RELATÓRIO FINAL RELATÓRIO TÉCNICO

Transcrição

1 RELATÓRIO TÉCNICO Projeto: Mini Estação de Tratamento de Água Orientador: Heros Horst Bolsista/Estudante IC: Luana Loch Resumo dos principais tópicos desenvolvidos: Visita técnica a uma estação de tratamento de água (ETA); Exposição de conceitos químicos e técnicos de uma ETA aos bolsistas do ensino médio; Realização de análises dos parâmetros necessários para o funcionamento do protótipo e verificação da qualidade da água; Leitura de trabalhos científicos e livros; Tomada de preço para compra de reagentes e equipamentos para a construção da mini estação de tratamento de água; Análise do projeto de construção do protótipo; Determinação de parâmetros para o funcionamento do protótipo; Comprovação da efetividade do tratamento; Explanação e demonstração da Mini ETA em escolas de ensino médio do Alto Vale do Itajaí SC. Revisão bibliográfica efetuada: Padrões de potabilidade A água destinada ao abastecimento humano precisa ser de boa qualidade, afim de não provocar nenhum dano à saúde pública. Conforme Richter (2009), a qualidade da água é avaliada pela determinação de diversos parâmetros de potabilidade, como parâmetros físicos, químicos e microbiológicos. Parâmetros físicos Ao olhar da população que recebe a água tratada, se esta possuir propriedades organolépticas alteradas, como cor, odor e sabor desconformes, significa que a mesma está poluída. Estes aspectos nem sempre são indicadores de poluição, mas para visar a aceitação humana, alguns parâmetros são monitorados. Segundo Di Bernado e Dantas (2005), as características físicas não possuem grande importância sanitária, mas são decisivos no processo de tratamento da água. Turbidez Este parâmetro indica, de forma subjetiva, a transparência na água. Como Richter (2009) relata, a turbidez é uma propriedade ótica da água que impede a transmissão de um feixe de luz emitido sobre a alíquota de água, por meio da dispersão e absorção. As substâncias que promovem este efeito são as partículas em suspensão, que podem ser matéria orgânica e inorgânica, bactérias, algas entre outros micro-

2 organismos e até pequenas bolhas. Possui grande importância no tratamento de água, pois como informa Ferreira e Pádua (2010), e um dos principais parâmetros operacionais de uma ETA, além de servir como indicador sanitário, pois valores elevados de matéria orgânica em suspensão podem proteger micro-organismos da desinfecção. A Portaria 2914/2011 do Ministério da Saúde estabelece um valor 0,5 ut para tratamento completo e 5 ut em qualquer ponto da rede de distribuição. A análise deste parâmetro pode ser efetuada pelo método nefelométrico por meio de um turbidímetro ou por meio do espectrofotômetro. Temperatura Sabe-se que uma água fresca é mais aceitável que uma mesma quente, além de reduzir o gosto e odor da mesma. Este parâmetro, como afirma Mihelcic e Zimmerman (2012), pode afetar outros padrões como densidade, viscosidade, pressão de vapor, tensão superficial, solubilidade, entre outros que afetam a operação da ETA. Além disso, temperaturas altas favorecerem o crescimento de micro-organismo, desta forma Ferreira e Pádua (2010) indicam que a temperatura da água não deve ser inferior a 5 ºC e nem superior a 15 ºC. A portaria 2.914/11 do Ministério da Saúde não estabelece faixa de temperatura da água de abastecimento, este parâmetro irá influenciar a concentração do desinfetante e o seu tempo de contato com a água. A medição da temperatura se dá por meio de termômetros variados. Parâmetros químicos Os contaminantes de um curso hídrico de origem química possui maior risco à saúde, comparado com os de origem física, devido sua característica tóxica. Conforme Ferreira e Pádua (2010), os danos à saúde são originados após longos períodos de exposição dos compostos químicos na água destinada ao consumo humano. Desta forma estes contaminantes possuem menor prioridade de análise e correção que os de origem microbiológica, que causam problemas imediatos. As características químicas da água, como relata Di Bernado e Dantas (2005), possuem elevada importância no tratamento da mesma, sendo que certos compostos químicos podem inviabilizar alguns processos, além de exigir tratamentos específicos. ph O ph (potencial hidrogeniônico) representa a concentração de íons hidrogênio na água, ou seja, expressa condições ácidas (ph<7) ou básicas (ph>7). O valor deste parâmetro, segundo Ferreira e Pádua (2010), é de grande importância nos processos de coagulação e desinfecção da água, e deve ser corrigido, quando necessário, após o término do tratamento afim de evitar corrosão e incrustação na rede. A Portaria 2914/2011 do Ministério da Saúde recomenda que o ph permaneça entre 6,0 e 9,5 na rede de distribuição. O ph pode ser determinado por método colorimétrico, sendo por meio da mudança de coloração da amostra ao adicionar soluções indicadoras ou do papel indicador emergido na alíquota em questão. O método mais preciso é por meio de um aparelho denominado phmetro. Cloro residual

3 A desinfecção é a etapa do tratamento em que ocorre a inativação dos microorganismos patógenos. A maior parte das ETAs desempenham este processo com a adição de cloro na água. Conforme Ferreira e Pádua (2010), uma importante característica de um desinfetante é manter um residual estável após a desinfecção. Desta forma, o cloro residual livre é um indicador da eficiência do processo além de prevenir a contaminação da água na rede de distribuição. A Portaria 2914/2011 do Ministério da Saúde estabelece um mínimo de 0,2 mg/l de cloro residual livre ou 2 mg/l de cloro residual combinado em todo o sistema de distribuição, e um valor máximo de 5 mg/l de cloro residual livre. Além destes parâmetros, a água de abastecimento deve estar em conformidade com o padrão de substâncias químicas que oferecem risco a saúde e ciatoxinas expressos no Anexo I e Anexo II, estabelecido pela Portaria 2914/11 do MS. Outro parâmetro importante é o padrão organoléptico, demonstrado no Anexo III. Parâmetros microbiológicos Inúmeras doenças infecciosas podem ser desenvolvidas por meio da veiculação hídrica. Os patógenos podem pertencer a classe diferentes de micro-organismos, sendo eles vírus, bactérias, protozoários e helmintos. Segundo Ferreira e Pádua (2010), a identificação e quantificação de todos os patógenos são limitadas na técnica e no financeiro, sendo assim, a qualidade microbiológica se dá por meio de indicadores como as bactérias E. coli ou coliformes termotolerantes. Richter (2009) demonstra que estes indicadores possuem características de um parâmetro da qualidade da água, pois estão presentes em ambientes onde o esgoto se encontra, sobrevivem mais tempo na água que os patógenos e são facilmente isoladas. Porém, deve-se salientar que estes não demonstram a presença de vírus, cistos e oocistos de protozoários e ovos de helmintos, pois estes são mais resistentes a desinfecção que as bactérias (FERREIA E PÁDUA, 2010). Sendo assim, além da determinação dos coliformes, deve analisar outros padrões para a qualidade microbiológica, como o baixo índice de turbidez e a presença de residual da desinfecção na rede. Conforme a Portaria do MS 2914/2011, a água destinada para consumo deve apresentar ausência de E. coli e coliformes totais em 100 ml de amostra. Bactérias heterotróficas Parâmetro que analisa a integridade do sistema de distribuição, segundo a Portaria 2914/11 do MS, a contagem destas bactérias deve ser realizada em 20% das amostras mensais de coliformes totais, sendo que não deve ultrapassar o valor de 500 UFC/mL. Tratamento de Água de Abastecimento Sabe-se que a água é uma substância indispensável a qualquer ser vivo, sendo assim, esta deve ser de boa qualidade, sem nenhum risco a saúde. Devido à poluição do nosso planeta, a água potável está em constante redução, o que demonstra o difícil acesso a este bem em inúmeros países. Desta forma, a água com a finalidade de consumo humano necessita de inúmeros processos de tratamento para remoção das impurezas. O tratamento de água para abastecimento tem como objetivo disponibilizar água potável, livres de contaminantes e de micro-organismos patogênicos, e que seja de

4 qualidade para consumo humano. O tratamento consiste em uma série de etapas físicoquímicas e de processos unitários exigidos para atenderem padrões sanitários e ambientais, na qual a água é submetida. Coagulação A água ao chegar à estação de tratamento possui inúmeras substâncias dissolvidas e suspensas. O método de retirada destas substâncias é por meio da clarificação, formada pela coagulação, floculação e decantação. Segundo Mihelcic e Zimmerman (2012) a coagulação é a neutralização da carga que envolve as partículas suspensas e dissolvidas, com o auxílio de coagulantes adicionados a água. Como Silva (2008) relata, a coagulação ocorre por dois fenômenos, sendo eles: a) químico: ocorre a reação entre o coagulante e a água formando espécies hidrolisadas com carga positiva; b) físico: transporte das partículas com carga positiva para que entrem em contato com as outras substâncias presentes na água. A reação entre a água e o coagulante ocorre instantaneamente, por isso segundo Brasil (2006), a mistura destes componentes deve ocorrer em uma área com agitação, para que todo o coagulante se dissolva na água. O mecanismo desta mistura pode ser hidráulico ou mecanizado. Em uma estação de tratamento de água pode-se utilizar inúmeros tipos de coagulantes. Conforme Pádua (2010) os principais compostos que possuem esta propriedade são: sulfato de alumínio, cloreto férrico, sulfato ferroso clorado, sulfato férrico e o hidroxi-cloreto de alumínio (HCA ou PAC). O processo de coagulação depende de alguns parâmetros, como o ph do meio, a temperatura, a dosagem de coagulantes, quantidade de partículas suspensas e o gradiente de velocidade da mistura. Para a reação de coagulação ocorrer corretamente, o ph do meio deve estar básico, pois como menciona Mihelcic e Zimmerman (2012), os principais coagulantes são sais de caráter ácido fraco, e irão consumir uma certa quantidade da alcalinidade do meio. Se a água não possuir uma alcalinidade suficiente, deve-se adicionar cal para elevar o ph.a temperatura irá influir na coagulação, pois pode atuar na constante de equilíbrio da água, que pode variar o ph do meio além de alterar a viscosidade (RICHTER, 2009). Deve haver uma dosagem proporcional a quantidade de substâncias dissolvidas e suspensas, conforme Pádua (2010) se haver uma dosagem baixa as cargas não serão totalmente neutralizadas, deixando partículas indesejadas no meio, se houver uma dosagem maior poderá gerar problemas nos filtros, além do desperdício de coagulante. A dispersão dos reagentes químicos responsáveis pela coagulação depende diretamente do gradiente de velocidade da mistura, que como demonstra Pádua (2010), os valores devem estar entre 500 s -1 e 7000s -1. A coagulação é um processo determinante para o funcionamento de toda a ETA, principalmente na decantação e filtração. Se este processo não ocorrer de forma correta, o tratamento da água não será bem sucedido (RICHTER, 2009). Floculação Após passar pelo processo de coagulação, a água em tratamento segue para a etapa de floculação. A ABNT (1992) determina que o processo de floculação promova a agregação das partículas inicialmente produzidas na coagulação, sendo que o período de

5 detenção e o gradiente de velocidade devem ser determinados por meio de ensaio prévios com a água a ser tratada. No início da floculação o gradiente de velocidade deve ser maior, pois as partículas ainda encontram-se dispersas na água, o que se faz necessário uma agitação mais intensa para haver a agregação das mesmas. Segundo Silva (2008), o gradiente de velocidade deve diminuir com o passar do tempo, pois como há um aumento considerável dos flocos, uma grande agitação pode quebrá-los. A agitação da água na floculação pode ocorrer de várias formas, sendo as principais hidráulicas e mecânicas. Como relata Richter (2009), os floculadores hidráulicos são formados por tanques compostos por inúmeros obstáculos chamados chicanas. A água pode passar por elas no sentido horizontal (movimento de vai e vem) ou no sentido vertical (movimento de sobe e desce). Este mecanismo visa utilizar a energia hidráulica dissipada no fluxo da água. A agitação mecânica ocorre por meio de um agitador mecânico (formado por paletas ou turbinas) em movimentos diversos como giratórios e alternativos, sendo assim é introduzida uma forma de energia para ocorrer o deslocamento da água. A floculação hidráulica possui menor custo de implantação e manutenção, além de simples operação, mas é difícil fazer alterações de gradientes de velocidade, o que a torna inviável em ETAs (PÁDUA, 2010). Em uma estação de tratamento de água, as etapas de coagulação e floculação unidas possuem objetivos bem específicos, conforme demonstrado por Miranda e Monteggia (2007): a) remover as substâncias suspensas que não sedimentam rapidamente; b) remover a cor aparente e verdadeira; c) eliminação de organismos patogênicos que podem estar presentes nas partículas suspensas; d) remoção de fosfatos que servem como nutrientes para algas. Decantação Como há presença de partículas suspensas na água, devido à coagulação e a floculação, é necessário o processo de sedimentação ou decantação. Segundo Richter (2009), este processo é o fenômeno físico associado à gravidade, que faz com que as partículas com massa específica maior que o líquido da solução se depositem no fundo do reservatório. Em estações de tratamento de pequeno porte, a sedimentação simples (sem uso de coagulação e floculação) pode ser utilizada como uma alternativa de tratamento. Como resalta Pádua (2010), este processo reduz o custo operacional com processos de pré-tratamento, e produz resíduos sem compostos químicos resultantes do tratamento. Mas em contrapartida, a velocidade de sedimentação é menor, o que faz necessário um espaço físico maior para a decantação. A sedimentação das partículas ocorre em locais destinados a esse processo, denominados decantadores. Como demonstra Paz (2007), existem diversos decantadores, sendo os principais: a) convencionais: tanque retangular com uma grande dimensão de comprimento, onde o fluxo é horizontal, a água entra em uma extremidade e durante o escoamento as partículas depositam-se no fundo, e então deixa a área pelo extremo oposto. b) alta taxa: taque com obstáculos (dutos ou placas) paralelos, instalados com certa inclinação em relação ao escoamento. O objetivo é aumentar a área de contato entre a superfície e as partículas, o que facilita a sedimentação e melhora a eficiência da

6 remoção dos flocos, o que pode resultar em um menor dimensionamento dos taques de sedimentação. Os taques de decantação das ETAs devem ser dimensionados conforme a demanda e a qualidade de água da mesma. Mas como Brasil (2006) afirma, deve-se ter cuidado com os parâmetros operacionais, como a taxa de escoamento superficial (vazão/área do decantador) que deve se igualar com a velocidade de sedimentação da menor partícula. Filtração A maior parte das partículas suspensas na água foi retida pela decantação, mas algumas substâncias indesejadas ainda encontram-se presentes na água. A filtração, como Duarte (2011) afirma, é o processo responsável pela remoção dos fragmentos sólidos contidos na água, juntamente com a retenção de micro-organismos e compostos orgânicos e inorgânicos. A filtração empregada em estações de tratamento de água é divida em duas formas distintas, a filtração em meio granular e a filtração em membrana. A filtração em meio granular pode ocorrer por meio de diversos tipos de filtros, conforme Brasil (2006) se for em função ao sentido, são classificados em ascendentes e descendentes; e se for em relação da velocidade de filtração, em rápidos ou lentos. Estes filtros são formados por um leito filtrante (simples ou duplo), e podem possuir ainda uma camada suporte de pedras e um fundo falso repleto de orifícios, por onde a água é retida, o que evita a contaminação da mesma. O processo de filtração lenta é empregado geralmente, em áreas rurais ou de pequeno porte. Como relata Pádua (2010), este método não necessita do emprego de um coagulante prévio, pois o tratamento ocorre por um meio biológico, desta forma, juntamente com a menor frequência de limpeza da unidade, este se torna um procedimento com menor custo e maior facilidade de operação. Em contrapartida, a taxa de filtração é menor, segundo Brasil (2006) os valores são de 2 a 6 m 3 de água por m 2 de filtro ao dia, o que faz necessário a implantação de uma área maior em relação à filtração rápida. Certas estações de tratamento de água utilizam o método de filtração direta. Neste caso, a água a ser tratada passa somente pelos processos de coagulação e floculação, não passa desta forma pelos decantadores. Conforme Paz (2007), este método pode ser de fluxo ascendente e descendente. O primeiro é constituído geralmente de areia grossa como meio filtrante e pedregulho como suporte, já o segundo utiliza antracito e areia, ou somente areia no seu leito filtrante. A filtração rápida é a última etapa de retirada de partículas de um tratamento convencional, ou seja, a água será encaminhada ao filtro após passar pela coagulação, floculação e decantação, sendo este o processo de filtração mais utilizado. Desta forma, a qualidade da água bruta que será filtrada não possui muita importância, pois passa por vários processos antes de chegar ao filtro, sendo considerado o método de filtração mais eficiente. Como Brasil (2006) afirma, a taxa de filtração varia de 120 a 600 m 3 de água por m 2 de filtro ao dia, isto varia conforme o meio filtrante e o tipo da ETA. O fluxo pode ser ascendente ou descendente, sendo o último mais comum. Conforme Miranda e Monteggia (2007), o leito filtrante é formado, na maioria dos casos por areia, ou ainda por uma camada sobre esta de antracito, o meio suporte pode ser de seixos rolados ou de pedregulho. As impurezas ainda presentes na água ficam retidas no interior dos filtros e são retiradas por meio da lavagem dos mesmos. Segundo Pádua (2010), cada filtro possui

7 um período entre o início da filtração e a paralisação para a lavagem do filtro, denominada carreira de filtração. Este tempo varia com as características de cada meio, mas o processo é interrompido sempre em que a água filtrada começa a apresentar parâmetros que não atendem o padrão de potabilidade. Mihelcic e Zimmerman (2012) relata que a limpeza dos filtros lentos se da pela retirada da camada superior do leito filtrante, já na filtração direta e rápida a retirada das impurezas ocorre por meio da retrolavagem. Este método consiste no fluxo ascendente de água, em alguns casos também ocorre a passagem do ar, que carrega as substâncias para fora do leito. As estações de tratamento de água ainda podem apresentar unidades de filtração por meio de membranas. Este método consiste em um material semipermeável com microaberturas de filtração, sendo que pode remover material particulado, micromoléculas, moléculas e íons dissolvidos (PÁDUA, 2010). A separação das impurezas ocorre pela pressão hidráulica exercida sobre o meio. Segundo Oliveira (2010), a característica principal que atua na retenção das substâncias é o tamanho dos poros das membranas, o tamanho da abertura decresce da microfiltração até a osmose reversa, sendo intermediários a ultrafiltração e nanofiltração, respectivamente. Estas, por sua vez, podem atuar em tratamentos independentes, ou combinadas entre si. Desinfecção A água filtrada, na maioria dos casos, encontra-se isenta de partículas suspensas e dissolvidas, mas os micro-organismos ainda encontram-se presentes na mesma. Muitos destes seres não afetam a qualidade da água, mas outros são patógenos e devem ser eliminados da água. Conforme Richter (2009), a desinfecção objetiva a destruição dos micro-organismos patogênicos presentes na água, sendo principalmente as bactérias, protozoários, vírus e vermes. Segundo o mesmo autor há diferença entre desinfecção e esterilização, onde o primeiro destrói somente os seres que afetam a saúde pública, já o segundo elimina todos os tipos de micro-organismos. Os desinfetantes devem possuir algumas características para poderem ser empregados na ETAs, estes são relatados segundo Pádua (2010): a) destruir em um período plausível os organismos patógenos; b) não serem tóxicos a população abastecida e não causarem odor e sabor na água com as dosagens usuais; c) estarem disponíveis no mercado com preços aceitáveis e oferecerem condições de transporte, armazenamento, manuseio e aplicação seguras; d) terem sua concentração na água obtida de forma fácil e rápida; e) produzirem compostos residuais duráveis na água, o que assegura a qualidade da água em todo o sistema. Os agentes desinfetantes como afirma Pádua (2010), podem ser oxidantes químicos (cloro, bromo, ozônio, permanganato de potássio e peróxido de hidrogênio), íons metálicos (prata e cobre) e agentes físicos (calor e radiação ultravioleta). A eficiência da desinfecção ocorre por meio do parâmetro K, constante de desativação de cada micro-organismo em relação ao ph e a temperatura (BRASIL, 2006). O cálculo do K se da por meio da multiplicação entre a concentração do desinfetante e o tempo de contanto. Conforme Sanches, Silva e Viera (2003), no Brasil o desinfetante mais utilizado é o gás cloro e seus derivados, como hipoclorito de sódio, devido ao seu baixo custo e fácil manipulação. A forma mais barata e eficiente do uso do cloro é a gasosa. Se estiver armazenado em cilindros à pressão elevada, o composto tornar-se líquido, e um litro deste equivalem a 460 litros de gás. Mas como Richter (2009) informa este gás é muito

8 tóxico e deve-se dispor em áreas abertas. Em estações de menor porte o mais empregado é o hipoclorito de sódio, que é diluído na água antes da aplicação e apresenta um valor de 5% a 15% de cloro. Outro composto acessível é o hipoclorito de cálcio, disponível em pastilhas, pó ou em forma granular e contém 65% de cloro. A maior desvantagem da utilização do cloro é o fato de que em contado com matéria orgânica dissolvida pode haver a formação de trihalometanos (THMs). Estes compostos são formados por um átomo de carbono, um átomo de hidrogênio e três átomos de halogênios. Como relata Sanches, Silva e Vieira (2003), a maior parte dos THMs, como o clorofórmio, é cancerígena e podem afetar consideravelmente a saúde pública. Desta forma existe uma busca constante para novos agentes desinfetantes que possam ser utilizados nas águas de abastecimento. O ozônio pode ser uma alternativa, segundo Mihelcic e Zimmerman (2012), mas este não produz um residual que possa continuar a desinfecção durante a distribuição, além de poder formar bromato, outro composto cancerígeno. Conforme o autor, a radiação ultravioleta atua nos ácidos nucleicos, onde ocorre a inativação do mesmo. O problema deste método é a ausência de residual, que pode comprometer a qualidade da água no percorrer da distribuição. Fluoretação As águas de abastecimento suprem inúmeras necessidades como higiene pessoal, limpeza geral, cozimento de alimentos, fornecimento de água potável, além de auxiliar na saúde pública. A fluoretação é a etapa que consiste na adição de compostos fluoretados que serão responsáveis pela prevenção de cáries dentárias. A fluoretação não é um método de tratamento da água, mas faz a Portaria n 2914/2011 do Ministério da Saúde estabelece o seu valor máximo permitido de 1,5mg/L de fluoreto. Conforme Brasil (2006), doses em excesso de deste composto pode ser prejudicial à saúde, pois pode provocar a fluorose dentária e a osteoporose. A concentração do íon fluoreto na água varia conforme a temperatura da mesma, sendo estabelecida por uma equação em função desta variável (FUNASA, 2012). Onde: E = 10,3 + 0,725 T T = média de temperaturas máximas diárias (em graus Célsius) de um período mínimo de um ano, sendo recomendados cinco anos. Desta forma em climas mais quentes a concentração de flúor é menor para não provocar nenhum risco à saúde. A fluoretação pode ocorrer com a aplicação de diversos produtos, porém, estes devem se enquadrar em algumas características. Segundo a FUNASA (2012), os compostos devem apresentar alta solubilidade, baixo custo, pequena distância entre o fornecedor e o consumidor, adequado transporte e estocagem, fácil manuseio e poucos riscos operacionais. Os produtos que mais condizem com estas particularidades são o Ácido Fluorsilícico (H2SiF6) e o Fluorsilicato de Sódio (Na2SiF6). Materiais e Métodos Sendo o foco do projeto a divulgação da importância do tratamento adequado da água de abastecimento, a primeira atividade realizada foi a conscientização dos bolsistas estudantes do ensino médio. Para tanto, inicialmente apresentou-se aos mesmos conceitos químicos primordiais ao tratamento de água, como equilíbrio químico, ph, reações químicas, solubilidade entre outras. Tendo a compreensão destes conceitos,

9 iniciou-se a pesquisa bibliográfica, com a leitura de livros e artigos científicos e a construção da base bibliográfica do projeto. Em paralelo com as pesquisas bibliográficas, realizou-se uma visita técnica a Estação de Tratamento de Água de Itajaí, Santa Catarina. A entidade responsável pelo abastecimento de água da cidade é o Serviço Municipal de Água, Saneamento Básico e Infraestrutura, a SEMASA. No local teve-se uma melhor visão do processo de tratamento convencional da água bruta, como o processo de coagulação, floculação, decantação, filtração e cloração como demonstrado nas figuras 1 e 2. Figura 1 Processo de coagulação e floculação (a) Coagulação Fonte: Produção do autor (b) Floculação Figura 2 Processo de decantação e filtração (a) Decantação Fonte: Produção do autor (b) Filtração Para comprovar a efetividade da Mini Estação de Tratamento de Água, será realizado análise dos parâmetros no local da exposição, com exceção dos coliformes termotolerantes, por meio de equipamentos pertencentes à universidade executora. A fim de compreender os métodos utilizados para análise dos parâmetros de água, demonstrou-se os mesmos de forma experimental, para os bolsistas do ensino médio da instituição co-executora. A metodologia utilizada para os métodos empregados nas análises físico-químicas e biológicas foram seguidas conforme as instruções do APHA (1992), (1998) e (2005). Cloro residual

10 O cloro residual pode ser medido na sua forma livre ou combinado, por meio de um clorímetro baseado no método DPD (Figura 03). Este aparelho emite um feixe de luz com comprimento de onda específico e quantifica desta forma o valor de cloro residual presente na amostra. Para realizar a análise, adiciona-se o composto DPD na alíquota em questão, este reagirá com o cloro livre presente e formará uma coloração que será medida pelo aparelho. A forma do cloro residual combinado se mede indiretamente, pois após a medida do livre, adiciona-se na amostra uma pequena medida de Iodeto de Potássio que reagirá com o cloro total da amostra, gerando uma coloração mais acentuada. A diferença entre a medida do cloro total e livre é o valor do cloro combinado. A análise deste parâmetro é feita no final do processo de tratamento, verificando se está adequado segundo a legislação. Figura 3 - Clorímetro (MS Tecnopon modelo CL 800) Coliformes termotolerantes Para verificar a presença de coliformes termotolerantes e quantificar os mesmos será utilizado o método do substrato cromogênico. As alíquotas de água são coletadas em frascos de vidro esterilizados, por meio da autoclave. No laboratório adiciona-se 1ml da amostra a 99ml de água estéril. Em seguida, insere-se o reagente, homogeneíza-se a amostra e a distribuí-se em cartelas, selando-as (Seladora Quanty-Tray) e as incubando na estufa a 35 C durante 24h. A partir da utilização de meios de cultura com substratos indicadores, a presença desse grupo de bactérias indicadoras promove a hidrólise desse reagente, com mudança de cor para o azul (indicando presença de coliformes totais) ou fluorescência quando exposta à luz ultravioleta (indicando presença de coliformes termotolerantes). O método do substrato cromogênico descrito está de acordo com as instruções do Standard Methodos for Examination of Water and Wastewater (APHA, 1998). Os materiais necessários estão explícitos na figura 4.

11 Figura 4 Materiais necessários para a determinação de coliformes termotolerantes (a) Autoclave (Prismatec modelo Autoclave Vertical CS-50L). (b) Estufa (Nova Ética, modelo 402). (c) Reagente (Readycult, Coliforms 100). Potencial Hidrogeniônico (ph) As medidas de ph são obtidas por meio da utilização do phmetro representado na figura 05, o equipamento ainda possui um compensador de temperatura. O equipamento mede a diferença de potencial elétrico entre o eletrodo e a solução a ser medida. O eletrodo consiste de um tubo de vidro com um filete de metal e uma solução de concentração de H + conhecida, no seu interior. Antes de utiliza-lo deve-se calibrar o mesmo com solução tampão, de ph 4 e 7, sempre efetuando o enxágue do eletrodo antes de inserir em uma nova solução. Figura 05 - Medidor de ph (Lutron, modelo PH 221). Temperatura As medidas de temperatura são tomadas por meio da utilização do termômetro acoplado ao peagâmetro com escala de 0,1 C. Turbidez (Tu) As amostras coletadas são analisas pela medida direta por meio de um turbidímetro, explícito na figura 06. Este aparelho emite um feixe de luz que ao

12 atravessar a amostra é refletido, desta forma ele compara o espalhamento deste feixe com de outra amostra padrão, quanto maior o espalhamento maior é o valor da turbidez. Antes de efetuar a medida deste parâmetro deve-se calibrar o aparelho, efetuando a medida de padrões com turbidez definida. Figura 06 - Turbidímetro (MS Tecnopon, modelo TB 1000P). Construção da Mini-estação de tratamento de água Desta forma, com os conceitos bem estabelecidos e com a compreensão do funcionamento de uma ETA, realizou-se a pesquisa e elaboração do projeto da Mini Estação de Tratamento de Água. A concepção da estação de tratamento em escala reduzida foi realizada com a parceria do engenheiro químico da companhia de saneamento da cidade de Itajaí (SEMASA). O engenheiro José Adriano Kielling cedeu gentilmente o projeto e este foi desenvolvido com algumas adaptações em placas de acrílico. Ao receber o esboço do protótipo, a equipe de pesquisa reuniu-se com o objetivo de analisar o mesmo e estabelecer mudanças para tornar a Mini ETA com mais facilidade de construção, mais praticidade de manipulação e melhor qualidade de tratamento. O material escolhido para a fabricação desta miniatura foi o acrílico, que necessita de manipulação especial para seu corte, sendo este somente a laser e a sua adesão, sendo instituída com cola especial para o material. Sendo assim, procurou-se um profissional que atua com a construção de peças deste material para auxiliar a construção do protótipo. Desta forma, levou-se o projeto inicial a este profissional que fez as devidas alterações já estabelecidas anteriormente pelo grupo da pesquisa. Após esta etapa concluída, iniciou-se a construção da Mini Estação de Tratamento, que ocorreu nas dependências da empresa, com o auxilio dos alunos pesquisadores. Utilizou-se chapas acrílicas com espessura de 6 mm para suportar a força exercida pela água nas laterais e fundo do protótipo (Figura 7).

13 Figura 7 Chapas de acrílico de 6 mm Devido à complexidade do corte das placas de acrílico, o mesmo foi executado com uma máquina Goldensing laser como demonstrado na figura 8. Este equipamento emite um feixe de raio laser que instantaneamente corta o material desejado. A peça final é desenhada em um software no sistema operacional do equipamento. Após programado este comanda as coordenadas e medidas para o corte que posteriormente resulta na peça desejada. Figura 8 Corte a laser das placas de acrílico A cola utilizada (Figura 9) atua no princípio de dissolver a estrutura dos compostos do material acrílico, quando este líquido evapora, as substâncias se unem novamente e assim colam as duas peças em questão. A aplicação da mesma ocorre com uma seringa de vidro, devido às características acima descritas, se a mesma fosse de plástico não sustentaria duas aplicações. A agulha auxilia a cola a percolar entre as placas de acrílico a serem coladas. Para melhor impermeabilizar a estrutura, utilizou-se silicone logo após a cola, evitando assim o vazamento posterior de água.

14 Figura 9 Colagem das peças (a) Cola específica para acrílico (b) Aplicação da cola A montagem da Mini ETA iniciou-se pelas paredes de entrada da água bruta e saída da água tratada. Para facilitar construíram-se os compartimentos do filtro e da coagulação, devido a maior facilidade de montagem. Com esta base pronta, iniciou-se a montagem da calha que fica localizada acima da decantação e recolhe a água desta etapa e encaminha para a filtração. Estas etapas de construção estão demonstradas na figura 10. Figura 10 Montagem da Mini ETA (a) Compartimentos de coagulação e filtração (b) Construção da calha A próxima etapa foi a construção da superfície inferior da decantação. Esta possui um perfil inclinado para facilitar o depósito dos flocos no fundo do decantador. Para tanto se construiu uma peça com inúmeras placas de PVC de 20 mm, que foram cortadas com uma máquina específica, lixadas e unidas com massa corrida, para tornar a superfície ainda mais lisa. Este componente foi fixado com silicone nas laterais para evitar vazamentos. A construção do mesmo está explícita na figura 11.

15 Figura 11 Construção da superfície interna do decantador (a) Corte das placas (b) Aplicação do silicone Outro componente da etapa de decantação são as chicanas, obstáculos que auxiliam a reter os flocos de sujeira produzidos na floculação. Para fixar as mesmas adaptou-se um suporte em cada lateral. O mesmo possui o corte de encaixe das chicanas num ângulo de 45 para aperfeiçoar a retenção. Estas chicanas são filetes de PVC finos com a finalidade de gerar uma superfície de contato mais áspera, lixou-se as mesma irregularmente. Estas etapas estão apresentadas na figura 12. Figura 12 Montagem das chicanas (a) Corte do suporte das chicanas (b) Montagem das chicanas no suporte Por fim, colocaram-se os registros de controle de entrada e saída da água e a calha sobre o decantador. Foi construído ainda o reservatório onde irá ocorrer a etapa final do tratamento, a cloração. Com tudo finalizado, realizou-se um teste breve com água distribuída pela empresa de abastecimento da cidade para verificar se possuía vazamentos. Ao perceber o correto funcionamento, a Mini ETA foi encaminhada ao laboratório da Universidade para os testes completos. O protótipo pronto está explícito na figura 13.

16 Figura 13 Mini Estação de Tratamento de Água Fonte: Produção do autor Em fim, com a Mini Estação de Tratamento de Água totalmente montada, encaminhou-se a mesma ao laboratório da universidade executora do projeto. Neste ambiente executaram-se inúmeros testes de viabilidade do protótipo. Instalou-se junto a miniatura outros equipamentos necessários ao pleno funcionamento da estação, sendo eles um agitador mecânico, importante na coagulação e uma bomba dosadora, responsável em distribuir o coagulante, o corretor de ph e o desinfetante. Ao analisar a bibliografia para identificar os compostos utilizados na estação, escolheu-se o Sulfato de Alumínio (Al 2 (SO 4 ) 3 ) como coagulante, o Óxido de Cálcio (CaO) como álcali e o Hipoclorito de Sódio (NaOCl) como desinfetante. Sabe-se que para ter-se uma coagulação ótima, necessita-se descobrir a melhor concentração de coagulante juntamente com o ph ótimo. Para tanto se executou outro experimento de bancada antes de pôr em funcionamento a estação, o Jar Test, conhecido como o teste dos jarros. Este equipamento tem por finalidade determinar a dose necessária de coagulante para que ocorra a coagualção e floculação. O mesmo é composto por seis frascos de volume iguais e outros dose dosadores distintos para cada frasco, sendo seis únicos para o coagulante e o restante para o corretor de ph. Além disso, conta com seis agitadores, um para cada frasco que estão interligados com um painel digital, que é programado para comandar o tempo e a velocidade de agitação dos mesmos. O equipamento é apresentado na figura 14. Figura 14 Ensaio Jar Test

17 Para realizar o teste dos jarros necessita-se saber de alguns parâmetros importantes, como cor, turbidez, ph e alcalinidade, sendo que o princípio básico do teste é a remoção da cor e turbidez com o menor quantidade de coagulante. Seguindo o manual da FUNASA (2009), se a água bruta a ser analisada possuir alcalinidade natural suficiente para a coagulação, o teste não necessita de corretor de ph. Desta forma, inicia-se o mesmo com os todos os frascos contendo o volume máximo, o que varia de cada aparelho. Após liga-se os agitadores na rotação de 100 r.p.m., neste momento adiciona-se simultaneamente nos frascos a quantidade de coagulante calculada para cada um deles. Deve-se deixar agitar nesta velocidade por aproximadamente três minutos, o que representa a coagulação. Após esta etapa, reduz a velocidade de agitação para 50 r.p.m. durante 10 a 30 minutos, imitando a etapa de floculação de uma ETA. Posteriormente, deixam-se as amostras decantarem por algum tempo, de 10 a 30 minutos, e por fim recolhe-se o sobrenadante de todos os frascos e analisa-se a turbidez. A amostra que possuir o menor valor de turbidez possui a melhor concentração de coagulante necessário para a clarificação da água. Entretanto, se a água não possuir alcalinidade suficiente e desconhece-se o ph ótimo de coagulação necessita-se realizar um teste para descobrir a melhor quantidade de corretor do ph para realizar a coagulação. Para tanto, inicia-se e ensaio como descrito anteriormente, mas estabelece um valor fixo de coagulante para todos os frascos e valores distintos do corretor de ph. Adicionam-se os volumes simultaneamente quando a agitação está máxima, e repete todos os outros passos. A amostra que possuir menor turbidez corresponde a melhor concentração do corretor. Descobrindo este fator, repete-se novamente o ensaio, mas estabelece o mesmo valor da quantidade do álcali para todas as amostras e difere as concentrações do coagulante. Ao repetir o procedimento, descobrirá a melhor concentração do coagulante e corretor do ph em questão. Depois de descobrir a concentração adequada de coagulante e corretor do ph, necessita-se saber a vazão de entrada da estação e da bomba dosadora, para descobrir a concentração da solução padrão que será adicionada no protótipo em funcionamento. Para tanto, executou-se ensaios de bancada com as duas bombas, medindo o volume transferido e o tempo gasto para tal, encontrando assim a vazão exata das mesmas. Após a descoberta destes parâmetros, começou-se a construção do filtro, a última etapa de clarificação da água. Para tal utilizou-se diversos materiais, como pedras, areia e carvão ativado. Antes da montagem, procedeu a limpeza correta dos materiais, para retirar os materiais excedentes, como terra e outros compostos prejudiciais ao processo de filtração. O filtro foi formado por uma camada de pedra como o suporte, acima deste colocou-se uma camada de areia e por fim o carvão ativado. Esta camada de carvão é formada por uma mistura homogênea de carvão com areia. Esta mistura ocorreu devido as características físicas do material, o carvão está na forma de pó, e se este fosse mantido puro a água não teria passagem. Isto ocorre por que o carvão compacta e não permite que nenhum composto ultrapasse a sua camada, mesmo que esta seja delgada. Sendo assim, o próximo passo foi colocá-la em funcionamento. A água bruta utilizada na entrada da estação é coletada do rio Selin, corpo d água que permeia o campus da universidade. Esta amostra entra na estação por uma pequena bomba submersa que possui uma vazão de 25 L/h. Simultaneamente com a água bruta, o primeiro compartimento recebe o coagulante e o corretor de ph por meio da bomba dosadora que possui uma vazão de 0,215 L/h. Ao chegar no nível da lamina do agitador, o mesmo é ligando em uma rotação próxima a 150 r.p.m., homogeneizando a solução e promovendo a coagulação. Ao atingir a altura da parede que separa o outro

18 compartimento, a água transborda e cai no ambiente destinado a floculação, com a agitação da queda, os flocos se formam e ocorre o processo esperado. Esta solução se encaminha para o decantador, que trabalha de forma ascendente. A água praticamente limpa sobe, e os flocos que são mais densos ficam depositados no fundo do decantador, ou então retidos nas chicanas acopladas no sistema. A água é recolhida na superfície pela calha e assim destinada e distribuída uniformemente ao filtro. Este por sua vez é classificado como descente, a água penetra nas camadas que compõe o mesmo, os flocos que ainda existentes ficam adsorvidos e a água sai totalmente clarificada. Este compartimento possui um fundo falso, onde o líquido potável é armazenado e encaminhado ao reservatório onde ocorre a cloração. A Figura 15 demonstra o protótipo em funcionamento. Figura 15 Mini ETA em funcionamento Como em ETAs convencionais, a estação em escala reduzida também necessita de limpeza periódica. Logo após o tratamento da água na mesma, deve-se promover o seu esvaziamento por meio dos registros instalados em pontos estratégicos. Desta forma, todos os flocos presentes nas chicanas são carregados com o fluxo de água, sendo depositados no fundo do decantador e posteriormente encaminhados para fora do mesmo. Com toda a água retida, deve-se limpar corretamente o meio, visando evitar incrustações, corrosões e manchas devido a água ainda presente no artefato. O filtro também deve ser trocado periodicamente, pois com certo tempo de uso acaba perdendo as características originais, e não atua como deveria no tratamento. O material retirado deve ser encaminhado para uma disposição final correta, e a montagem do novo filtro deve ocorrer com as mesmas características anteriores. A Figura 16 demonstra a limpeza da estação devido a abertura dos registros e a consequente deposição dos flocos no fundo do decantador.

19 Figura 16 Limpeza da Mini ETA Em fim, com todos os testes realizados, e os parâmetros definidos, iniciou-se a divulgação do projeto. Para tanto, entrou-se em contato com escolas de ensino médio da região do Alto Vale do Itajaí e estabeleceram-se datas para as devidas exposições. No ato da apresentação, expuseram-se conceitos sobre a qualidade da água, seu devido uso, manejo e disposição final. Porém, o principal objetivo é a elucidação das etapas de tratamento da água, demonstrando os componentes da estação, as reações químicas e interações físicas da água com o meio e sua função dos mesmos na melhora da qualidade da água. A apresentação teve foco também na educação ambiental pouco presente nas escolas atuais, além de deixar os futuros acadêmicos a par das funções do Engenheiro Sanitarista, tendo um objetivo de incentivar os mesmo a ingressar neste curso futuramente. A Figura 17 apresenta a palestra proferida dos conceitos acima citados, além da demonstração da Mini ETA em funcionamento. Juntamente com esta explanação, aplicou-se um questionário com os alunos que estavam presentes, a fim de saber o conhecimento dos mesmos sobre o assunto em questão. O questionário está inserido no Apêndice 1.

20 Figura 17 Apresentação da Mini ETA em escolas da região Resultados Nesta categoria serão expostos os dados que demonstram o efetivo tratamento da Estação de Tratamento de Água em miniatura, que foram coletados durante os testes no laboratório da Universidade em questão. Estes dados foram encontrados por meio das análises descritas nos materiais e métodos. Os pontos de coleta para a análises foram na entrada e saída do tratamento da água. Lembrando que anteriormente do fluido em questão passar pelo tratamento, foi determinado as concentrações dos produtos necessários para a atividade de limpeza do mesmo, por meio do Jar Test, também já citado na categoria anterior. Os valores dos parâmeotros analisados são demonstrados na tabela 1. Tabela 1 Comparativo dos parâmetros do tratamento de água Experimento Parâmetros Entrada Saída Turbidez 0,89 NTU 0,98 NTU ph 7,3 7,15 01 Temperatura 27,6 C 27,9 Cloro residual livre - 1,67 mg/l Coliformes Presença Ausência Turbidez 0,98 NTU 0,23 NTU ph 7,4 7,5 02 Temperatura 28 C 27,7 C Cloro residual livre - 3,55 mg/l Coliformes Presença Ausência Turbidez 33 NTU 1,09 NTU ph 7,7 7,5 03 Temperatura 25,5 C 26,7 C Cloro residual livre - 3,97 mg/l Coliformes Presença Ausência Turbidez 1,11 NTU 0,54 NTU 04 ph 7,3 7,5 Temperatura 22,3 C 23,1 C Cloro residual livre - 3,55 mg/l

21 05 Coliformes Presença Ausência Turbidez 2,70 NTU 0,65 NTU ph 7,8 7,5 Temperatura 22,4 C 23,6 C Cloro residual livre - 1,68 mg/l Coliformes Presença Ausência Ao analisar os valores encontrados com os testes, percebe-se a efeitividade do tratamento devido principalmente a redução da turbidez. Com a realização de testes inicias do filtro, percebeu falha na filtração, pois o mesmo colmatava e não deixava passar a água decantada, mesmo utilizando a mistura com a areia fina. Sendo assim, em contato com a instituição que trata a água de Itajaí/SC, esta cedeu uma quantidade de carvão ativado granulado, o mesmo que é utilizado nas estações convencionais. Desta forma, trocou-se a camada de carvão ativado em pó por uma camada do mesmo material, mas na forma de gãos, o que fez como que o processo de filtração ocorresse normalmente. Após essa troca, percebeu um aumento da turbidez, como demonstrado no experimento 01, devido ao carreamento de partículas em suspenção de carvão ativado. Com a passagem constante de água pelo meio, estas partículas foram retiradas e o filtro começou a funcionar corretamente. Desta forma, a partir do experimento 2, a turbidez de saída sempre foi menor que a de entrada. Os valores deste parâmetro possuem um relação direta de redução, ou seja, quanto menor o valor de entrada, menor será o valor de saída. Apesar disso, a qualidade da água não seria aprovada pela Portaria do M.S /11, pois na saída do filtro os valores de turbidez devem ser no máximo 0,5 NTU, sendo que somente o experimento 2 se enquadrou neste limite. Sabe-se que uma estação em escala reduzida não consegue representar todo o tratamento de estação convencional corretamente, e devido a este impasse, este parâmetro não teve a redução esperada. Os valores dos parâmetros de temperatura e ph sofreram poucas alterações com o tratamento, sendo que os valores finais dos mesmos estão dentro da faixa de aceitação da portaria vigente de potabilidade da água. Sabe-se que a temperatura não é um parâmetro cobrado pela legislação, mas a mesma tem influência no processo de desinfecção. Já o ph deve estar em uma faixa de 6 a 9,5, sendo que nenhum experimento ultrapassou esta faixa. Por fim, a desinfecção foi efetiva em todos os testes, pois em nenhum deles houve presença de coliformes termotolerantes na saída do tratamento. As concentrações de cloro residual livre também estão dentro da faixa de aceitação da Portaria do M.S /11 que impõe uma concentraçõ de cloro residual mínima de 0,2 mg/l e máxima de 5mg/L. O valor máximo recomendado do cloro residual livre em qualquer ponto da rede de distribuição é de 2 mg/l, devido a rejeição da população pelo gosto que o excesso de cloro transmite a água. Desta forma, os testes foram realizados para atender este padrão, sendo que somente o último experimento resultou na concentração esperada. As concentrações dos produtos utilizados no tratamento variam conforme a qualidade da água bruta, desta forma cada experimento possui uma concentração diferente destes compostos. Sendo assim, econtrou-se uma faixa de concentração do coagulante, do álcali e do desinfectante, devido a variação diária da água bruta. Como as apresentações nas instuições ecolares não permitiam o uso do Jar Test, devido a mobilidade e tempo gastos, encontrou-se uma concentração padrão para todos os reagentes que resultavam uma boa qualidade da água, variando a qualidade da água

22 bruta. A tabela 2 apresenta as faixas de variações dos compostos e apresenta a concentração ótima dos mesmos para o tratamento da água bruta. Tabela 2 Concentração dos reagentes utilizados no tratamento da água Compostos Concentração máxima Concentração mínima Concentração padrão Al 2 (SO 4 ) 3 35 mg/l 30 mg/l 35 mg/l CaO 8,75 mg/l 6,25 mg/l 6,25 mg/l NaOCl 5 ppm 2 ppm 2 ppm Devido a utilização de concentrações padrões dos reagentes nas apresentações, a qualidade da água no final do tratamento não apresentou características tão boas quanto as encontradas no laboratório. O principal parâmetro dificiente foi a turbidez, sendo que o valor mais baixo encontrado foi de 5 NUT na saída do filtro. Sabe-se que este valor é o adequado para qualquer ponto de distribuição, mais na saída do tratamento este valor deve ser no máximo 0,5 NTU. Os outros parâmetros encontrados estavam dentro da faixa de aceitação da Portaria 2.914/11. Além dos dados coletados por meio das análises físico-químicas, foram computados as respostas dos questionarios aplicados em alguns alunos que estiveram presentes na demonstração do protótipo. Algumas respostas foram tabuladas na forma de gráficos para melhor visualização dos resultados. Os questionários foram respondidos por jovens com uma faixa etária média de 15 a 16 anos, sendo 57% masculinos e a maior parte cursando o segundo e terceiro ano do ensino médio. Estes dados demonstram um maior interesse dos estudantes das séries finais na ampliação do conhecimento, além da busca por informações novas para auxiliar a escolha profissional futura. Ao questionar sobre os conceitos de tratamento de água vistos em sala de aula, somente dois terços afirmaram que estudaram estes conteúdos em sala, mas somente um terço dos alunos buscaram saber mais sobre este assunto fora da escola. Sendo assim, percebe-se a falta de difusão do conhecimento dos estudantes do ensino médio sobre o saneamento básico, principalmente a qualidade e o tratamento da água de abastecimento. A próxima estapa do questionário deseja identificar o quanto os estudantes captaram de conhecimento com a apresentação, realizando perguntas sobre as etapas do tratamento e suas funções. A primeira delas é a coagulação, que segundo Mihelcic e Zimmerman (2012) a coagulação é a neutralização da carga que envolve as partículas suspensas e dissolvidas, com o auxílio de coagulantes adicionados a água, sendo considerada a etapa inicial da clarificação. Ao analisar o gráfico 1, percebe-se que mais de 50% dos alunos compreenderam este processo, mas ainda ocorre uma confusão com a segunda etapa, a floculação.