TRATAMENTO DIRETO DE ÁGUA PARA ABASTECIMENTO POR ULTRAFILTRAÇÃO

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1 II-Mierzwa-Brasil-1 TRATAMENTO DIRETO DE ÁGUA PARA ABASTECIMENTO POR ULTRAFILTRAÇÃO José Carlos Mierzwa (1) Professor no Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP), doutor em Engenharia Sanitária pela EPUSP, mestre em Ciências pelo IPEN/CNEN-SP USP, e Coordenador de Projetos do Centro Internacional de Referência em Reúso de Água. Mauricio Costa Cabral da Silva Engenheiro Civil pela Universidade Anhembi Morumbi. São Paulo/SP.. Mestrando pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Assessor Técnico do Centro Internacional de Referência em Reúso de Água-CIRRA. Luana Di Beo Rodrigues Engenheira de Produção pela Faculdade de Engenharia Industrial - FEI de São Bernardo do Campo. Especialista em Gestão e Tecnologias Ambientais pelo Programa de Educação Continuada da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Assessora Técnica do Centro Internacional de Referência em Reúso de Água-CIRRA Camilo Fragoso Giorgi Estagiário na Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica e aluno de Engenharia Ambiental na Universidade de São Paulo, participante no Projeto Membranas. Endereço (1): Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica USP. Av. Prof. Almeida Prado, 83 Butantã São Paulo/SP, CEP Brasil - Telefone: (+55) / (+55) Fax: (+55) mierzwa@usp.br RESUMO A degradação da qualidade da água utilizada para abastecimento público nos grandes centros urbanos faz com que os sistemas convencionais de tratamento sejam aprimorados, sem a garantia de obtenção de uma água segura. Nos países desenvolvidos as tecnologias de separação por membranas já vêm sendo amplamente utilizadas, como alternativa aos sistemas convencionais. Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos em uma unidade piloto de ultrafiltração para tratamento direto de água para abastecimento. Os resultados obtidos após mais de hora de operação contínua demonstram o potencial de uso de sistemas de ultrafiltração para produção de água potável. O permeado produzido apresentou turbidez média inferior a 0,5 UNT e ausência de organismos patogênicos. A eficiência de remoção de Carbono Orgânico Total e compostos que absorvem radiação ultravioleta foi superior a 60%. Com estes resultados fica evidenciado o potencial de utilização de tecnologias de separação por membranas no tratamento de água para abastecimento público, principalmente em regiões que apresentam problemas de contaminação de seus mananciais. Palavras Chaves: água potável, ultrafiltração, tratamento direto, PROSAB

2 INTRODUÇÃO Em regiões altamente urbanizadas o tratamento de água se torna um desafio. Por exemplo, na região metropolitana de São Paulo, com uma população próxima de dezenove milhões de habitantes, o problema de escassez de água, resultante da demanda excessiva e poluição dos mananciais, evidencia bem a afirmação feita. Com a expansão urbana, áreas próximas aos mananciais são ocupadas e como conseqüência a qualidade da água é degradada em decorrência de lançamentos indevidos de esgoto, ou pela drenagem urbana (CETESB, 2006). Esta situação coloca em risco a saúde da população e obriga que nas estações de tratamento de águas sejam utilizadas quantidades cada vez maiores de produtos químicos, visando garantir a qualidade da água distribuída. Um resultado do maior consumo de produtos químicos é o aumento da produção de resíduos a serem dispostos no meio ambiente, o que muitas vezes é uma situação complexa para estas regiões em razão da indisponibilidade de áreas. Atualmente, em vários países, estão sendo desenvolvidas e avaliadas e empregadas novas tecnologias para tratamento de água, entre elas os processos de separação por membranas, que incluem, principalmente, a microfiltração, a ultrafiltração, a nanofiltração, a osmose reversa e a eletrodiálise (Jacangelo et al, 1997; Arnal et al, 2004; Bruggen, Verberk, Verhack, 2004; Choi et al, 2005). No entanto, no Brasil e em outros países da América do Sul estas pesquisas são limitadas, o que torna este tema de grande relevância para a área de saneamento ambiental. Com o apoio do Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB), foi proposta uma pesquisa sobre tratamento de água pelo processo de ultrafiltração, utilizando-se membranas enroladas em espiral, a partir de um manancial próximo da Região Metropolitana de São Paulo, Reservatório Guarapiranga. O objetivo do trabalho foi obter, a partir da operação de uma unidade piloto tratando água proveniente de um manancial utilizado para abastecimento público, os dados de desempenho do processo de ultrafiltração com membrana enrolada em espiral, para a produção de água potável. MATERIAIS E MÉTODOS O trabalho foi desenvolvido em parceria com a Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP), que viabilizou a instalação da unidade piloto de ultrafiltração no Reservatório Guarapiranga, junto à área de captação de água para a estação de tratamento Alto da Boa Vista, na Cidade de São Paulo. O fluxograma de processo da unidade piloto é apresentado na figura 1. A membrana utilizada é da GE-OSMONICS, modelo GK-4040F, enrolada em espiral, com peso molecular de corte de 3500 g/mol e área de 8,36 m 2. A taxa de fluxo da membrana, utilizando-se água tratada é de 28 L/h.m 2, a 25 C e pressão de 517 KPa. O pré-tratamento da água bruta foi feito utilizando-se um filtro de areia, com área de 0,19 m 2, tipo piscina, modelo 19CFA4M da Jacuzzi e um filtro tipo tela, para retenção de partículas de 100 micrometros. Após vários ajustes a unidade passou a operar continuamente de Agosto de 2005 a Agosto de 2006, com paradas periódicas para a limpeza química das membranas. Entre agosto e outubro de 2005 a descarga de concentrado era feita continuamente, o que não se mostrou eficiente, em função da necessidade de ajustes constantes na vazão. A partir de 07 de outubro de 2005 a descarga de concentrado passou a ser intermitente, por meio da instalação de uma válvula solenóide e um temporizador na linha de concentrado. A partir de 27 Dezembro de 2005 o sistema passou a operar com dosagem de hipoclorito de sódio na alimentação do pré-filtro de areia, inicialmente com uma dosagem de 1,0 mg/l, sendo reduzida para 2,0 mg/l. Esta alteração teve como objetivo minimizar a ocorrência de biofilme na superfície da membrana.

3 Sistema de dosagem de hipoclorito de sódio Represa dpi Tanque de Alimentação (500 L) Filtro tipo Tela Sinal Elétrico Linha de Lavagem Filtro de Areia Tempor izador K Vazão S FI Válvula Solenóide Bomba de Lavagem do Filtro ou Enxágue Bomba de Aimentação FI Vazão Vazão Manômetr o PI Pressão Diferencial Concentrado Ter mômetr o dpi Vaso de Pressão e Membrana Tanque de Limpeza Química FI T Permeado Drenagem Tanque de Permeado (500 L) Figura 1: Fluxograma de processo da unidade piloto A limpeza química da membrana era feita periodicamente utilizando-se uma solução de hidróxido de sódio (0,01 M) e detergente comercial (0,05 %), enquanto a sanitização foi feita utilizando-se uma solução de ácido peracético (300 ppm). Semanalmente foram coletadas amostras de água bruta, da alimentação da unidade piloto, do permeado e do concentrado, assim como era verificada a necessidade de realização de operações de limpeza química. As amostras coletadas foram caracterizadas no laboratório do Centro Internacional de Referência em Reúso de Água (CIRRA), pertencente ao departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo e no laboratório Central da SABESP. Nas amostras, no laboratório do CIRRA foram analisados os parâmetros turbidez, cor, ph, condutividade elétrica, demanda química de oxigênio, absorbância de radiação ultravioleta, nitrogênio, fósforo, dureza, alcalinidade e microcistinas, enquanto no laboratório da SABESP foram analisados os parâmetros carbono orgânico, coliformes totais e escherichia coli, contagem de algas, cor, turbidez, ph, ferro, manganês e alcalinidade. Quando aplicável as análises foram executadas utilizando-se os procedimentos do Standard Methods for the Examination of Water and Watewater 20 th edition. A análise de Carbono Orgânico Total foi feita utilizando-se a técnica de combustão catalítica, em um analisador de TOC da Shimadzu Modelo 5000A. As medidas de absorção de radiação ultravioleta foram feitas em um espectrofotômetro UV/Visível da Micronal, modelo B382.

4 Os dados relacionados às vazões de alimentação, recirculação, permeado e concentrado foram normalizadas para a temperatura de 25 C, com base nos valores de viscosidade à temperatura medida e a de referência, por meio da equação 1. Q 25 C = QT. μt μ 25 C equação (1) onde: Q 25 C e Q T = Vazão nas temperaturas de 25 C e medida; μ 25 C e μ T = Viscosidade da água nas temperaturas de 25 C e medida. RESULTADOS E DISCUSSÕES No período de 01 de Agosto de 2005 até 03 de Agosto de 2006 a unidade piloto totalizou mais horas de operação. A vazão normalizada média de permeado foi de 179,5 L/h, para uma pressão média de 418,3 KPa, enquanto a taxa média de recuperação de água foi de 85,0 %, operando nas condições apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 Condições médias de operação da unidade piloto no período de teste Operacional Valor médio Pressão Transmembrana (KPa) 454,3 ± 26,9 Taxa de recuperação global de água (%) 85,0 ± 3,6 Vazão média de permeado (L/h) 179,5 ± 29,5 Vazão de recirculação (L/h) 2.173,5 ± 391,1 Vazão média de concentrado (L/h) 32,0 ± 10,4 Perda de Carga na Membrana (KPa) 72,1 ± 20,1 Taxa de fluxo normalizada (L/d.m 2.KPa) 1,2 ± 0,3 Comparando-se a taxa de fluxo normalizada obtida durante o período de teste, com o valor informado no catálogo da membrana, verifica-se que não houve perda significativa de desempenho da membrana, já que o valor obtido é apenas 7,7% inferior ao informado no catálogo. Cabe ressaltar que em determinados períodos de teste a taxa de fluxo normalizada apresentou uma redução próxima a 30% em relação ao informado pelo fornecedor da membrana. Os gráficos das Figuras 2 e 3, apresentam os dados médios relacionados à produção de água e a taxa global de recuperação atingida no período. Analisando-se o gráfico da Figura 2, verifica-se que no período entre Agosto de 2005 e Janeiro de 2006 a produção de permeado permaneceu praticamente constante. De Janeiro a Março de 2006 ocorreu uma recuperação na produção de permeado, enquanto a partir de Abril de 2006 a produção aumentou de maneira significativa. A redução na taxa de fluxo observada em determinados períodos pode ser atribuída a operações de limpeza química inadequadas. A partir de 17 de Janeiro de 2006, o procedimento de limpeza química foi alterado. Ao invés de apenas circular a solução de limpeza pelo sistema, passou-se a manter a solução em contato com a membrana por um período de uma hora ( molho ), o que resultou em uma melhor produção de permeado. Uma das justificativas para o aumento expressivo na produção de permeado a partir de Abril de 2006 pode ser a degradação da membrana causada pelo cloro, adicionado na solução de limpeza química, por falta de controle na quantidade utilizada. Esta hipótese pode ser confirmada pro meio da redução da eficiência de remoção de Carbono Orgânico Total observada a partir deste período, passando de uma média de 83,87% de Agosto de 2005 a Março de 2006, para 62,1% a partir de Março de 2006.

5 Vazão de Permeado (L/h) 400,0 350,0 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 Mínima Média Máxima 18 a 25 de agosto/ a 13 de setembro/ a 22 de setembro/ a 29 de setembro/ de setembro a 07 de outubro/ a 21 de outubro/ de outubro a 01 de novembro/ a 07 de novembro/ a 16 de novembro/ a 25 de novembro/ de novembro a 05 de dezembro/ a 12 de dezembro a 20 de dezembro/2005 a 27 de dezembro/ de dezembro/2005 a 03 janeiro/ a 09 de janeiro/ a 17 de janeiro/ a 31 de janeiro/ de janeiro a 14 de fevereiro/ de fevereiro a 03 de março/ a 28 de março/ de março a 17 de abril/ de abril a 26 de maio/ de maio a 30 de junho/ de junho a 03 deagosto/2006 Período de Operação Figura 2 Variação da vazão normalizada média de permeado Taxa de Recuperação de Água (%) 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 18 a 25 de agosto/ a 13 de setembro/ a 22 de setembro/ a 29 de setembro/ de setembro a 07 de outubro/ a 21 de outubro/ de outubro a 01 de novembro/ a 07 de novembro/ a 16 de novembro/ a 25 de novembro/ de novembro a 05 de dezembro/ a 12 de dezembro a 20 de dezembro/2005 a 27 de dezembro/ de dezembro/2005 a 03 janeiro/2006 Período de Operação Figura 3 Taxa de recuperação de água na unidade piloto 03 a 09 de janeiro/ a 17 de janeiro/ a 31 de janeiro/ de janeiro a 14 de fevereiro/2006 Mínima Média Máxima 14 de fevereiro a 03 de março/ a 28 de março/ de março a 17 de abril/ de abril a 26 de maio/ de maio a 30 de junho/ de junho a 03 deagosto/2006 No gráfico da Figura 3 verifica-se que a taxa global de produção de água no sistema permaneceu praticamente constante ao longo de todo o período de operação da unidade piloto. A redução observada no período de 07 a 21 de Outubro de 2005 foi resultado da alteração do modo de descarte de concentrado, que passou de contínuo para intermitente, uma vez que foi instalada, inicialmente, uma válvula solenóide de 25 mm, posteriormente substituída por uma de 12,5 mm. As Tabelas 2 a 5 apresentam os resultados das análises realizadas durante a operação do sistema. Pela análise dos resultados verifica-se que o sistema de ultrafiltração permite a obtenção de uma água tratada com elevado grau de qualidade, o que demonstra o potencial de uso desta tecnologia para a produção de água potável. Em relação microcistinas, em nenhuma amostra de água bruta ou permeado foi obtido um valor superior ao limite de detecção do método (0,1 μg/l), enquanto em algumas amostras do concentrado foram detectados valores de concentração ligeiramente superiores (0,13 μg/l a 0,18 μg/l).

6 Tabela 2 Resultados das análises de amostras de água bruta, realizadas no CIRRA Desvio Amostras Média Mínimo Máximo Padrão Alcalinidade (mg CaCO 3 /L) 68 33,84 30,00 36,00 1,16 Carbono Orgânico Total (mg C/L) 19 4,59 3,64 5,37 0,42 Coliformes Totais (NMP/100 ml) 18 1,47E+04 3,00E+02 1,60E+05 3,72E+04 Contagems de Algas (UPA/mL) 21 7,13E+03 1,68E+03 5,00E+04 1,05E+04 Cor aparente (mg Pt-Co/L) 62 31,5 30,0 50,0 3,99 Escherichia Co li (NMP/100 ml) 18 2,42E+02 0,00E+00 1,70E+03 4,85E+02 Ferro (mg Fe/L) 66 0,04 0,00 0,17 0,04 Manganês (mg Mn/L) 66 0,03 0,00 0,27 0,06 ph (unidades) 70 7,42 7,00 8,00 0,24 Turbidez (ut) 70 2,83 1,66 8,84 0,9 Tabela 3 Resultados das análises de amostras de permeado, realizadas no CIRRA Desvio Eficiência média de Amostras Média Mínimo Máximo Padrão remoção (%) Absorção de Radiação UV (cm -1 ) 17 0,03 0,02 0,08 0,01 66,7% Alcalinidade (mg CaCO 3 /L) 20 37,02 31,35 41,28 2,15 9,7% Condutividade elétrica (μs.cm -1 ) ,92 105,00 159,30 14,45 5,6% Cor aparente (mg Pt-Co/L) 22 1,8 < 1 3,5 1,27 93,7% Dureza total (mg CaCO 3 /L) 22 29,80 25,26 35,90 2,27 10,7% Fósforo Total (mg P/L) 11 0,02 < 0,01 0,04 0,01 33,3% Microcistinas (μg/l) 12 < 0,1 < 0,1 < 0,1 --x-- --x-- Nitrogênio Amoniacal (mg N/L) 10 0,19 0,09 0,63 0,16 --x-- Nitrogênio Kjeldahl (mg N/L) 12 0,83 0,09 2,49 0,67 54,6% Nitrogênio orgânico (mg N/L) 9 0,60 0,28 1,85 0,48 53,8% ph (unidades) 23 7,36 6,84 7,86 0,22 2,1% Turbidez (ut) 21 0,20 0,05 0,47 0,12 93,4% Tabela 4 Resultados das análises de amostras de água bruta, realizadas pela SABESP Desvio Amostras Média Mínimo Máximo Padrão Alcalinidade (mg CaCO 3 /L) 68 33,84 30,00 36,00 1,16 Carbono Orgânico Total (mg C/L) 19 4,59 3,64 5,37 0,42 Coliformes Totais (NMP/100 ml) 18 1,47E+04 3,00E+02 1,60E+05 3,72E+04 Contagems de Algas (UPA/mL) 21 7,13E+03 1,68E+03 5,00E+04 1,05E+04 Cor aparente (mg Pt-Co/L) 62 31,5 30,0 50,0 3,99 Escherichia Co li (NMP/100 ml) 18 2,42E+02 0,00E+00 1,70E+03 4,85E+02 Ferro (mg Fe/L) 66 0,04 0,00 0,17 0,04 Manganês (mg Mn/L) 66 0,03 0,00 0,27 0,06 ph (unidades) 70 7,42 7,00 8,00 0,24 Turbidez (ut) 70 2,83 1,66 8,84 0,9 Tabela 5 Resultados das análises de amostras de permeado, realizadas pela SABESP Desvio Eficiência Média Amostras Média Mínimo Máximo Padrão de Remoção (%) Alcalinidade (mg CaCO 3 /L) 68 31,94 29,00 36,00 1,67 5,61% Carbono Orgânico Total (mg C/L) 19 0,90 0,29 1,84 0,53 80,39% Coliformes Totais (NMP/100 ml) 18 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E ,00% Contagems de Algas (UPA/mL) 21 6,00E-01 0,00E+00 1,70E+00 6,40E-01 99,99% Cor aparente (mg Pt-Co/L) 62 3,6 2,5 5,0 1,24 88,71% Escherichia Co li (NMP/100 ml) 18 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E ,00% Ferro (mg Fe/L) 66 0,01 0,00 0,11 0,02 75,00% Manganês (mg Mn/L) 66 0,01 0,00 0,13 0,02 66,67% ph (unidades) 70 7,24 6,80 7,60 0,18 --x-- Turbidez (ut) 70 0,13 0,07 0,55 0,07 95,41%

7 CONCLUSÕES Com base nos resultados obtidos verifica-se que o sistema de ultrafiltração utilizando membranas enroladas em espiral apresenta um bom desempenho, tanto em termos de capacidade de produção, como em ralação à qualidade da água produzida. Um fator que deve ser destacado diz respeito à remoção de Carbono Orgânico Total e substâncias que absorvem radiação ultravioleta em 254 nm, indicando que a unidade de ultrafiltração utilizada promove a remoção de precursores de compostos organoclorados, uma constante preocupação na área de tratamento de água para abastecimento. Também deve ser destacada à capacidade de produção da membrana, tendo sido obtida uma taxa média de fluxo, para o período de Agosto de 2005 a Agosto de 2006, de 21,9 L/h.m 2, com uma pressão de operação próxima de 450 KPa, valor bastante adequado, considerando-se o nível de pré-tratamento utilizado. Estes resultados são de fundamental importância para o setor de saneamento básico do Brasil e de outros países da América Latina, pois poderão dar subsídios para a implantação de sistemas de tratamento de água em áreas que apresentam problemas com relação à qualidade da água dos mananciais disponíveis, assim como de área para implantação de sistemas baseados em tecnologia convencional. Por se tratar de uma tecnologia de aplicação limitada no Brasil e em outros países da América Latina, é fundamental que sejam conduzidas pesquisas sobre a utilização processos separação por membranas para tratamento direto de água potável. Tais pesquisas devem contemplar aspectos relacionados ao nível de pré-tratamento, operações de limpeza química, configuração e materiais das membranas, nível de automação e custos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CETESB. Relatório de qualidade de águas interiores no Estado de São Paulo Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental. São Paulo: CETESB, p Disponível em 2. Arnal, J.M. Selection of the most suitable ultrafiltration membrane for water disinfection in developing countries. Desalination 168 (2004). p Bruggen, B. van der; Verberk, J.Q.J.C.; Verhack, J. Comparison of pressure-driven membrane processes and traditional processes for drinking water production in Europe based on specific impact criteria. Water SA, vol. 30, N 3, July p Choi, H.; Kim, H.S.; Yeom, I.T.; Dionysiou, D.D. Pilot plant study of an ultrafiltration membrane system for drinking water treatment operated in the feed-and-bleed mode. Desalination 172 (2005). p Jacangelo, J.G; Trussell, R.R; Watson, M. Role of membrane technology in drinking water treatment in the United States. Desalination 113 (1997). p Shulz, C.R.; Okun, D.A. Surface Water Treatment for Communities in Developing Countries, John Wiley & Sons. New York, 1984.