II-Bastos-Brasil I AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA ANTES E DEPOIS DE INTERVENÇÕES DE MELHORIA

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1 II-Bastos-Brasil I AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA ANTES E DEPOIS DE INTERVENÇÕES DE MELHORIA Rafael K.X. Bastos Engenheiro Civil (UFJF), Especialização em Engenharia de Saúde Pública (ENSP/FIOCRUZ), PhD em Engenharia Sanitária (University of Leeds, UK), Professor Adjunto - Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Viçosa (UFV), Chefe da Divisão de Água e Esgotos da UFV. Daniel Cobucci de Oliveira Engenheiro Ambiental (UFV). Adiéliton Galvão de Freitas Engenheiro Ambiental (UFV). Mestrando em Saneamento Ambiental (UFV). Luis Eduardo do Nascimento Bacharel em Química (UFV), Chefe do Serviço de Tratamento de Água da UFV. Aplicar Foto (1) Universidade Federal de Viçosa, Departamento de Engenharia Civil - Viçosa - MG - CEP: Brasil - Tel: (31) rkxb@ufv.br RESUMO A avaliação de desempenho de estações de tratamento de água permite identificar falhas de projeto, de processo ou de controle operacional e facilita a orientação para eventuais intervenções de melhoria. A ETA em estudo foi objeto de uma avaliação de desempenho detalhada, sendo que dentre as principais deficiências destacavam-se o desnivelamento do decantador e a deterioração dos leitos filtrantes. Com o intuito de superar tais deficiências procedeu-se à reforma dos filtros (substituição dos dispositivos de retrolavagem e renovação dos leitos filtrantes) e à instalação de bordas vertedouras ajustáveis no decantador Neste trabalho objetivou-se aferir os resultados, em termos de otimização dos processos unitários de decantação e filtração, por meio da sistematização do banco de dados do monitoramento da ETA, antes e após as intervenções de melhoria. Os resultados do trabalho comprovam os benefícios das intervenções realizadas, porém sugerem a necessidade de otimização ainda mais rigorosa dos processos de tratamento. Palavras-chave: tratamento de água, avaliação de desempenho, otimização. INTRODUÇÃO Na avaliação de desempenho de uma estação de tratamento de água (ETA), essencialmente busca-se aferir a adequação e a eficiência dos diversos processos unitários de tratamento. Genericamente, devem ser analisados os fatores hidráulicos e operacionais que poderiam concorrer para 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. O conhecimento em detalhes dos parâmetros de funcionamento da ETA, um monitoramento rigoroso, a sistematização e a análise detalhada de um banco de dados, em conjunto, permitem avaliar a performance dos processos unitários de tratamento, identificar falhas de projeto ou de operação e a necessidade de intervenções de melhoria. Neste trabalho apresenta-se um estudo de caso, a estação de tratamento de água da Universidade Federal de Viçosa. (ETA UFV). A ETA UFV é operada com rígido controle operacional, porém, até maio de 24, apresentava graves deficiências de infra-estrutura, tais como desnivelamento do decantador e a deterioração dos leitos filtrantes, o que impunha sérias limitações de desempenho quando da elevação mais brusca de turbidez da água bruta (Bastos et al, 2; Bastos et al, 23). Com o intuito de superar essas deficiências, em maio de 24, foram realizadas as seguintes

2 intervenções: substituição do sistema de distribuição de água de lavagem dos filtros (canalizações perfuradas), com a construção de fundos falsos e a instalação de blocos Leopold; renovação dos leitos filtrantes; instalação bordas vertedouras ajustáveis no decantador. Neste trabalho objetivou-se aferir os resultados, em termos de otimização dos processos unitários de decantação e filtração, após as intervenções de melhoria realizadas na ETA. METODOLOGIA A ETA UFV trata cerca de 5 l/s, sendo empregado o tratamento em ciclo completo: mistura rápida em calha Parshall, floculação hidráulica com seis câmaras, decantador circular com alimentação central e fluxo radial, dois filtros rápidos, desinfecção com cloro-gás. Como parte da rotina de controle, monitora-se, em freqüência horária, a turbidez da água bruta, decantada e filtrada. Para a melhor compreensão da hidrodinâmica do decantador foram realizados ensaios com traçadores (sal de cozinha), antes e depois do seu nivelamento. Ensaios in loco permitiram também determinar a velocidade real de filtração de cada filtro, antes e depois da troca dos leitos filtrantes. Estes ensaios de campo seguiram a metodologia de avaliação de desempenho descrita em CEPIS (1992). Com base no banco de dados do monitoramento de rotina da ETA, foi avaliado o desempenho da decantação e da filtração, antes e após as intervenções e em períodos distintos (seca e chuva). A delimitação destes períodos foi realizada a partir da análise dos dados de precipitação pluviométrica x turbidez da água bruta e da sistematização das informações de turbidez da água bruta em termos de estatística descritiva. Com base nestes critérios, foram enquadrados em período de seca todos os dados de turbidez da água bruta média diária inferiores a 1 ut (mediana dos dados de turbidez correspondentes à baixa ou inexistente precipitação pluviométrica). Por extensão, valores de turbidez da água bruta superiores a 1 ut foram enquadrados em período de chuva. Os quatro períodos de estudo foram então foram nomeados da seguinte forma: (i) P1 período de seca antes das reformas; (ii) P2 período de chuva antes das reformas; (iii) P3 período de seca após as reformas; (iv) P4 período de chuva após as reformas. Para a avaliação do decantador, os resultados foram também analisados em relação a faixas mais estreitas de turbidez da água bruta. Como critério adicional de avaliação de desempenho da decantação, foram comparados os resultados obtidos em ensaios de rotina de bancada (jar-test) e em escala real na estação, antes e após as intervenções de melhoria. Para a filtração, foram estimadas as carreiras de filtração, também antes e após as intervenções de melhoria. RESULTADOS E DISCUSSÃO A turbidez média da água bruta apresenta valores relativamente reduzidos, mesmo em períodos de chuvas (Figura 1). Os dados de turbidez da água bruta e de precipitação pluviométrica (média mensais) apresentaram boa associação, determinada por testes de regressão (y = 5, ,845x, R 2 = 74,78%, p =,3).

3 Precipitação (mm) Precipitação Turbidez Turbidez (ut) Janeiro Fevereiro Abril Maio Junho Meses Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Figura 1: Média mensal de turbidez e precipitação pluviométrica (21 24) A turbidez da água bruta nos períodos de seca e chuva, antes e após as intervenções, apresentou a seguinte distribuição: (i) seca (P1): máx. = 9,9 ut; mín. = 2,2 ut; méd. = 6,3 ut; (ii) seca (P3): máx. = 1, ut; mín = 6,7 ut; méd. = 8,2 ut; (iii) chuva (P2): máx. = 252,5 ut; mín. = 1,1 ut; méd. = 37,1 ut; (iv) chuva (P4): máx. = 148,2 ut; mín = 1,1 ut; méd. = 25,4 ut. Na tabela 1 estão apresentados os principais parâmetros hidráulicos do decantador antes e depois da reforma. Tabela 1: Características hidráulicas do decantador antes e depois da reforma Parâmetro Antes Depois Teórico Real Teórico Real TDH (h) 2,8 2,67 2,8 2,55 Fluxo pistão (%) 5 49 Fluxo mistura completa (%) 5 51 Zonas mortas (%) 51 Observa-se que no período antes da reforma havia uma elevada ocorrência de zonas mortas, revelando uma péssima distribuição do fluxo radial, o que foi integralmente superado com o nivelamento do decantador. O traçado da curva de freqüência permite identificar que, nos períodos de seca, a turbidez da água decantada esteve, na quase totalidade do tempo, abaixo de 5 ut. Nos períodos de chuva, antes da reforma, a turbidez manteve-se abaixo 1 ut em 9% e, após a reforma, em 98% do tempo, sugerindo um ganho de desempenho após as intervenções no decantador (Figura 2).

4 Frequência acumulada (%) P1-P3 Decantada Figura 2: Curvas de distribuição de freqüência, turbidez da água decantada. P1 P Turbidez (ut) Frequência acumulada (%) P2-P4 Decantada Turbidez (ut) P2 P4 Na tabela 2 apresenta-se a estatística descritiva dos dados de turbidez da água decantada para os quatro períodos de estudo. Tabela 2: Estatística descritiva dos dados de turbidez da água decantada (ut) Parâmetro Decantada P1 Decantada P3 Decantada P2 Decantada P4 N (n o de dados) Mínimo,8 1,6 1,4 2,1 Máximo 6, 4,8 24,8 15,6 Amplitude Total 5,3 3,2 23,4 13,6 Mediana 2,2 2,9 5, 4,1 Primeiro Quartil (25%) 1,8 2,6 3,7 3,4 Terceiro Quartil (75%) 2,7 3,5 7,4 5,4 Média Aritmética 2,3 3, 6, 4,6 Variância,5,5 11,6 3,9 Desvio Padrão,7,7 3,4 2, Coeficiente de Variação 31,7% 22,6% 56,8% 42,8% Os resultados de distribuição de freqüência devem ser analisados com cuidado, pois, muito provavelmente, fazem-se sentir os efeitos da variação da água bruta em cada período de estudo. Entretanto, a sistematização dos dados permite inferir sobre alguma melhoria de desempenho em termos de estabilidade, a julgar pelos menores coeficientes de variação e menores variâncias registradas nos períodos de seca e chuva após o nivelamento de decantador (P3 e P4 x P1 e P2). Quando se comparam os resultados (turbidez da água decantada) dos ensaios diários de Jar-test e na estação, conclui-se que a eficiência em escala real é maior que no jar-test, nas seguintes situações: turbidez da água bruta acima de 6,5; 8,2; 38 e 25 ut, para os períodos P1, P3, P2 e P4, respectivamente (Figura 3). Os resultados revelam, em geral, um bom desempenho da ETA, mas também a propriedade de otimização do tratamento para água bruta de baixa turbidez.

5 Turbidez bruta (ut) Jar test - ETA P1 ETA Jar-test Turbidez decantada (ut) Turbidez bruta (ut) Jar test - ETA P3 ETA Jar-test Turbidez decantada (ut) Jar test -ETA P2 Jar-test - ETA P4 Turbidez bruta (ut) ETA 5 Jar-test Turbidez decantada (ut) Figura 3: Eficiência da decantação, jar-test e escala real. Turbidez bruta (ut) ETA Jar-test Turbidez decantada (ut) Na Tabela 3 são apresentados os resultados de atendimento ao padrão de potabilidade brasileiro para o efluente filtrado (MINISTÉRIO DA SAÚDE, 24) e às metas de remoção de protozoários (USEPA, 1998). Observa-se que raramente não era atendido o padrão de potabilidade brasileiro ( 1,uT), mesmo antes das intervenções de melhoria Ressalta-se que após a troca do leito filtrante o referido padrão passou a ser sistematicamente atendido. As metas de turbidez pós-filtração e pré-desinfecção para uma eficiente desinfecção de vírus e remoção de cistos de Giardia (,5 ut) são atendidas com alguma freqüência, com exceção de P2. Entretanto, as recomendações para uma remoção eficiente de oocistos de Cryptosporidium (,3 ut) são atendidas apenas razoavelmente e somente no período P3. De toda forma, vale destacar que após as reformas a melhora no atendimento às metas de remoção de protozoários é marcante, principalmente para os períodos de seca. Entretanto, nota-se que mesmo após as intervenções permanece alguma dificuldade de atendimento às metas mais rigorosas de turbidez de água filtrada, notadamente para os períodos de chuva. Tabela 3: Freqüência de dados de turbidez da água filtrada (%) (1) Período <.3 ut <.5 ut < 1. ut P1 2,44 61,9 95,77 P3 67,24 91,38 1, P2 12,17 4,33 9,93 P4 39,2 79,4 1, NOTA: (1) efluente combinado dos dois filtros A estabilidade do processo de filtração foi verificada, em cada filtro, com base na estatística descritiva dos dados de turbidez do efluente filtrado (Figuras 4 e 5). Nota-se que, além da redução dos valores médios da turbidez da água filtrada, a troca do leito filtrante proporcionou também maior estabilidade ao processo de filtração, evidenciada pela maior proximidade entre o primeiro e o terceiro quartil e pela redução dos valores máximos de turbidez, com certo destaque para o filtro 2.

6 % 5% 9% 1% Mín Máx 75% Filtrada 1 P1 Filtrada 2 P1 Filtrada 1 P3 Filtrada 2 P3 Figura 4: Turbidez da água filtrada, filtros 1 e 2, períodos P1 e P % 5% 9% 1% Mín Máx 75% Filtrada 1 P2 Filtrada 2 P2 Filtrada 1 P4 Filtrada 2 P4 Figura 5: Turbidez da água filtrada, filtros 1 e 2, períodos P2 e P4. A troca do leito filtrante propiciou também a melhoria do processo em temos de velocidades de filtração (Tabela 4) e de carreiras de filtração, que passaram, em média, de 41,7 para 47,1 horas no filtro 1 e de 5,2 para 55,8 horas no filtro 2. Tabela 4: Características dos filtros antes e depois da reforma Parâmetro Antes da reforma Depois da reforma Filtro 1 Filtro 2 Filtro 1 Filtro 2 Velocidade de filtração real (cm/s),2,17,14,12 Velocidade de filtração teórica (cm/s),26 Taxa de aplicação (m 3 /m 2.dia) 222,3 Na Tabela 5 os dados foram sistematizados de forma a facilitar a avaliação da performance conjunta dos processos de decantação e filtração, considerando ainda as variações de turbidez da água bruta. Nos períodos P1, P3, P2 e P4 as eficiências médias de decantação foram de 64; 64; 84 e 82%, respectivamente. Ou seja, a julgar por esta análise, aparentemente, os benefícios do nivelamento do decantador ainda não se fazem sentir de forma nítida. Em relação à filtração, a eficiência média foi de 78,4; 9,; 89,4 e 91,7% para P1, P3, P2 e P4 respectivamente. Observa-se nitidamente um aumento da eficiência para o período de seca e uma discreta melhora nos períodos de chuva.

7 Tabela 5: Turbidez da água bruta, decantada e filtrada e eficiência de remoção de turbidez Período Turbidez média (ut) Eficiência de remoção (%) Bruta Decantada Filtrada (1) Decantação Filtração (*) Total P1 6,3 2,26,49 64,13 78,35 85,15 P3 8,25 3,,3 63,66 9, 96,36 P2 37,11 5,99,63 83,87 89,44 98,3 P4 25,41 4,64,38 81,76 91,75 98,5 NOTA: (1) efluente combinado dos dois filtros. De forma complementar, o desempenho da decantação foi avaliado em relação a faixas mais estreitas de turbidez da água bruta: turbidez média diária acima de 1, 2 e 4 ut (Figura 6 e Tabela 6) % 5% 9% 1% Mín Máx 75% P2 (>1uT) P4 (>1uT) P2 (>2uT) P4 (>2uT) P2 (>4uT) P4 (>4uT) Figura 6: Turbidez da água decantada, para turbidez da água bruta acima de 1, 2 e 4 ut, períodos P2 e P4. Tabela 6: Freqüência acumulada da turbidez da água decantada, para turbidez da água bruta acima de 1, 2 e 4 ut, antes e depois da reforma. Porcentagem acumulada (%) Classes de turbidez de água decantada Antes da reforma Bruta acima de Bruta acima de 1uT 2uT,1-2 1,62 1,24,8 2,1-4 33,1 7,88 6,4 4,1-6 63,19 34,85 14,4 6,1-8 79,86 63,9 45,6 8,1-1 9,51 82,99 72, < 25 1, 1, 1, Depois da reforma Classes de turbidez de água decantada Bruta acima de 4uT Bruta acima de 1uT Bruta acima de 2uT,1-2,,, 2,1-4 44,72 3,23 11,11 4,1-6 81,91 65,12 44,44 6,1-8 93,97 86,5 75, 8,1-1 97,99 95,35 94,44 < 25 1, 1, 1, Bruta acima de 4uT

8 Esta análise demonstra que as intervenções no decantador, de fato, já se fazem notar, visto que, dentre outras evidências, as diferenças entre as medianas para os períodos P2 e P4 aumentam com o aumento da turbidez média da água bruta: P2 P4 =,87 ut (>1 ut); P2 P4 = 1,97 ut (>2 ut); P2 P4 = 3,21 ut (>4 ut). Percebe-se também um estreitamento entre o primeiro e o terceiro quartil, o que fica mais nítido quando são observados os dados relativos a turbidez bruta acima de 4uT (Figura 6). Ao organizar os dados em classes de turbidez de água decantada e comparar os períodos antes e depois da reforma, observa-se uma porcentagem acumulada maior, para uma mesma classe, no período após a reforma; observa-se ainda que com o aumento da turbidez média da água bruta, as diferenças entre os períodos (antes e depois das reformas) ficam mais pronunciadas (Tabela 6). CONCLUSÕES O trabalho bem demonstra a importância de uma boa sistematização de um banco de dados, de forma a melhor subsidiar a avaliação de desempenho de uma ETA. As informações reunidas neste trabalho evidenciam que as intervenções realizadas resultaram em melhora no desempenho, hidráulico e em termos de estabilidade, dos processos de decantação e filtração. Em resumo, após as intervenções de melhoria o maior ganho de desempenho, até então, é registrado no processo de filtração e no período de seca (turbidez da água bruta mais baixa). Espera-se ainda a demonstração de maior ganho de desempenho da decantação para faixas mais altas de turbidez da água bruta, sendo que esta situação configurava-se como uma das grandes deficiências da ETA UFV. Em que pesem os ganhos registrados, os resultados sugerem a necessidade, e a possibilidade, de otimização ainda mais rigorosa dos processos de tratamento, o que deve ser buscado com a otimização da coagulação para os diversos valores de turbidez da água bruta. Em última análise, deve-se buscar a otimização da decantação e, ou, da filtração, com a meta de obtenção sistemática de um efluente filtrado com turbidez inferior a,3 ut. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BASTOS, R,K,X, VARGAS, L,C, MOISÉS, S,S; SILVA, H,C, A, Avaliação do desempenho de estações de tratamento de água: desvendando o real. In: CONGRESO INTERAMERICANO DE INGIENERIA SANITARIA Y AMBIENTAL, XXVII, Porto Alegre, 2, Anais... Rio de Janeiro: ABES, 2 (Anais eletrônicos). 2. BASTOS, R,K,X, PERÍGOLO, R. A, NASCIMENTO, L. E, Controle operacional e qualidade da água em estações de tratamento de água em situações adversas, A importância do conhecimento dos parâmetros de funcionamento da ETA. In: EXPOSIÇÃO DE EXPERIÊNCIAS MUNCIPAIS EM SANEAMENTO, XXVII, Santo André, 23, Anais... Jaboticabal: ASSEMAE, 23 (Anais eletrônicos). 3. CENTRO PANAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y CIENCIAS DEL AMBIENTE, Ciclo: Tratamiento, Serie: Filtración rápida, Evaluación, Lima, Peru: CEPIS, 1992 (Programa Regional HPE/OPS/CEPI de Mejoramiento de La Calidad del Agua para Consumo Humano, Manual IV). 4. MINISTÉRIO DA SAÚDE, Portaria n o 518, de 25 de março de 24. Estabelece os procedimentos e responsabilidades relativas ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade e dá outras providências. Diário Oficial da União, 26 de março de 24, Seção 1, pg, 266, 5. UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, National primary drinking water regulations: interim enhanced surface water treatment; final rule, Part V (4 CFR, Parts 9, 141, 142), Federal Register, vol, 613n, 94241, Wednesday, December 16, 1998, Rules and regulations, Washington, DC: EPA, 1998, p, , 1998.