(*) Endereço para Correspondência SQN 210 Bloco I, Apto CEP , Brasília DF, BRASIL. Tel: (61)

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1 APLICABILIDADE DA FILTRAÇÃO ASCENDENTE EM PEDREGULHO, PRECEDIDA OU NÃO DE COAGULAÇÃO QUÍMICA, COMO PRÉ TRATAMENTO PARA FILTRAÇÃO RÁPIDA DESCENDENTE E FILTRAÇÃO LENTA DE ÁGUAS COM PRESENÇA DE ALGAS Maria do Carmo M. Cezar (*) Companhia de Saneamento do Distrito Federal CAESB. Engenheira Civil pela Universidade de Brasília, Mestre em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos pelo Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho Fundação Nacional de Saúde FUNASA/Ministério da Saúde Cristina Celia S. Brandão Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília (*) Endereço para Correspondência SQN 210 Bloco I, Apto CEP , Brasília DF, BRASIL. Tel: (61) cesar.rissoli@zaz.com.br RESUMO Este trabalho apresenta um estudo sobre a potencialidade da pré-filtração ascendente em pedregulho como sistema de pré-tratamento para a filtração lenta e filtração rápida descendente no tratamento de águas com presença de algas. O estudo foi desenvolvido em escala piloto, utilizando uma unidade de mistura rápida, duas unidades de pré-filtração ascendente em pedregulho, dois filtros rápidos descendentes e três filtros lentos. Os pré-filtros ascendentes em pedregulho foram operados com diferentes taxas de filtração (12, 24, 48, 60 e 96 m 3 /m 2.dia), os filtros lentos e os filtros rápidos descendentes com taxa de filtração constante de, respectivamente, 3 e 300 m 3 /m 2.dia. Foram avaliadas duas situações distintas de alimentação dos filtros rápidos: 1) alimentação dos filtros rápidos com água proveniente de um pré-filtro, com adição de coagulante antecedendo a esse pré-filtro; 2) alimentação dos filtros rápidos com água proveniente de um pré-filtro, com adição de coagulante antes dos filtros rápidos. Para efeito de comparação, experimentos de filtração direta também foram realizados. Paralelamente, um pré-filtro sem coagulação alimentava um filtro lento, e um pré-filtro precedido de coagulação alimentava o outro filtro lento. A performance dos filtros lentos, tanto no que refere-se a qualidade da água produzida como à perda de carga, não parece ter sido influenciada pelo uso do coagulante no pré-tratamento. Esses filtros produziram água de boa qualidade, com turbidez efluente variando entre 0,1 a ut, teor de clorofila-a inferior a 1 µg/l e número de coliformes totais variando de 0 a 40 NMP/100 ml. Os filtros rápidos produziram água filtrada de boa qualidade nas duas seqüências de operação avaliadas, com turbidez efluente variando entre 0,2 e 0,3 UT e o teor de clorofila-a próximo a zero. A baixa presença de material em suspensão no efluente do pré-filtro de pedregulho precedido de coagulação química, levou a uma pequena evolução da perda de carga dos filtros rápidos descendentes mesmo após mais de 20 horas de operação. Com aplicação de coagulante no efluente do pré-filtro de pedregulho, observou-se uma alta eficiência de remoção de turbidez e de algas nos filtros rápidos. Entretanto a perda de carga nos filtros rápidos descendentes foi muito elevada, resultando em carreiras de filtração com duração similar às obtidas em experimentos de filtração direta. Palavras-chave: filtração ascendente em pedregulho, filtração rápida, filtração lenta, filtração direta, remoção de algas.

2 INTRODUÇÃO E OBJETIVOS O processo de tratamento da água constituído por filtração lenta é geralmente recomendado para águas de mananciais não ultrapassando 10 ut de turbidez e 250 UPA/mL de densidade algácea, de acordo com Di Bernardo (1993) ou 5µg/L de clorofila a segundo Cleasby (1991). O processo de tratamento por filtração direta descendente pode ser aplicado para águas de qualidade inferiores à recomendada para filtração lenta, porém com qualidade ainda razoável (até 25 ut de turbidez e 500 UPA/mL de densidade algácea, segundo Di Bernardo, 1993). Nesses processos, as mudanças de qualidade, particularmente no que tange à proliferação de algas, provocam problemas de sobrecarga nos filtros, comprometendo a utilização dessas tecnologias de tratamento. Na tentativa de ampliar o espectro de aplicação da filtração lenta, de modo a tratar águas com teores de turbidez mais elevadas, tem-se utilizado o processo de Filtração em Múltiplas Etapas FiME, como é o caso de investigações realizadas na Colômbia, em estações em escala real, onde experiências mostram o potencial na remoção de turbidez da pré-filtração ascendente em pedregulho, como pré-tratamento para a filtração lenta (Galvis et al., 1997; Di Bernardo et al., 1999). Estudos realizados por Mello (1998), no Lago Paranoá, Brasília, Brasil, onde há uma elevada concentração de algas, mostraram que além de remover turbidez, os pré-filtros de pedregulho apresentam grande capacidade de remoção de algas. Mello (1998) alcançou remoção de algas de 68% e remoção de turbidez de 65% utilizando pré-filtro ascendente de pedregulho de 5 camadas. Durante a realização dos experimentos, a água bruta do Lago Paranoá apresentava valores de turbidez de 3,7 a 19,7 ut, enquanto o teor de clorofila-a variou de 3,5 a 61,4 µg/l, com média de 33,7 ± 13,8 µg/l. Janssens e Buekens (1993) sugerem que para tratar águas com significativa presença de algas, a filtração descendente deve ser precedida de outras etapas de separação sólido-líquido, sendo a flotação o processo mais recomendado, o que pode encarecer o tratamento e tornar a operação mais complexa. Utilizando a mesma água bruta estudada por Mello (1998), Roriz (1998) realizou testes de flotação em laboratório (flotateste), e obteve remoção de algas de 55% e de turbidez de 75%. Comparando os resultados obtidos por Roriz (1998), utilizando a flotação por ar dissolvido, que é um dos processos mais recomendados para a remoção de algas, com os obtidos por Mello (1998), com a pré-filtração em pedregulho, observa-se a similaridade dos níveis de remoção tanto de algas quanto de turbidez. Esses resultados sugerem que os sistemas de pré-filtração em pedregulho podem ser uma alternativa à flotação no condicionamento de águas com altas concentrações de algas a serem submetidas à filtração rápida descendente. Desde o começo dos anos setenta são relatados estudos e experiências sobre filtração de água coagulada em meios de pedregulho (Ingallinella, 1991; Cruz et al., 1998; Megda, 1999, entre outros) seja como pré-tratamento para a filtração lenta ou para a filtração rápida. Esses trabalhos, praticamente todos aplicados à remoção de turbidez, apresentam esse tipo de tratamento como uma alternativa promissora frente as principais limitações dos processos tradicionais de floculação e sedimentação na filtração rápida. Considerando os resultados nos trabalhos acima mencionados, acredita-se que a pré-filtração (sem coagulante) ou filtração em pedregulho (com coagulante) pode se configurar numa alternativa para o condicionamento de águas com presença significativa de algas a serem submetidas à filtração lenta ou filtração direta descendente, sem aumentar a complexidade operacional e sem impactos significativos nos custos de operação e manutenção. Assim, o objetivo principal deste trabalho é investigar o efeito da coagulação química na filtração em pedregulho e o seu potencial como sistema de pré-tratamento (ou condicionamento) de águas com presença significativa de algas, a serem submetidas à filtração lenta ou filtração direta descendente. É importante destacar que no caso da filtração lenta, a aplicação de coagulante como parte da seqüência de tratamento surge como uma opção para flexibilização da FiME, nos períodos em que essa tecnologia tem sua capacidade de produção de água ou eficiência comprometida por aumentos sazonais de sólidos suspensos (turbidez ou algas) na água afluente.

3 METODOLOGIA O trabalho experimental foi desenvolvido em uma instalação piloto localizada às margens do Lago Paranoá, em Brasília DF. Essa estação consiste de uma instalação de bombeamento de água bruta, uma unidade de mistura rápida, dois filtros de pedregulho de 5 camadas sobrepostas com escoamento ascendente (PFAs), operando em paralelo, dois filtros rápidos descendentes (FRDs), e três filtros lentos (FLs). Um diagrama da instalação piloto pode ser visto na Figura 1. C D PFD Extravasor Alc. DMR Coag. PFA-2 PFA-1 Quadro Piezométrico C D C D 98,15 C.N.C. Quadro Piezométrico FRD1 FL-2 FL-3 FL-1 FRD2 Água Bruta (Lago Paranoá) C.A.F Água para lavagem dos filtros Descarte Pontos de amostragem Legenda: PFD - Pré-filtro dinâmico PFA Pré-filtro ascendente FL Filtro lento FRD Filtro rápido descendente DMR Dispositivo de mistura rápida FIGURA 1: Diagrama da instalação piloto Durante o período de pesquisa, duas seqüências de tratamento foram estudadas para a filtração rápida: (1) alimentação dos filtros rápidos de areia com água proveniente do PFA2, que era precedido de coagulação com sulfato de alumínio; (2) alimentação dos filtros rápidos de areia com água proveniente do PFA1, que não era precedido de coagulação química, porém com adição do coagulante antecedendo os FRDs. Paralelamente, o PFA1 (sem coagulação) alimentava um filtro lento (FL1) e o PFA 2 (com coagulação) alimentava o outro filtro lento (FL2), permitindo também a avaliação da filtração lenta sob diferentes condições de pré-tratamento.

4 Para melhor avaliar o impacto da adoção dos dois tipos de pré-tratamento, foram realizados ensaios de filtração direta, no caso dos filtros rápidos de areia, e um terceiro filtro lento (FL3) foi operado recebendo diretamente água bruta. No PFA2, precedido de coagulação química, foram efetuados ensaios com cinco taxas de filtração, 12, 24, 48, 60 e 96 m 3 /m 2.dia. No PFA1, sem coagulação química, foram testadas as taxas de filtração de 12, 24, 48 e 60 m 3 /m 2.dia. Os préfiltros e os filtros lentos eram operados de forma contínua e os filtros rápidos de forma intermitente, sendo alimentados, de forma alternada, com o efluente de cada um dos pré-filtros. Assim, em cada experimento de filtração rápida, os dois filtros rápidos de areia operavam em paralelo, recebendo a mesma água afluente, porém apresentavam granulometrias distintas. O filtro rápido descendente 1, possuía uma granulometria praticamente uniforme, com tamanho efetivo de 1,2 mm e o filtro rápido descendente 2 era composto de areia com tamanho efetivo de 5mm. As taxas de filtração nos filtros rápidos e lentos foram mantidas constantes e iguais a, respectivamente, 300 m 3 /m 2.dia e 3 m 3 /m 2.dia. Em cada experimento eram analisados os seguintes parâmetros de qualidade da água: turbidez, teor de clorofila-a, ph, temperatura, residual de alumínio e colimetria, sendo acompanhado também a perda de carga e a duração da carreira de filtração. Antecedendo os experimentos, foram realizados testes de jarros para identificar o ph e a faixa ótima de dosagem de coagulante (sulfato de alumínio). Quando necessário, ácido clorídrico era adicionado para correção de ph. RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 apresenta as principais características da água bruta no período de realização dos experimentos. Como pode ser visto, a água bruta caracteriza-se por valores de turbidez baixos, e teores de clorofila-a que podem comprometer o uso da filtração direta descendente e também da filtração lenta. TABELA 1: Características da água bruta para cada taxa de filtração dos PFAs Taxa (m 3 /m 2.dia) Turbidez (UTN) a 4 (80% do tempo <10 UTN) 2,8 a 8,2 (100% do tempo <10 UTN) 2,3 a 1 (97% do tempo <10 UTN) Clorofila-a (µg/l) 4,9 a 40,76 6,0 a 11,8 2,24 a 16,85 As Figuras 2, 3 e 4 exemplificam o comportamento dos (pré)filtros ascendentes de pedregulho para diferentes taxas de filtração.

5 AB PFA 1 PFA 2 4,0 45,0 3,5 4 Turbidez da água efluente do PFA (ut) 35,0 3 25,0 2 15,0 1 5,0 Turbidez da água bruta (ut) [3] Legenda: [3] Intervalo aplicação da dosagem de 3mg/L de sulfato de alumínio antes do PFA2. FIGURA 2: Turbidez da água afluente e efluente dos pré-filtros ascendentes 1 e 2 (Taxa de filtração=12 m/d). 9,0 AB PFA1 PFA2 8,0 7,0 6,0 5,0 4, [5] [9] Legenda: [5], [9] Aplicações de dosagens de 5 e 9 mg/l de sulfato antes do PFA2. FIGURA 3: Turbidez da água afluente e efluente dos pré-filtros ascendentes 1 e 2 (Taxa de filtração=24 m/d).

6 Água bruta PFA1 PFA2 Legenda; [9] [3] [3] [5] [5] [7] [9] [11] [3], [5], [7], [9], [11] Aplicações das dosagens de 3, 5, 7, 9 e 11 mg/l de sulfato de alumínio antes do PFA-2. FIGURA 4: Turbidez da água afluente e efluente dos pré-filtros ascendentes 1 e 2 (Taxa de filtração=60 m/d) Dos resultados apresentados nas Figuras 2, 3 e 4 e na Tabela 2, observa-se que, com exceção da taxa da filtração de 12 m 3 /m 2.dia, em todas as taxas aplicadas nos (pré)filtros ascendentes de pedregulho, a eficiência de remoção do PFA2 (com coagulante) foi superior a do PFA1 (sem coagulante), porém às custas de um crescimento acelerado da perda de carga, principalmente para as taxas de filtração mais elevadas. Os experimentos conduzidas com taxas de filtração de 48, 60 e 96 m 3 /m 2.dia caracterizaram-se pela curta duração das carreiras de filtração e pelo contínuo aumento da perda de carga inicial (perda de carga imediatamente após a limpeza do meio granular). Essa elevação da perda de carga inicial foi devida a pouca efetividade das descargas de fundo realizadas entre as carreiras de filtração, que é o processo de limpeza tradicionalmente utilizado para unidades de pedregulho. TABELA 2: Eficiência média de remoção de turbidez e clorofila-a nos PFAs e duração da carreira de filtração. Taxa de filtração Remoção de turbidez Remoção de algas Duração média da carreira Unidade (m 3 /m 2.dia) (%) (%) de filtração (h) 12 81,8 85,7 Não atingiu a perda de PFA ,0 carga limite, de 60 cm, (Sem coagulante) 48 79,3 76,9 para carreiras de filtração 60 63,6 71,6 superiores a 36 dias PFA2 (Com coagulante) 12 76,5 80, ,3 94, ,7 94, ,6 96, , Observa-se na Tabela 2, a redução brusca da duração da carreira de filtração do PFA2, com coagulante, à medida que aumenta a taxa de filtração. A variação da taxa de filtração nos pré-filtros não acarretou significativa alteração no comportamento tanto dos filtros rápidos quanto dos filtros lentos, como pode ser observado na comparação entre as Figuras 5 e 6.

7 PFA1 FL1 FRD Tempo de Operação (d) PFA2 FL2 FRD Tempo de Operação (d) FIGURA 5: Turbidez da água afluente e efluente dos filtros lentos e filtro rápido descendente 1, com os préfiltros de pedregulho operando com taxa de filtração de 24 m/d. PFA1 FL1 FRD ,5 PFA2 FL2 FRD FIGURA 6 : Turbidez da água afluente e efluente dos filtros lentos e filtro rápido descendente 1, com os préfiltros de pedregulho operando com taxa de filtração de 60 m/d. A performance dos filtros lentos, tanto no que refere-se a qualidade da água produzida como à perda de carga, não parece ter sido influenciada pelo uso do coagulante no pré-tratamento. Esses filtros produziram água de boa qualidade, com turbidez efluente variando entre 0,1 a ut, teor de clorofila-a inferior a 1 µg/l e número de coliformes totais variando de 0 a 40 NMP/100 ml. Para avaliar o impacto do uso do coagulante no desenvolvimento da schmutzdecke foram realizadas análises qualitativas da parte superior da areia por meio de microscópio, ensaios de DBO e análise de carbono orgânico. O resultado da verificação microscópica revelou não haver diferença qualitativa quanto à presença de algas e outros organismos na parte superior do meio filtrante dos filtros lentos, apenas uma quantidade maior de microorganismos no FL3, como era de se esperar, uma vez que essa unidade recebeu diretamente água bruta. Os filtros rápidos produziram água filtrada de boa qualidade nas duas seqüências de operação avaliadas, com turbidez efluente variando entre 0,2 e 0,3 UT e o teor de clorofila-a próximo a zero. A baixa presença de material em suspensão no efluente do PFA2 (pré-filtro de pedregulho precedido de coagulação química), como pode ser observado dos dados de turbidez apresentados nas Figuras 5 e 6, levou a uma pequena evolução da perda de carga dos filtros rápidos mesmo após mais de 20 horas de operação. Com aplicação de coagulante no efluente do PFA1, observou-se uma alta eficiência de remoção de turbidez e de algas nos filtros rápidos. Entretanto a perda de carga nos filtros rápidos descendentes foi muito elevada, resultando em carreiras de filtração com duração similar às obtidas em experimentos de filtração direta. Esse comportamento pode ser visualizado nas Figuras 7 e 8.

8 5,0 4,0 Perda de carga (cm) :00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 Hora Hora Água bruta FRD1 FRD1 FIGURA 7: Turbidez e perda de carga do filtro rápido descendente 1, quando operado como filtração direta 5, ,0 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 Hora Água bruta PFA1 FRD1 Perda de carga (cm) :00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 Hora FRD1 FIGURA 8: Turbidez e perda de carga do filtro rápido descendente 1, quando operado com água efluente do PFA1 seguida de coagulação química. CONSIDERAÇÕES FINAIS Os resultados obtidos sugerem que as seqüências de tratamento que envolvem a coagulação, filtração em pedregulho com escoamento ascendente seguida de filtração rápida descendente ou filtração lenta podem ser boas alternativas de tratamento para águas contendo algas em concentrações elevadas. Quanto a seqüência envolvendo a filtração rápida, é necessário que se investigue as faixas granulométricas mais apropriadas, e se otimize, de forma combinada, as taxas de filtração, visando o aumento da duração das carreiras do filtro de pedregulho e um melhor aproveitamento do filtro rápido. Acredita-se que a adoção de taxas de filtração mais elevadas no pré-filtro pedregulho precedido de coagulação química, pode levar a uma redução da capacidade de retenção do mesmo e a uma melhor utilização do filtro rápido, otimizando o conjunto das unidades. É importante ressaltar que a seqüência de tratamento com aplicação de coagulante no efluente do pré-filtro de pedregulho, portanto, antes do filtro rápido descendente, não apresentou vantagem em relação à filtração direta nem do ponto de vista da melhoria da qualidade da água produzida, nem do aumento da duração da carreira de filtração. Quanto a seqüência envolvendo a filtração lenta, os resultados obtidos sugerem que, garantida a boa eficiência do préfiltro, a adoção de uma etapa de coagulação na seqüência de tratamento não resultam em impacto negativo sobre a formação da schmutzdecke e a elevada capacidade de remoção de microorganismos que caracteriza o filtro lento. Assim, acredita-se que a adoção de uma etapa de coagulação precedendo o pré-filtro de pedregulho, pode dotar a tecnologia de filtração em múltiplas etapas (FIME) de flexibilidade operacional compatível com variações sazonais da qualidade da água bruta.

9 Dos resultados obtidos identifica-se a necessidade de desenvolvimento de estudos visando avaliar a técnica a ser empregada para a limpeza dos filtros de pedregulho, quando estes são precedidos de coagulação química. A simples execução de três descargas de fundo consecutivas não se mostrou capaz de garantir a limpeza do meio granular, particularmente nas camadas de granulometria mais fina. Isso, provavelmente, se deve, entre outros aspectos, ao fato de que as forças de aderência do floco no meio granular são superiores às observadas no caso de impurezas que não submetidas à coagulação química. Os resultados confirmam que as unidades de pré-filtração pedregulho, com ou sem adição prévia de coagulante, apresentam elevada capacidade de remoção de algas e turbidez, mesmo operando com taxas de filtração acima das recomendadas pela literatura. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Cleasby, J. L. (1991). Source water quality and pretreatment options for slow filters. In: Logsdon, G. S. (ed.) Slow Sand Filtration. ASCE, Nova Iorque, E.U.A. Cruz, C.H., Galvis, G.C., Visscher, J.T., Di Bernardo, L. e Alaerts, G. (1998). Optimización de Sistemas de Potabilización com Filtración Rápida: La Filtración Gruesa Dinâmica y la Clarificación com Filtración Gruesa Ascendente, una alternativa factibile. Conferencia Internacional Agua y Sostenibilidad, Cali, Colômbia. Di Bernardo, L. (1993). Métodos e Técnicas de Tratamento de Água, vols. 1 e 2. ABES, Rio de Janeiro. Di Bernardo, L., Brandão, C.C.S., Heller, L. (1999). Tratamento de Águas de Abastecimento por Filtração em Múltiplas Etapas. PROSAB. ABES, Rio de Janeiro. Galvis, G., Latorre, J. e Visscher, J.T. (1997). Filtración en Múltiples Etapas. Tecnologia Innovativa para el Tratamiento de Agua (versión preliminar). IRC, CINARA, Colômbia. Ingallinella, A.M. (1991). Experiencias con pretratamientos. Conferência Internacional sobre Mejoramiento de la Calidad del Agua, Cali, Colômbia. Janssens, J.G. e Buekens, A. (1993). Assessment of process selection for particle removal in surface water treatment. Jour. Water SRT Aqua, 42 (5), pp Megda, C.R. (1999). Filtração direta ascendente em pedregulho como pré-tratamento à filtração rápida descendente. Dissertação de Mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. Mello, O.M.T. (1998). Avaliação do desempenho da filtração em múltiplas etapas no tratamento de águas com elevadas concentrações de algas. Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília. Roriz, P.A. (1998). Avaliação da aplicabilidade da flotação por Ar Dissolvido no tratamento da água do Lago Paranoá Desenvolvimento dos testes de Bancada. Relatório Parcial PIBIC 98.