA

4 a r t g o s bolsmo humano, mas sm por razões estétcas. Além de conferrem um gosto desagradável à água, mancham os tecdos durante as lavagens e provocam a formação de precptados nas condutas de dstrbução da água, favorecendo o desenvolvmento de ferrobactéras (massa gelatnosa causadora de um aumento de turvação da água). O mecansmo de remoção consste em transformar formas solúves destes metas (Fe 2 + e Mn 2+) em formas nsolúves (Fe 3+ e Mn 4+). Tal consegue-se promovendo-se uma oxdação por arejamento, por exemplo, segudo de urna decantação e fltração para a remoção dos precptados formados segundo as equações químcas seguntes: 4Fe H 2 0 r=> 4Fe(OH) 3 + 8H+ (eq. 4) 6Mn H 2 O t=> 6Mn H+ (eq. 5) Establzação Mutas destas operações de tratamento, como é vsível nas equações apresentadas podem alterar o ph da água, sendo necessáro por vezes ajustá-lo para que a água não sreja nem agressva nem ncrustrante. A correcção da agressvdade pode ser efectuada fazendo a água passar por um leto de brta calcára, elmnando o CO 2 em excesso transformando-o em hdrogenocarbonatos solúves (HCO 3 - ) CaCO 3 + CO2 + H 2O b Cat+ + 2HCO 3 - (eq. 6) ou então, por adção de cal vva ou apagada ou carbonato de sódo, por exemplo. Ca0 +2CO 2 + H 2 0 <=> Ca(HCO 3 ) 2 (eq. 7) Ca(OH) 2 + 2CO 2 <=> Ca(HCO 3 ) 2 (eq. 8) Na 2 CO 3 + CO 2 + H 20 t=> 2NaHCO 3 (eq. 9) Quando uma água é ncrustrante consegue-se a dmnução de ph medante a adção de ácdo carbónco (recarbonatação), ou então acdfcando com os ácdos sulfúrco ou clorídrco (acdfcação) Desnfecção A desnfecção será porventura a operação comum a todos os esquemas de tratamento de água, ndependentemente das suas característcas e orgem. A necessdade de elmnar os possíves mcroorgansmos patogéncos que a água possa transportar levou a que váras tecnologas de desnfecção fossem desenvolvdas. Actualmente, as tecnologas de desnfecção de águas mas usadas são as que utlzam o cloro (nas suas dversas formas), ozono e radação UV. O cloro é o agente desnfectante mas utlzado em todo o Mundo (cerca de 80% das desnfecções). As grandes desvantagens deste agente são a formação de compostos organoclorados (trhalometanos, que são compostos potencalmente cancerígenos), a formação de clorofenós que provocam odores desagradáves e o facto de não ser sufcentemente forte para elmnar, por exemplo, os vírus. O cloro pode ser utlzado nas formas gasosas (C 2 ), hpoclortos de sódo e cálco (NaOC e Ca(OCl) 2 ) e dóxdo de cloro (CO 2 ). As reacções das dversas formas de cloro com a água estão esquematzadas nas equações seguntes: C 2 + H 20 HOC + Cl - + H+ (eq. 0) Na0C + H 2 0 ) HOC + Na+ + OH - (eq. ) Ca(OCl) 2 + H 20 2HOC + Na H - (eq. 2) O ácdo hpocloroso (HOC) decompõe-se segundo a segunte equação: HOC <=> OCl - + H+ (eq. 3) Tanto o ácdo hpocloroso (HOC) como o ão hpoclorto (OC - actuam como desnfectantes, sendo no entanto, o prmero cerca de 80 vezes mas efcente do que o segundo. Esta dssocação do ácdo hpocloroso é dependente do ph da água. Assm, quanto mas alcalna é uma água menor é a capacdade de desnfecção já que o grau de dssocação da equação 7 é muto elevado. O cloro permte a manutenção de um resdual que garante a elmnação de eventuas contamnações que possam surgr no percurso de dstrbução da água. A presença da amóna (NH 4 -'-) na água promove a formação de cloramnas ao reagr com o HOC: NH4+ + HOC > NH 2C + H 20 + H+ (eq. 4) NH 2C + HOC NHC2 + H20 (eq. 5) NHCl2 + HOC > NC 3 + H 20 (eq. 6) Assm, temos a formação respectvamente, de monocloramnas (NH2C), dcloramnas (NHC z ) e trcloramnas (NC 3 ). As monocloramnas e dcloroamnas também têm poder desnfectante, embora mas fraco que o ácdo hpocloroso e o ão hpoclorto. No entanto, o seu poder desnfectante é muto duradouro pelo que nalgumas estações de tratamento é adconada juntamente com o cloro, a amóna. O ozono tem propredades oxdantes muto fortes e uma vez que não provoca nem odores nem sabores tem sdo utlzado em substtução do cloro, embora seja uma técnca de desnfecção mas cara. Outras vantagens do ozono são a possbldade de se combnar com o ferro e manganês formando-se hdróxdos nsolúves, mas fáces de remover; a capacdade de neutralzar compostos tóxcos corno canetos e fenós e a sua elevada reactvdade com compostos orgâncos. O ozono em combnação com carvão actvado permte reduzr cor, chero, sabor e mcroorgansmos utlzando doses de mg/, com tempo de contacto de 0 mnutos. Além de ser urna tecnologa mas dspendosa, o ozono não dexa um resdual, pelo que para prevenr o aparecmento de mcroorgansmos durante a dstrbução de água pode fazer-se uma cloragem de baxos níves. Se uma água contver brometos a utlzação de ozono, orgna a formação de 8 QUÍMCA

5 a r t bromatos, composto este que segundo a Organzação de Mundal de Sande (O.M.S.) é carcnogenco. A O.M.S. também refere que este composto não deve estar na água em concentrações superores tg/. A remoção do bromato só pode ser feta utlzando uma fltração com membrana, que é também muto dspendosa. A outra alternatva em termos de desnfecção de águas é a radação UV. Consegue-se com lâmpadas que emtem radação de comprmentos de onda que varam entre os 250 e 265 nm. Estas lâmpadas encontramse dentro de câmaras de aço noxdável. É um método realmente efectvo, mas só pode ser usado em sstemas de dstrbução muto pequenos em que a probabldade de contamnação seja muto pequena, podendo também ser utlzado ao nível doméstco Esquemas de tratamento de águas destnadas a consumo humano Geralmente e salvo determnadas excepções, a água exstente na Natureza que é utlzada para consumo humano, tem que sofrer um esquema de tratamento adequado às suas característcas, que podem ser determnadas medante a sua análse. As águas utlzadas para abastecmento são na esmagadora maora águas superfcas doces e águas subterrâneas. Segudamente serão apresentados alguns esquemas possíves de tratamento de águas subterrâneas, que dadas as suas característcas exgem tratamentos pouco complexos. O esquema da fgura será para uma água que naturalmente possua boas característcas, sendo necessára apenas uma desnfecção como prevenção para eventuas contamnações que possam surgr no percurso de dstrbução. Como fo referdo no ponto 2, as águas subterrâneas dssolvem metas com muta facldade pelo que a sua remoção poderá ser feta com o tratamento esquematzado na fgura 2. Na fgura 3, o tratamento esquematzado destna-se a uma água muto dura, sto é, com elevadas concentrações de cálco e magnéso. As águas superfcas têm um esquema de tratamento mas complexo dos quas se apresenta um exemplo de tratamento de água de uma albufera ou lago, tendo em vsta o consumo humano (fgura 4). Estes esquemas de tratamento consstem em váras operações que devem ser defndas de acordo com as característcas da água a utlzar para abastecmento. Durante a dstrbução a água POÇO OU FURO DSTRBUÇÃO ANALSE DA AGUA J DESNFECÇÃO ANALSE DA AGUA Fg. - Desnfecção da água captada POÇO OU FURO AREJAMENTO OU DESGASEFCAÇÃO MOO- f FLTRAÇÃO f ANALSE DA ÁGUA DESNFECÇÃO C ANALSE DA ÁGUA DSTRBUÇÃO Fg. 2 - Remoção de ferro e manganês QUÍMCA

6 artgos COAGULAÇÃO y FLOCULAÇÃO y SEDMENTAÇÃO ( P OÇO OR FURO NO. ARE'.AMENTO OU DESGASEFCAÇÃO ÍRECARBONA'ACÃO ANÁLSE DA AGRA J ANÁLSE DA AGRA Í ' solop. DSTRBUÇÃO DESNFECÇÃO Fg. 3 - Abrandamento por precptação CARVÃO ACTVADO ANALSE DA ACUA J VAGO OC ALBUFFRA F LOCR. AÇÃO r COAGL.AÇÀO PRE DESNFECÇÃO / fdesnfecção MCROTAMZAÇÃO n sompllo. SEDMENTAÇÃO FLTRAÇ AO =>-., f RESERVA DE AGRA CARVÃO ACTVADO CORRECÇÃO DE ph DSTRBTC AO ANALSE D A AGUA Fg. 4 - Tratamento de água de um lago ou albufera deve ser analsada com a frequênca estabelecda no dploma legal crado para o efeto (Decreto-Le 74/90, de 7 de Março). Neste dploma constam os parâmetros a analsar consoante a orgem da água e o fm a que se destna (recreatvos, pscícolas, rega, consumo humano e águas resduas); os valores máxmos recomendáves (VMR) e admssíves (VMA) e no caso da água se destnar ao consumo humano o número e a frequênca das análses a realzar de acordo com o número de consumdores a abastecer. 4. CONCLUSÃO Para que se possa fazer um correcto tratamento de uma determnada água destnada ao consumo humano, além de um conhecmento profundo de todos os fenómenos físcos e químcos que estão envolvdos nas dferentes operações de tratamento, é necessáro que a Estação de Tratamento de Água (ETA) tenha sdo correctamente dmensonada. É por esta razão, que pessoalmente acredto na necessdade da consttução de equpas plurdscplnares que permtam uma abordagem de todos os problemas relaconados com o tratamento da água e com a construção das nfraestruturas suportes da ETA. Técnco Superor dos Servços Muncpalzados de Santarém, lcencado em Boquímca, Pós - Graduado em Qualdade da Água e Controlo de Polução pela Unversdade de Combra - Servços Muncpalzados de Santarém Praça Vsconde Serra do Plar 2000 SANTARÉM (tel: ; fax: ) BBLOGRAFA N. F. Gray, Drnkng Water Qualty - problems and solutons, John Wley & Sons, 996 J. M. Vera, Tratamento de Água de Abastecmento, Apontamentos para o Mestrado em Hdraúlca e Recursos Hídrcos da Unversdade de Combra, 997 Decreto-Le 74/90, 7 de Março 20 QUÍMCA