André da Silva Rodrigues. Desempenho de um sistema de filtração lenta de água em argila expandida e geotêxtil

Transcrição

1 Universidade do Minho Escola de Engenharia Desempenho de um sistema de filtração lenta de água em argila expandida e geotêxtil UMinho 2014 André da Silva Rodrigues André da Silva Rodrigues Desempenho de um sistema de filtração lenta de água em argila expandida e geotêxtil Novembro de 2014

2

3 Universidade do Minho Escola de Engenharia André da Silva Rodrigues Desempenho de um sistema de filtração lenta de água em argila expandida e geotêxtil Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Civil Trabalho Efetuado sob a orientação do Professor Doutor Júlio F. Ferreira da Silva Novembro de 2014

4

5 AGRADECIMENTOS A presente dissertação de mestrado assinala o desfecho de uma etapa relevante e longa do meu percurso académico e, assim, não posso deixar de agradecer a algumas pessoas e entidades que contribuíram de forma importante e essencial para o meu sucesso. Primeiramente, ao Professor Doutor Júlio Fernando Ferreira da Silva, pela sua orientação ao longo da realização desta dissertação. O seu apoio e disponibilidade foi uma constante em todo o processo. Ao Técnico de Laboratório de Hidráulica, João Rui Mendes Oliveira, pela sua cooperação em vários momentos importantes e pelo acompanhamento dos trabalhos experimentais. À ARGEX pela disponibilização da argila expandida utilizada neste estudo, pela brevidade de resposta quando solicitada e pelos dados disponibilizados, essenciais para a compreensão de alguns resultados obtidos. Aos docentes do Mestrado de Engenharia Civil da Universidade do Minho, pela passagem de conhecimentos, essenciais para a conclusão do curso e para a vida profissional. Aos meus amigos Diogo Sousa, Julien Domingues, João Gonçalves, Luís Freitas e Luís Silva, colegas de curso, pelo apoio, pela amizade e pelo incentivo em todo este trajeto e à Raquel Monteiro e Sara Ferreira, pela amizade. Por fim, aos meus pais pelo esforço e dedicação, aos meus irmãos e à minha família, pelo apoio dado em todas as fases da minha vida. i

6 ii

7 RESUMO A filtração lenta é um processo de tratamento de água com uma vasta aplicação desde há bastantes anos a esta parte. A presente dissertação destina-se a estudar o desempenho de um filtro lento de argila expandida com mantas geotêxtil, mais concretamente avaliar a variação de alguns parâmetros indicadores da qualidade da água, antes e após a filtração. A instalação experimental foi realizada no Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, em Azurém, Guimarães. Os parâmetros de qualidade da água medidos foram a turvação, o ph, a condutividade elétrica, a temperatura e o oxigénio dissolvido. A turvação da água foi conseguida pela adição de lodo ao sistema. O caudal médio do filtro foi de cerca de 0,37 m 3 /h, variando entre 0,22 e 0,73 m 3 /h. A taxa de filtração manteve-se entre 4,13 e 13,90 m/dia. Relativamente à turvação medida, obteve-se eficiências de redução máximas superiores a 90%, mas a eficiência de redução mínima foi apenas 37%, aproximadamente. O maior pico de turvação da água recirculada foi cerca de 64 UNT, mantendo-se a média deste parâmetro em cerca de 8 UNT. Apesar da turvação elevada do tanque de água bruta, conseguiu-se obter um efluente com turvação média de 0,62 UNT e de mínimo 0,22 UNT. Os valores médios do ph obtidos durante o estudo foram 9,89, tanto para a água filtrada como para a água recirculada. Palavras-chave: filtração de água, biofiltração, argila expandida, filtração lenta com argila expandida, Filtração com mantas geotextil. iii

8 iv

9 ABSTRACT The slow filtration is a water treatment process with a broad application since many years ago. The purpose of this dissertation is to study the performance of a slow filter made with expanded clay and geotextile, more specifically, to evaluate the variation of some water quality parameters, before and after filtration. The experimental installation was installed in Azurém, Guimarães. Turbidity, ph, electrical conductivity, temperature and dissolved oxygen were the water quality parameters measured. The turbidity of water was achieved by the addition of mud to the system. The average flow was approximately 0,37 m 3 /h, ranging between 0,22 and 0,73 m 3 /h. The filtration rate remained between 4,13 and 13,90 m/dia. The maximum reduction of turbidity was higher than 90%, but the minimum was just about 37%. The higher turbidity of the raw water was about 64 NTU and the average of this parameter was, approximately, 8 NTU. Despite high turbidity in raw water tank, the turbidity effluent average was 0,62 NTU and the minimum was 0,22 NTU In this study, the ph average was 9,89 in raw water and filtered water. Keywords: water filtration, biofiltration, expanded clay, slow filtration with expanded clay, filtration with geotextile. v

10 vi

11 ÍNDICE GERAL 1. INTRODUÇÃO Enquadramento e relevância do tema Objetivos Estrutura da dissertação REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Caraterísticas da água bruta e a necessidade do tratamento da mesma para consumo humano Definição e origem da Turvação Filtração Filtração lenta em areia Filtração em argila expandida Filtração com mantas Operação e manutenção de filtros lentos de areia Limpeza de filtros lentos Procedimento Experimental Introdução Argila Expandida Local de recolha da água bruta/lodo Qualidade da água bruta/lodo Equipamento de medição Medição da Turvação Medição da Condutividade vii

12 3.4.3 Medição do ph Medição do Oxigénio Dissolvido (OD) Medição da Temperatura Material Utilizado nos procedimentos experimentais Tarefas Preliminares Lavagem da argila expandida Calibração dos equipamentos de medição Instalação Experimental Descrição dos trabalhos realizados Resultados e discussão dos mesmos Turvação Parâmetros Físico Químicos de Controlo Condutividade elétrica ph Oxigénio dissolvido Temperatura Caudal e taxa de filtração Conclusões e desenvolvimentos futuros Conclusões Desenvolvimentos futuros Bibliografia Anexos viii

13 ix

14 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Impurezas geralmente presentes na água bruta proveniente de massas de água superficiais (Di Bernardo et al., 1999) Figura 2.2 Dimensões das partículas presentes na água bruta e processos de tratamento eficazes para a remoção das mesmas (Levine et al., 1985) Figura 2.3 Timeline dos principais eventos relacionados com filtros lentos de areia (FLA) (Adaptado de Haig et al., 2011) Figura 2.4 Configuração geral de um filtro lento Figura 2.5 Esquema de reposição da areia no filtro lento (Slow Sand Filtration, 1991) Figura 3.1 Sacos de 50 L de argila expandida 2-4 e Figura 3.2 Argila expandida ARGEX Figura 3.3 Argila expandida 0-2, 2-4 e Figura 3.4 Local de recolha da água bruta/lodo e laboratório Figura 3.5 Pequeno trecho da ribeira Figura Pequenos organismos presentes na água bruta da ribeira Figura 3.7 Aspeto do lodo utilizado para as fases de turvação da água Figura 3.8 HACH HQ 40d Figura 3.9 Turbidímetro HACH 2100Q is e cubetas Figura 3.10 Ecrã do turbidímetro HACH 2100Q is Figura 3.11 HYDROLAB MiniSonde 4a Figura 3.12 HYDROLAB MiniSonde Figura 3.13 Medidor multi-parâmetro HQ 40d e sonda CDC401 R Figura 3.14 Medidor multi-parâmetro HQ 40d e sonda PHC Figura 3.15 Medidor multi-parâmetro HQ 40d e LDO R Figura 3.16 Medidor multi-parâmetro HQ 40d e LDO Figura 3.17 (a) Furos na parte inferior do saco; (b) Lavagem da argila com saco de pé Figura 3.18 Saco de filtro Figura 3.19 (a) ARGEX 0-2 antes da lavagem; (b) ARGEX 0-2 depois de lavada Figura 3.20 Calibração da condutividade (Software Hydras 3LT) Figura 3.21 (a) Soluções para a calibração da condutividade (84 e 1413 μs/cm); (b) Calibração do ph da sonda MS x

15 Figura 3.22 Amostras de calibração de 10, 20, 100 e 800 UNT Figura 3.23 Perfil do tanque (filtro de argila expandida) Figura 3.24 (a) Colocação da primeira camada; (b) Colocação da última camada; (c) Filtro de argila expandida depois da colocação das mantas geotêxtil Figura 3.25 Argila expandida fazendo as mantas geotêxtil flutuar Figura Configuração final do filtro de argila expandida Figura Instalação experimental (Software SketchUp) Figura 3.28 Colher de lodo para a turvação da água Figura 3.29 (a) Garrafão de água antes da turvação; (b) Garrafão de água turvada, depois de adicionado o lodo Figura 3.30 Limpeza das células de amostra com ácido nítrico 65% e pipeta Figura A.1 (a) Filtro de areia completo; (b) Filtro de areia sem camada de granulometria fina Figura A.2 (a) Fundo do filtro com água e godo; (b) Fundo do filtro praticamente limpo Figura A.3 Mantas geotêxtil antes da lavagem Figura A.4 Manta geotêxtil depois da lavagem Figura A.5 Mantas geotêxtil fixas à armadura de suporte Figura A.6 (a) Tanque de água bruta antes da limpeza; (b) Tanque de água bruta depois da limpeza xi

16 ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2.1 Alguns requisitos de qualidade das águas doces superficiais destinadas à produção de água para consumo humano (Adaptado do Dec. Lei nº 236/98 de 1 de Agosto) Tabela 2.2 Alguns valores paramétricos para a água destinada ao consumo humano (Adaptado do Dec. Lei nº 306/2007) Tabela Alguns requisitos de qualidade da água para consumo humano (Adaptado do Dec. Lei nº 236/98) Tabela 2.4 Qualidade recomendável da água para filtração lenta (Di Bernardo et al., 1999) Tabela 2.5 Classificação de parâmetros das águas brutas superficiais (OPS/CEPIS, 2005) Tabela 2.6 Outros parâmetros indicadores da qualidade da água obtidos por Injai (2013) Tabela 2.7 Atividades de operação e manutenção de filtros lentos (Di Bernardo et al., 1999) Tabela 3.1 Caraterísticas Técnicas dos três tipos de ARGEX Filtrante (Adaptado de (ARGEX)) Tabela 3.2 Propriedades das argilas expandidas utilizadas (Adaptado de catálogos da ARGEX) Tabela 3.3 Composição química das argilas expandidas 0-2, 2-4 e 3-8 (Adaptado de catálogos da ARGEX) Tabela 3.4 Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 0-2) Tabela 3.5 Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 2-4) Tabela 3.6 Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 3-8) Tabela 3.7 Resumo das frequências de medição para cada parâmetro de qualidade Tabela 4.1 Alguns valores relevantes acerca dos dados totais da turvação da água recirculada/filtrada - Modo de leitura normal/média de sinal (Valores em UNT) Tabela 4.2 Valores médios diários de turvação e reduções percentuais de turvação Tabela 4.3 Valores médios diários da condutividade e temperatura (sonda CDC401 R) Tabela 4.4 Valores médios diários da condutividade e temperatura do afluente e efluente (MS5 e MS4a) (Valores da condutividade em µs/cm e de temperatura em C) xii

17 Tabela 4.5 Valores médios diários do ph e temperatura (medidos com sensor PHC301) Tabela 4.6 Valores de ph e temperatura do filtro de areia Tabela 4.7 Resumo dos valores mínimo, máximo e médio do oxigénio dissolvido Tabela 4.8 Valores mínimos, máximos e médios da temperatura Tabela Taxa de filtração média diária (m/dia) xiii

18 ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico 3.1 Curva granulométrica da ARGEX Gráfico 3.2 Curva granulométrica da ARGEX Gráfico 3.3 Curva granulométrica da ARGEX Gráfico Variação da turvação da água filtrada e da água recirculada (modo de leitura normal) Gráfico Valores médios diários de turvação da água filtrada e recirculada Gráfico 4.3 Valores médios diários da eficiência de remoção da turvação Gráfico 4.4 Variação da condutividade elétrica e da temperatura ao longo do estudo (sonda CDC401 R) Gráfico Tendência dos valores médios diários da condutividade e da temperatura (MS5 e MS4a) Gráfico Variação do ph da água filtrada e da água recirculada Gráfico ph vs temperatura linhas de tendência Gráfico Variação dos valores médios diários de ph e temperatura (medidos com sensor PHC301) Gráfico Variação do oxigénio dissolvido e da temperatura (sonda LDO R) Gráfico Variação do oxigénio dissolvido e da temperatura (sonda LDO) Gráfico 4.11 Variação da temperatura da água filtrada (temperatura em C) Gráfico 4.12 Variação da temperatura da água recirculada (temperatura em C) Gráfico 4.13 Variação do caudal e da taxa de filtração xiv

19 SIMBOLOGIA Área de filtração (em planta) Di Abertura do peneiro % - Eficiência de remoção da turvação, em percentagem Q Caudal S Área Taxa de filtração Tempo, em segundos, que demora a encher 1 litro, à saída do filtro de argila expandida Tempo, em segundos, que demora a encher 2 litros, à saída do filtro de argila expandida á = Turvação da água recirculada no momento x, em UNT á = Turvação da água filtrada no momento x, em UNT v Velocidade de escoamento V Volume xv

20 ABREVIATURAS CAG Carvão ativado granular CQO Carência química de oxigénio ETA - Estação de Tratamento de Água OD Oxigénio Dissolvido RST - Rapidly Settling Turbidity UNT Unidade Nefelométricas de Turvação VMA Valor máximo admissível VMR Valor máximo recomendado xvi

21 1. INTRODUÇÃO 1.1. Enquadramento e relevância do tema Desde há alguns séculos a esta parte, existe um cuidado acerca da qualidade da água existente no planeta mas, com o desenvolvimento das civilizações, esta preocupação tornou-se cada vez mais essencial. É importante destacar que as mais variadas formas de vida existentes necessitam de água para sobreviver sendo que cerca de 75% do corpo humano é constituído por água. A água funciona no nosso corpo como um regulador de temperatura e como transporte de nutrientes, entre outros benefícios. O acesso à água para consumo é, em muitos dos casos, difícil pois, nem toda a água disponível no planeta é facilmente tratada para os mais diversos consumos. Vários autores estimam que 97 % da água existente na Terra seja água salgada e apenas os restantes 3 % representem a água doce disponível sendo que grande parte se encontra sob a forma de gelo e apenas cerca de 0,3 % desta é diretamente aproveitável. A água que apresenta mais facilidades no tratamento para consumo humano é a água doce pois a água salgada tem de ser submetida a processos de tratamento complexos e de custo elevado. Em pleno século XXI e, apesar de todos os esforços, ainda existem milhões de pessoas que têm dificuldades em aceder a água tratada. Mesmo em cidades como o Dubai, devido ao rápido desenvolvimento, o acesso à água potável para consumo nem sempre é facilitado devido às condições climatéricas, estando-se a desenvolver esforços e novas técnicas para ultrapassar este desafio. Torna-se essencial o acesso a água potável para consumo. Para o consumo humano há a necessidade de uma água pura e saudável, isto é, livre de matéria suspensa visível, cor, gosto e odor, de quaisquer organismos capazes de provocar enfermidades e de quaisquer substâncias orgânicas ou inorgânicas que possam produzir efeitos fisiológicos prejudiciais (Richter et al., 1991). O tratamento da água para consumo é realizado nas Estações de Tratamento de Água (ETA) depois de esta ser captada de uma dada massa de água bruta. A escolha do conjunto de processos de tratamento é um sistema complexo que depende, em primeiro lugar, da qualidade da água bruta captada. Logicamente, massas de água de baixa qualidade, com concentrações elevadas de sólidos suspensos e bactérias por exemplo, terão de ser alvo de processos de tratamento mais complexos em relação a uma água de boa qualidade e 1

22 límpida. Um dos processos de tratamento que se utiliza nas ETA para tratar a água bruta é a filtração. A filtração carateriza-se por um processo físico e biológico que pode ocorrer após outras etapas de tratamento mas pode funcionar, também, como a única etapa de tratamento que precede a desinfeção. A filtração pode se considerar como rápida ou lenta e pode conter vários tipos de materiais como meio filtrante, para além de poder ser uma etapa de tratamento mais eficaz com a inserção de carvão ativado granular, argila expandida ou mantas geotêxtil, por exemplo. Este trabalho irá debruçar-se sobre o processo de filtração lenta em argila expandida que apresenta imensas vantagens quando aplicado de forma correta para tratar águas para consumo humano. Existem imensos estudos sobre a filtração lenta mas nunca é de mais perceber a evolução da remoção dos vários constituintes da água bruta e estudar novas potencialidades deste processo de tratamento Objetivos Neste trabalho de investigação pretende-se conhecer melhor as potencialidades da filtração lenta. Como já existem muitos trabalhos acerca da filtração lenta em areia, além deste meio filtrante, o objetivo passa por estudar este processo de tratamento com argila expandida como meio filtrante. Sendo assim, os principais objetivos que se pretendem atingir são: Desenvolvimento de um modelo da variação dos parâmetros indicadores da qualidade da água ph, condutividade elétrica, oxigénio dissolvido (OD), temperatura e, principalmente, a turvação para o meio filtrante argila expandida; Avaliação da eficiência de remoção da turvação na filtração lenta em argila expandida; Avaliar a relação entre os vários parâmetros indicadores da qualidade da água em estudo; Comparação dos resultados obtidos com resultados anteriores. É desejável que, no final deste estudo, este seja relevante para a perceção sobre a importância e as capacidades/vantagens que a filtração lenta em argila expandida pode oferecer Estrutura da dissertação 2

23 Além deste capítulo introdutório, onde se apresenta uma introdução ao tema em estudo, os objetivos do estudo e a estrutura da dissertação, esta dissertação é constituída ainda por mais 4 capítulos Revisão bibliográfica, Procedimento experimental, Resultados e discussões e, por ultimo, as conclusões e desenvolvimentos futuros. No capítulo 2, revisão bibliográfica, apresenta-se uma pequena revisão do estado da arte onde se pode atentar em alguns estudos de filtração lenta e conclusões de outros autores. No capítulo 3, método experimental, são enumeradas as características da argila expandida, é feita a caraterização do local onde se recolheu água bruta e o lodo e é feita a listagem e caraterização dos vários equipamentos de medição utilizados na fase prática deste estudo. Ainda neste capítulo, também se enumeram os vários materiais usados neste trabalho, bem como as tarefas preliminares à operação do filtro. Por último, pode-se atentar à instalação experimental e faz-se a descrição da metodologia experimental de modo a recolher os dados necessários. No capítulo 4, resultados e discussão dos mesmos, apresentam-se os dados recolhidos e medidos pelos diferentes equipamentos de medição. Estes dados são apresentados em forma de tabelas e gráficos sendo que a maior parte dos mesmos encontra-se em anexo. Neste capítulo é feita, ainda, uma análise à evolução dos parâmetros de qualidade da água medidos. No capítulo 5, conclusões e recomendações, apresentam-se as principais conclusões da dissertação e sugestões para desenvolvimentos futuros. 3

24 4

25 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Caraterísticas da água bruta e a necessidade do tratamento da mesma para consumo humano Segundo Brito et al. (2010) a oferta de água doce bruta para consumo pode ter origem em águas subterrâneas ou massas de água superficiais. A escolha entre estas duas opções prende-se com dois aspetos importantes: Dimensão da população servida; Presença de aquíferos e das suas funções estratégicas em zonas sujeitas a secas. De acordo com Coelho et al. (2002) e Brito et al. (2010) os constituintes prejudiciais à saúde presentes na água para abastecimento podem ser de origem natural ou de origem antropogénica como atividades industriais ou agrícolas. Ainda segundo Brito et al. (2010), devido à presença destes contaminantes, a água bruta pode não cumprir os requisitos legais, pelo que deve ser alvo de tratamento prévio antes de ser consumida. As águas subterrâneas são geralmente isentas de microrganismos patogénicos e com menores teores de matéria orgânica, mas podem conter elevados teores em sais dissolvidos, ferro, manganês e nitratos. As de origem superficiais têm uma maior variedade e variabilidade de contaminantes químicos e biológicos, em alguns casos potencialmente patogénicos (Brito et al., 2010). De acordo com Brito et al. (2010), a seleção do processo de tratamento é uma tarefa complexa já que depende de alguns aspetos como: As caraterísticas da água bruta; Os requisitos de qualidade e quantidade exigidos à água tratada; As condições físicas e económicas; A flexibilização do tratamento com vista a alterações futuras e/ou ampliações; A importância da minimização do impacto ambiental (energia consumida e resíduos produzidos durante os processos de tratamento); As caraterísticas dos sistemas de distribuição. 5

26 Segundo Di Bernardo et al. (1999), a água bruta proveniente de massas de água superficiais contêm, geralmente, material flutuante, material em suspensão como areia fina, silte ou argila e matéria orgânica natural, como se pode observar na Figura 2.1. Certos organismos prejudiciais à saúde pública como vírus ou bactérias também podem fazer parte destes mesmos corpos de água pelo que é essencial adotar um processo de tratamento eficaz. Figura 2.1 Impurezas geralmente presentes na água bruta proveniente de massas de água superficiais (Di Bernardo et al., 1999). De acordo com Richter et al. (1991), as impurezas em suspensão habitualmente presentes nas águas brutas são as algas e os protozoários que podem causar sabor, odor, cor ou turvação para além de resíduos industriais e domésticos. Além destas impurezas, a água bruta também apresenta impurezas no estado coloidal como bactérias e vírus que podem ser patogénicos além de substâncias de origem vegetal que provocam uma alteração de cor, acidez e sabor na água bem como sílica e argilas que originam um aumento de turvação da água. Os mesmos autores consideram, também, a presença de substâncias dissolvidas na água, que originam a alteração da qualidade da mesma. Sendo assim, é importante assegurar que a água captada apresente qualidade e respeite as normas em vigor para que o processo de tratamento da mesma não seja interrompido, o que poderia trazer transtornos às populações bem como contratempos, principalmente nos custos, para as empresas gestoras das Estações de Tratamento de Água (ETA). O Dec. Lei nº 236/98 de 1 de Agosto estabelece normas, critérios e objetivos de qualidade com a finalidade de proteger o meio aquático e melhorar a qualidade das águas em função dos seus principais usos. No Anexo I do Decreto-Lei supracitado podem-se conhecer os parâmetros de qualidade que as águas doces superficiais destinadas à produção de água para consumo humano devem respeitar. Consoante a sua qualidade, as águas superficiais 6

27 destinadas à produção de água para consumo humano são classificadas nas categorias A1, A2 e A3, de acordo com as normas de qualidade fixadas no anexo I, a que correspondem esquemas de tratamento tipo distintos, definidos no anexo II, para as tornar aptas para consumo humano (Dec. Lei nº 236/98 de 1 de Agosto). As categorias ou classes a que correspondem tipos de tratamento das águas superficiais são: Classe A1 Tratamento físico e desinfeção; Classe A2 Tratamento físico e químico e desinfeção; Classe A3 Tratamento físico, químico de afinação e desinfeção. Na tabela 2.1, pode-se atentar em alguns dos mais importantes parâmetros de qualidade da água superficial por classe de tratamento. É importante clarificar as siglas VMR e VMA que representam, respetivamente, o valor máximo recomendado e o valor máximo admissível de cada parâmetro. Tabela 2.1 Alguns requisitos de qualidade das águas doces superficiais destinadas à produção de água para consumo humano (Adaptado do Dec. Lei nº 236/98 de 1 de Agosto). Parâmetro Classe A1 Classe A2 Classe A3 VMR VMA VMR VMA VMR VMA ph, 25 C 6,5 8,5-5,5 9,0-5,5 9,0 Cor (mg/l) Sólidos Suspensos Totais (SST) (mg/l) Temperatura ( C) Condutividade (µs/cm) Ferro dissolvido (mg/l Fe) 0,1 0, Manganês (mg/l Mn) 0,05-0,1-1 - Pesticidas Totais (µg/l) - 1-2,5-5 Carência Química de Oxigénio (CQO) (mg/l O2) Oxigénio Dissolvido (OD) (% de saturação de O2) Carência Bioquímica de Oxigénio (CBO5) (mg/l O2) Coliformes Totais (/100 ml) Coliformes Fecais ou Termotolerantes (/100 ml) O Dec. Lei nº 236/98 de 1 de Agosto não estabelece, diretamente, qualquer restrição quanto à turvação da água bruta que será posteriormente tratada, fornecendo apenas valores limite para parâmetros que estão intimamente relacionados com a turvação da água como é o caso dos sólidos suspensos totais. 7

28 No que diz respeito à água para consumo, o Dec. Lei nº 306/2007 especifica os valores paramétricos para a água destinada ao consumo humano. Na tabela 2.2 podem ver-se alguns desses valores paramétricos. Tabela 2.2 Alguns valores paramétricos para a água destinada ao consumo humano (Adaptado do Dec. Lei nº 306/2007). Valor Paramétrico Cor mg/l (escala Pt-Co) 20 Turvação UNT 4,0 ph Escala de Sorensen 6,5-9,0 Condutividade µs/cm 2500 Ferro mg/l Fe 0,2 Manganês mg/l Mn 0,05 Por outro lado, segundo o Dec. Lei nº306/2007, no caso de águas superficiais, o valor paramétrico da turvação aquando da saída do tratamento deve ser de 1,0 UNT. Este Dec. Lei é omisso em relação a outros parâmetros de qualidade da água para consumo, presentes no Dec. Lei nº 236/98, tal como se pode observar na tabela 2.3. Tabela Alguns requisitos de qualidade da água para consumo humano (Adaptado do Dec. Lei nº 236/98). Parâmetros físico-químicos VMR VMA Sólidos suspensos totais mg/l Temperatura C De acordo com Di Bernardo et al. (1999), a água antes de entrar num filtro, deve apresentar as características que constam na tabela 2.4. Tabela 2.4 Qualidade recomendável da água para filtração lenta (Di Bernardo et al., 1999). Caraterísticas da água (Di Bernardo, 1993) Cleasby (1991) Turvação (UNT) 10 5 Cor verdadeira (uc) 5 - Ferro (mg/l Fe) 1 0,3 Manganês (mg/l Mn) 0,2 0,05 Coliformes Totais (NMP/100ml) Na tabela 2.4, a cor é apresentada como unidades de cor e os coliformes totais são expressos como número mais provável por 100 mililitros. Segundo OPS/CEPIS (2005), no caso de a poluição industrial da água bruta ser nula ou muito reduzida, os parâmetros de qualidade da água que se deve ter em conta são a turvação, 8

29 a cor e os coliformes fecais ou termotolerantes. Ainda de acordo com a mesma publicação, estes mesmos parâmetros das águas brutas superficiais podem ser classificados segundo um intervalo de valores específico como se pode verificar na tabela 2.5. Tabela 2.5 Classificação de parâmetros das águas brutas superficiais (OPS/CEPIS, 2005). Baixo Intermédio Alto Turvação (UNT) < Cor (mg/l) < Coliformes fecais (/100 ml) < Definição e origem da Turvação A turvação é um importante parâmetro visual da qualidade da água e será alvo de um estudo cuidadoso no decorrer desta dissertação. Von Sperling (1996) concluiu que a turvação representa o grau de interferência da passagem da luz através da água sendo que os sólidos em suspensão de origem orgânica e inorgânica conferem uma aparência turva à água. A turbidez é uma caraterística da água devida à presença de partículas suspensas na água com tamanho variando desde suspensões grosseiras aos coloides, dependendo do grau de turbulência. A presença dessas partículas provoca a dispersão e a adsorção da luz, dando à água uma aparência nebulosa, esteticamente indesejável e potencialmente perigosa (Richter et al., 1991). Segundo Dantas (2004), a forma como a água interfere na transmissão da luz, em amostras que contêm partículas em suspensão, está relacionada com as características das partículas (tamanho, forma e composição) e com o comprimento de onda da luz incidente. Richter et al. (1991) concluíram que os aparelhos mais eficazes e mais utilizados que medem a turvação são os nefelómetros. Estes são aparelhos que medem a reflexão da luz incidente pelas partículas. O nefelómetro mais utilizado é o turbidímetro que mede a turvação da água em unidades nefelométricas de turvação (UNT). Em alguma bibliografia, a turvação pode estar expressa em NTU (Nephelometric Turbidity Units) ou em ut (Unidades de turvação). De acordo com Campos (2006), a turvação deve-se à presença de partículas de rocha como argila, silte ou outros minerais além de algas e microrganismos que causam implicações 9

30 substanciais nos processos de tratamento da água para consumo humano, podendo afetar a segurança e a aceitação da água por parte dos consumidores finais. Brito et al. (2010), contrariando a tabela 2.5, considera que uma água tem uma turvação alta quando o valor da turvação é 100 UNT ou superior. Segundo Camplesi (2009), a turvação da água deve-se à presença de: Partículas coloidais; Partículas em suspensão; Matéria orgânica (húmus); Matéria inorgânica (óxidos), plâncton e algas; Outros organismos microscópicos. O conhecimento acerca das dimensões das partículas presentes na água bruta, segundo Alcócer (1993), é de elevada importância pois águas com uma elevada quantidade de material fino dificilmente conseguirão ser alvo de tratamento eficaz apenas por filtração lenta. Na figura 2.2 pode-se atentar acerca da distribuição do tamanho das partículas bem como os processos de tratamento que são eficazes na remoção dessas partículas além das técnicas de determinação do tamanho das mesmas. 10

31 Figura 2.2 Dimensões das partículas presentes na água bruta e processos de tratamento eficazes para a remoção das mesmas (Levine et al., 1985). Segundo Di Bernardo et al. (2005), as massas de água superficiais podem apresentar variações significativas de turvação durante as diferentes épocas do ano. De acordo com Di Bernardo et al. (1999), nos países tropicais existem duas épocas do ano bem definidas de estiagem e de chuva. Durante a estiagem, a qual representa a maior fração do ano, a água captada em massas de água localizadas em bacias hidrográficas sanitariamente protegidas apresenta, na maior parte dos casos, uma qualidade aceitável para que seja tratada eficientemente por filtração lenta e, posteriormente, desinfetada por meio de coloração. O problema nestes países, segundo os mesmos autores, ocorre em épocas de chuva onde as águas apresentam, habitualmente, maiores concentrações de microrganismos e de sólidos suspensos e, consequentemente, valores elevados de turvação o que faz com que a filtração lenta não se possa realizar convenientemente sendo necessário procurar outras formas de pré-tratamento. 2.2 Filtração A filtração é uma operação unitária que tem como objetivo a remoção do material em suspensão que não foi removido durante a etapa de decantação (Rodrigo et al., 2007). 11

32 A filtração pode ser lenta ou rápida, dependendo da granulometria do material filtrante utilizado e da própria configuração da unidade de filtração (Rodrigo et al., 2007). Segundo Di Bernardo et al. (1999), os filtros lentos operam com taxas de filtração normalmente inferiores a 6 m/dia. Por outro lado, no caso dos filtros rápidos, a taxa de filtração pode variar entre 150 e 600 m/dia. Moody et al. (2002) consideram que a taxa de filtração em filtros lentos deve ser mantida dentro de um intervalo de 2,4 a 7,2 m/dia para que a atividade biológica possa ocorrer de forma eficaz e para proporcionar tempo suficiente para que a água fique purificada Filtração lenta em areia A filtração lenta em areia foi objeto de vários estudos realizados Devido a isto, é importante dar uma atenção especial sobre este tipo de filtração. Na figura 2.3, podem-se observar alguns eventos importantes relacionados com a filtração lenta em areia. Figura 2.3 Timeline dos principais eventos relacionados com filtros lentos de areia (FLA) (Adaptado de Haig et al., 2011). A filtração lenta tem sido usada no tratamento de água para abastecimento público desde o começo do século XIX e tem-se mostrado um sistema eficaz de tratamento, desde que projetado de forma apropriada e aplicado nas situações corretas (Di Bernardo et al., 1999). Ainda segundo os mesmos autores, a filtração lenta caiu um pouco em desuso devido à substituição tecnológica e à deterioração das massas de água devido à opção de um desenvolvimento económico baseado num modelo urbano industrial sem qualquer preocupação em assegurar a qualidade dos meios hídricos. Segundo Camplesi (2009), a necessidade de se realizarem estudos acerca da filtração lenta em areia, prende-se com a necessidade de aperfeiçoar técnicas eficazes de tratamento de água para consumo humano sem coagulação química e, também, pelo facto de este tipo de filtração constituir uma alternativa sustentável para se aplicar em pequenas comunidades rurais. 12

33 A filtração lenta é um sistema de tratamento de água de operação simplificada que, em verdade, simula mecanismos naturais de depuração das águas, na sua percolação pelo subsolo, sendo que, nesse percurso, são removidos microrganismos, partículas e substâncias químicas (Camplesi, 2009). Segundo Di Bernardo et al. (1999), a filtração lenta é um processo de tratamento que não necessita da adoção de coagulantes, trabalha com taxas de filtração baixas e usa um meio filtrante de granulometria fina. No tratamento sem coagulação química, a filtração lenta e a cloração são os principais processos capazes de assegurar a produção de água com qualidade adequada ao consumo humano. Porém, a eficiência da filtração lenta pode ser comprometida, se a turbidez da água bruta for superior a 10 UNT. Neste caso, a pré-filtração possibilita a redução das impurezas da água antes da filtração lenta (Veras et al., 2008). A eficiência da filtração lenta é substancialmente afetada pela turvação da água a ser tratada, pois tal parâmetro de qualidade reflete a quantidade de partículas pequenas presentes na água, às quais muitos microrganismos encontram-se aderidos (Di Bernardo et al., 1999). De acordo com Camplesi (2009) e Murtha et al. (2003), um filtro lento convencional é composto pelos seguintes elementos: Camada de água sobrenadante; Camada Schmutzdecke (camada superficial de finos e biofilme); Leito filtrante; Camada suporte; Sistema de drenagem; Controlo de vazão. Na figura 2.4 pode ver-se a configuração geral de um filtro lento. 13

34 Figura 2.4 Configuração geral de um filtro lento. A Schmutzdecke, é uma camada constituída por partículas inertes, matéria orgânica e diversas variedades de bactérias, algas, protozoários, metazoários, entre outros, além de precipitados de ferro e manganês quando se encontram dissolvidos no afluente e é formada a partir da retenção de partículas suspensas e adesão de microrganismos. A atividade de microrganismos no Schmutzdecke, no filtro lento, é um dos fatores chaves para se obter água de boa qualidade (Di Bernardo et al., 2005). Segundo Campos (2006) considera que o extenso período de retenção hidráulico da água acima da camada do leito filtrante de areia permite o desenvolvimento desta comunidade biológica. Campos et al. (2002) estudaram a importância da camada Schmutzdecke para a atividade microbiológica dos filtros lentos. Durante este estudo, foi possível aos autores do mesmo, concluir que a acumulação de biomassa na Schmutzdecke é bastante variável, não apresentando quaisquer padrões específicos, quer temporal como espacialmente. Apesar deste facto, foi possível verificar que, durante a pesquisa, a quantidade de biomassa na camada do leito filtrante aumentou. Outra conclusão interessante neste trabalho é o facto de a Schmutzdecke ser responsável pela entrada de substratos de carbono para a camada de areia, que funciona como nutrientes para a atividade biológica que se desenvolve ao longo do leito filtrante. Com o passar do tempo de operação, a Schmutzdecke dificulta o escoamento nos filtros e, consequentemente, o desempenho dos mesmos diminui temporariamente, sendo necessário que essa camada seja removida (Dizer et al., 2004). De acordo com Di Bernardo et al. (1999), o desempenho dos filtros lentos na remoção de microrganismos depende de vários fatores como: 14

35 A taxa de filtração (remoção diminui com o aumento da taxa de filtração); A temperatura (menores temperaturas resultam em taxas de remoção menores); A espessura do meio filtrante (quanto mais espesso é o meio filtrante, geralmente, mais eficiente é o processo); O tamanho dos grãos de areia (maior granulometria resulta numa menor remoção); A idade da Schmutzedecke; A maturidade microbiológica do meio filtrante. Dos fatores mencionados acima, Bellamy et al. (1985) consideram que o mais importante é a maturidade microbiológica do meio filtrante. Keijola et al. (1988) realizaram estudos em escala de laboratório e piloto e verificaram que a filtração lenta apresentou maior eficiência de remoção de toxinas em relação ao tratamento convencional mas a adsorção em carvão ativado mostrou ser ainda mais eficiente. Injai (2013) utilizou os mesmos tanques de filtração lenta que seriam utilizados neste estudo mas com três granulometrias de areia (godo, areia grosseira e areia fina). Os resultados obtidos pelo autor são esclarecedores das vantagens da utilização deste tipo de sistema de tratamento de água. Relativamente ao parâmetro turvação, obteve uma remoção média durante o estudo de cerca de 77,99% sendo a máxima remoção deste parâmetro 98,12%. No que diz respeito à condutividade elétrica, este parâmetro apresentou um valor médio para a água filtrada igual a 93,39 μs/cm e 101,14 μs/cm para a água recirculada, existindo, assim, tendência para a condutividade elétrica diminuir durante a passagem pelo filtro. Outros parâmetros medidos por Injai (2013), neste mesmo estudo, encontram-se na tabela 2.6. Tabela 2.6 Outros parâmetros indicadores da qualidade da água obtidos por Injai (2013) Valores Médios Água Filtrada Água Recirculada ph 6,80 7,01 Temperatura ( C) 23,12 23,09 OD (mg/l) 8,75 9,03 Camplesi (2009) avaliou a eficiência da remoção de vários parâmetros da qualidade da água quando tratada pela FiME (Filtração em múltiplas etapas) com duas taxas de filtração (3 e 15

36 6 m/dia). A autora concluiu que o aumento da taxa de filtração no FLA (Filtro lento de areia) afetou negativamente a remoção de turvação e cor aparente mas, por outro lado, houve um aumento da eficiência de remoção para os parâmetros coliformes e sólidos suspensos totais. Camplesi (2009) concluiu, com base no seu trabalho, que o desempenho do sistema de FiME na remoção de turvação e sólidos suspensos totais foi bastante aceitável sendo superior a 90% tal como a remoção de cor aparente. A mesma autora concluiu ainda que o filtro lento de areia (FLA) e o filtro lento de areia com carvão ativado (FLAC) mostraram ser as unidades mais importantes do sistema FiME. Ellis (1985) concluiu que é possível aumentar a taxa de filtração sem afetar a eficácia do processo se o pré-tratamento da água bruta e a desinfeção após a filtração lenta ocorrerem sem problemas. Murtha et al. (2003) testaram filtros lentos de areia com diferentes taxas de filtração e dois sentidos de fluxo para aferir qual a eficácia de remoção dos parâmetros turvação, cor verdadeira, cor aparente, coliformes totais e Escherichia Coli (E. Coli). Os dois autores concluíram que as taxas de filtração não apresentaram uma influência significante na remoção dos vários parâmetros estudados. A filtração lenta apresentou uma elevada eficiência na remoção de sólidos coloidais e em suspensão, medidos pelo parâmetro turvação. Os valores efluentes da turvação apresentaram-se consistentemente inferiores a 1,0 UNT e quase totalmente inferiores a 2,0 UNT. Por outro lado, a remoção mediana de cor verdadeira variou para os filtros-piloto entre 35 e 52% sendo ligeiramente mais elevada para os filtros com menores taxas de filtração. A filtração lenta constitui-se como um processo com excelente índice de remoção de E. Coli, sendo frequente a completa remoção. Para ampliar a utilização da filtração lenta para águas de qualidade inferior à recomendada na Tabela 2, faz-se necessária a adoção de sistemas de pré-tratamento que permitam condicionar a qualidade da água bruta às limitações das unidades de filtração lenta (Di Bernardo et al., 1999). O filtro lento pode se configurar como uma alternativa sustentável no tratamento de águas de abastecimento para comunidades de pequeno e médio portes, representando um potencial subutilizado de contribuição para a universalização do suprimento de água e melhoria dos indicadores sanitários e de saúde pública (Murtha et al., 2003). 16

37 2.2.2 Filtração em argila expandida Ao contrário da filtração em areia, a filtração com material filtrante como argila expandida ainda não foi tão aprofundada pelo que se mostra de bastante valor todos os trabalhos acerca desta temática. A argila expandida, denominada por agregados leves, são abundantemente utilizados na construção civil. Estes agregados têm como caraterísticas importantes a leveza, propriedades de isolante térmico, baixa absorção de água, inércia química e resistência à compressão considerável (Albuquerque, 2005). Dordio et al. (2007) avaliaram a eficiência de adsorção de três compostos farmacêuticos ativos ácido clofíbrico, ibuprofeno e diclofenac. Os três materiais utilizados foram argila expandida LECA de duas granulometrias diferentes e areia. A LECA revelou ser um material com uma elevada capacidade de adsorção destes compostos enquanto que a areia não exibiu qualquer capacidade de adsorção dos mesmos compostos. Concluíram, também, que a LECA de granulometria mais fina apresentou uma eficiência superior à LECA de granulometria maior. Albuquerque (2005) estudou a eficiência de remoção de alguns contaminantes da água como o níquel e chumbo por parte de agregados leves de argila expandida, como leitos filtrantes. A argila expandida apresentou um desempenho superior ao CAG e à areia. Relativamente à remoção de turvação, a fração mais fina da argila expandida mostrou ser mais eficiente que a areia. A argila expandida também teve um comportamento mais satisfatório que o CAG, na remoção de metais pesados. Karabelnik et al. (2012) estudaram um sistema de filtro compacto, com área de implantação reduzida, para o tratamento de águas residuais de uma família de 5 pessoas. A água residual foi recolhida em chuveiros, lavatórios, lavandaria e na cozinha e os materiais filtrantes usados foram argilas expandidas Filtralite e um subproduto industrial cinzas de xisto betuminoso. O sistema filtralite (argila expandida) mostrou ser o mais eficiente na redução de CQO (83 88%) mas as cinzas de xisto betuminoso mostraram ser mais aconselhadas para a remoção de fósforo total. À saída do filtro do sistema Filtralite o ph da água foi 8,5 (Escala de Sorensen). Kasak et al. (2011), no mesmo estudo, concluiu, igualmente, uma 17

38 maior eficiência das cinzas de xisto betuminoso na remoção de fósforo total (até cerca de 95%) Filtração com mantas Londe (2002) no seu trabalho avaliou a eficiência de remoção de filtros lentos de areia juntamente com mantas sintéticas não tecidas, utilizando taxas de filtração de 3 e 6 m/dia. A autora chegou a resultados contrários ao estudo realizado por Camplesi (2009) pois verificou que, com o aumento da taxa de filtração, os parâmetros de qualidade turvação e cor apresentaram maior percentagem de remoção. Paterniani et al. (2001) concluíram que, utilizando mantas sintéticas, é possível aumentar as taxas de filtração. O trabalho dos mesmos autores permitiu-lhes verificar que as taxas de filtração podem aumentar até cerca de 9 a 12 m/dia com a inclusão de mantas sintéticas. Segundo Di Bernardo et al. (2005), o facto de se juntar, na etapa da filtração lenta em areia, carvão ativado granular ou mantas sintéticas, favorece a remoção de matéria orgânica dissolvida na água bruta que é menos visível quando se utiliza um meio filtrante constituído apenas por areia. Os compostos orgânicos presentes na água originam odor e gosto na mesma e o carvão ativado granular consegue adsorver estes compostos além da remoção de produtos orgânicos sintéticos como pesticidas. Veras et al. (2008) avaliaram um sistema FiME utilizando instalação piloto composta por duas unidades de pré-filtros dinâmicos em série, três linhas de pré-filtros de escoamento ascendente e quatro filtros lentos com diferentes meios filtrantes. Os quatro filtros lentos (FL) apresentavam diferentes configurações: FL1 Apenas areia como meio filtrante; FL2 Areia e duas mantas; FL3 Carvão ativado granular (CAG) no meio da camada de areia; FL4 CAG no meio da camada de areia e duas mantas. Os autores concluíram que, no que concerne à remoção de sólidos suspensos totais, os quatro filtros lentos não apresentaram diferenças significativas não sendo muito eficientes na remoção dos mesmos o que significa que o uso de mantas ou carvão ativado granular não interferiu na eficiência dos filtros. Por outro lado, os filtros 3 e 4 mostraram uma maior eficiência na remoção de coliformes totais e fecais em relação aos demais filtros o que sugere que o carvão ativado granular e as mantas ajudam a aumentar a eficiência de remoção de coliformes. No caso do ferro, todos os filtros lentos apresentaram elevadas percentagens de remoção. Quanto à remoção de turvação, os filtros 3 e 4 mostraram-se os mais eficientes. 18

39 2.3 Operação e manutenção de filtros lentos de areia Na tabela seguinte podem-se observar as atividades diárias, periódicas e eventuais de operação e manutenção de filtros lentos. Tabela 2.7 Atividades de operação e manutenção de filtros lentos (Di Bernardo et al., 1999). Atividades Diárias Periódicas Eventuais Controlo e registo da vazão Limpeza das tubagens e afluente; da câmara de entrada; Medição e registro da Limpeza entre carreiras qualidade (turvação) da Remoção do material (câmaras de entrada e água filtrada; granular, lavagem e saída, e raspagem do topo Remoção do material recomposição das do meio filtrante); flutuante; camadas filtrantes. Execução de exames para Medição e registo da perda de carga. determinação do NMP de coliformes totais e fecais. O controlo da vazão afluente ao filtro lento é fundamental pois, tanto a eficiência do filtro, principalmente no que toca à remoção de microrganismos patogênicos, como o desenvolvimento da perda de carga dependem da taxa de aplicação adotada (Di Bernardo et al., 1999). De acordo com Veras (1999), a perda de carga carateriza-se pela diferença entre o nível máximo da água sobre o leito filtrante e o de descarga da estrutura de saída. A mesma autora recomenda que deve haver um nível mínimo sobre o leito filtrante de areia para evitar perturbações na camada biológica. A capacidade de remoção de impurezas no filtro lento depende do adequado amadurecimento do filtro, ou seja, do desenvolvimento da Schmutzdecke e da maturidade biológica do meio filtrante. Por esta razão, o início da operação do filtro lento caracterizase pela produção de água filtrada com qualidade insatisfatória. O período de amadurecimento do filtro pode variar de alguns dias até cerca de dois meses em função da qualidade da água e de fatores como o procedimento de limpeza adotado (Di Bernardo et al., 1999). 19

40 Durante o período de amadurecimento, além da turvação relativamente alta, a água filtrada geralmente apresenta um elevado número de microrganismos e desta forma a desinfeção pode ser comprometida. Com o passar dos dias observa-se a gradual melhora da qualidade da água produzida pelo filtro lento, de modo que o momento a partir do qual a água poderá ser encaminhada para a etapa final de desinfeção, e consequentemente fornecida para a população, dependerá do valor da turvação da água filtrada (Di Bernardo et al., 1999). Ainda segundo os mesmos autores, a qualidade bacteriológica é mais importante que a turvação, logo, é recomendável que a água filtrada apresente turvação menor que 5 UNT e valores de coliformes totais e fecais inferiores a 100 e 25 NMP/100 ml, respetivamente, para que a etapa de desinfeção ocorra corretamente. Campos ( 2006) verificou que após o período de operação, que pode variar entre semanas a meses, devido à deposição de sólidos suspensos a área superficial do meio filtrante colmata. A deposição de partículas inertes e microrganismos, juntamente com o crescimento das populações biológicas, dá origem a uma resistência hidráulica superior que se manifesta como um aumento da perda de carga. A perda de carga final ocorre quando, com a máxima pressão sobre a areia e a válvula de saída totalmente aberta, já não é possível atingir a vazão de projeto. Neste caso, a limpeza do filtro é indispensável para restabelecer a taxa de filtração. É necessário remover cerca de 2-3 cm da parte superior do meio filtrante incluindo a Schmutzdecke Limpeza de filtros lentos De acordo com Campos (2006), quando um filtro lento está colmatado é necessário proceder à remoção de cerca de 2 a 3 cm da parte superior do meio filtrante incluindo a Schmutzdecke. Por outro lado, Veras et al. (2008) consideram que a operação de limpeza consiste na raspagem de 1 a 3 cm da camada superior do leito filtrante e a areia deve ser encaminhada para fora dos filtros onde é lavada, seca, homogeneizada e guardada para reposição futura. Segundo Cullen et al. (1985), a operação de lavagem da areia não deve ultrapassar as 24 horas. Campos (2006) concluiu que após sucessivas raspagens, a profundidade do camada filtrante de areia é reduzida para o seu nível mínimo e é necessário repor areia. Finalizada a limpeza, para o filtro entrar em operação, é necessário que seja reposta água filtrada de outras unidades e no sentido ascensional para evitar a permanência de ar nos interstícios do meio filtrante. Após esse processo, a água afluente fica escorrendo sobre o 20

41 filtro para maturar por um período de 1 a 3 dias, até que a comunidade biológica se estabeleça no filtro para que a filtração ocorra adequadamente e produza efluente de qualidade (Camplesi, 2009). Na figura 2.5, pode observar-se o esquema de reposição de areia nos filtros lentos segundo (Slow Sand Filtration, 1991). Figura 2.5 Esquema de reposição da areia no filtro lento (Slow Sand Filtration, 1991). 21

42 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1 Introdução Neste capítulo apresentam-se as características das argilas expandidas ARGEX bem como o local da recolha da água bruta/lodo além dos equipamentos de medição utilizados. Ainda neste capítulo, descrevem-se as tarefas preliminares, a instalação experimental e a metodologia experimental adotada para este estudo. 3.2 Argila Expandida A argila expandida utilizada neste trabalho experimental foi fornecida pela ARGEX. No filtro em causa optou-se por colocar três camadas de diferentes granulometrias, correspondentes às referências: 0-2: + Resistente; 2-4: + Resistente; 3-8: Enchimentos leves. A utilização destas referências/granulometrias prende-se com o facto de serem aquelas que a ARGEX disponibilizou. As argilas expandidas ARGEX 2-4 e 3-8 foram disponibilizadas em sacos de 50 L, como se pode ver na figura 3.1. Figura 3.1 Sacos de 50 L de argila expandida 2-4 e 3-8. A argila expandida ARGEX é produzida através do aquecimento de argila natural em fornos, a cerca de 1200 ºC. Devido à temperatura, formam-se gases que fazem com que a argila se expanda, criando um núcleo constituído por uma espuma cerâmica com micróporos que oferecem um maior volume mas, ao mesmo tempo, uma leveza ao material final. Os agregados formados apresentam um formato relativamente esférico (ARGEX). 22

43 Na figura 3.2, podem ver-se grãos de argila expandida onde se nota claramente o seu interior poroso e uma crosta exterior rígida e resistente. Figura 3.2 Argila expandida ARGEX. Segundo a ARGEX, algumas das principais características destas argilas expandidas estão enumeradas a seguir: Leveza e estabilidade do peso; Resistência e estabilidade dimensional; Isolante térmico; Isolante acústico; Resistência ao fogo; Não inflamável, inodoro, eletricamente neutro e hipoalérgico; Baixo custo; Fácil aplicação; Inalterável com o tempo Reutilizável; Produto 100% natural; Não poluente Ecológico. São estas características, acima mencionadas, que permitem uma vasta aplicação das argilas expandidas. Estes agregados podem ser ligados a pasta de cimento para produzir betões leves mas de resistência mecânica elevada. A sua utilização em obras de reabilitação, que atualmente ocupam uma parcela significativa na construção civil em Portugal, pode trazer inúmeros benefícios quer na resistência, na estética ou no custo do material. Além destas 23

44 aplicações, as argilas expandidas da ARGEX podem ser utilizadas na regularização de pisos, na execução de lajes ou rebocos (ARGEX). A empresa oferece um produto apropriado para filtração ARGEX Filtrante, composto por partículas cerâmicas de argila expandida resistentes e de porosidade elevada, propriedade importante durante a fase de filtração. Na tabela seguinte (tabela 3.1) constam as caraterísticas técnicas das três ARGEX Filtrante disponíveis no mercado. Tabela 3.1 Caraterísticas Técnicas dos três tipos de ARGEX Filtrante (Adaptado de (ARGEX)) Como referido anteriormente, o estudo foi realizado com as argilas com as referências 0-2, 2-4, 3-8 pelo simples facto de que eram estas as disponibilizadas pelo fabricante. Nas tabelas 3.2 e 3.3, constam algumas das propriedades das argilas expandidas, bem como a sua composição química, utilizadas como material filtrante, tendo em conta que a referência 0-2 é a menos grosseira e a 3-8 a argila expandida que apresenta uma granulometria maior. Na tabela 3.2 pode-se conhecer algumas propriedades importantes das argilas expandidas utilizadadas. Tabela 3.2 Propriedades das argilas expandidas utilizadas (Adaptado de catálogos da ARGEX). 24

45 A composição química das argilas expandidas ARGEX podem ser vistas na tabela 3.3. Tabela 3.3 Composição química das argilas expandidas 0-2, 2-4 e 3-8 (Adaptado de catálogos da ARGEX) Composição Química Sais de cloreto solúveis em água <0,004 Sulfatos solúveis em ácido <0,05 Enxofre total <0,04 Através do contacto com a empresa que forneceu as argilas expandidas, foi possível, também, saber os valores do ph das diferentes frações granulométricas. Sendo assim, as argilas expandidas 0-2, 2-4 e 3-8 apresentam, respetivamente, um ph de cerca de 10,30, 10,51 e 9,07. Estes dados foram bastante úteis para perceber os valores de ph da água filtrada que poderão ser observados mais à frente. Atentando às caraterísticas das argilas expandidas, é possível retirar algumas conclusões. Pode-se dizer que, em termos de granulometria, a ARGEX Filtrante F é equivalente à ARGEX 2-4 e a baridade de ambas corrobora esta afirmação, no entanto, quando se atende à absorção de água, verifica-se que a ARGEX 2-4 absorve uma menor quantidade de água comparando com a ARGEX Filtrante F. Comparando as restantes argilas expandidas, verifica-se, novamente, que a ARGEX Filtrante absorve maior quantidade de água em relação às argilas expandidas usadas. Este facto significa que a ARGEX Filtrante F apresenta uma porosidade maior, fazendo com que seja mais indicada para filtração pois absorveria, também, mais partículas presentes na água. Por outro lado, sabe-se que as argilas mais grosseiras apresentam uma porosidade menor, sendo, assim, mais permeáveis, não absorvendo tanta quantidade de água tal como mostram os valores de absorção das tabelas 3.1 e 3.2. Considerando os valores das resistências obtidos, constata-se que quanto mais grosseiro é o material, menor é a sua resistência ao esmagamento ou resistência mecânica. Estes valores parecem ter coerência pois, quanto maior a argila expandida, menos poros esta apresenta mas de tamanho maior quando se compara com as argilas mais finas. O facto de as argilas mais grosseiras terem menos poros mas maiores, significa que os grãos são mais instáveis e mais suscetíveis a deformações devido a carregamentos. Atentando à densidade aparente das argilas expandidas, verifica-se que o seu valor é bastante reduzido quando comparada com a densidade aparente de outros materiais utilizados em Engenharia Civil como a areia. Até a água, líquido de referência, tem uma 25

46 densidade aparente mais elevada que a argila expandida, fazendo com que a argila expandida em água consiga flutuar. Este facto irá ser importante aquando da conceção do filtro de argila expandida e será mais aprofundado na secção 3.7. Tendo em conta os valores da condutividade térmica, pode-se concluir que, para as argilas utilizadas, os valores são muito próximos, 0,11-0,14 W/m.ºC, embora, no caso da ARGEX 2-4, o seu valor real pode ser de cerca de 0,13 W/m.ºC, segundo outros catálogos. Estes valores são relativamente baixos, confirmando as propriedades de isolamento térmico que o material apresenta. Quanto às caraterísticas químicas, estas não variam nas argilas expandidas ARGEX 0-2, 2-4 e 3-8 e apresentam valores bem aproximados aos obtidos na ARGEX Filtrante. Para uma correta análise granulométrica, torna-se de elevado valor consultar as curvas granulométricas das argilas em causa. As curvas granulométricas não estavam disponíveis no sítio on-line da ARGEX pelo que, foram cedidas gentilmente depois de feito o pedido. Nas tabelas seguintes podem ver-se os dados que levaram à obtenção das curvas granulométricas das argilas. Tabela 3.4 Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 0-2). ARGEX 0-2 Massa seca do provete 285,6 g di (mm) Retidos Retidos Retidos Acumulados Passados Acumulados (g) (%) (%) (%) 6,3 0,00 0,00 0,00 100,00 4,0 0,30 0,11 0,11 99,89 2,0 169,80 59,45 59,66 40,44 1,0 87,80 30,74 90,30 9,70 0,5 17,00 5,95 96,25 3,75 0,25 4,00 1,40 97,65 2,35 0,125 3,10 1,09 98,74 1,26 0,063 2,50 0,88 99,61 0,39 26

47 Tabela 3.5 Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 2-4). ARGEX 2-4 Massa seca do provete 230,3 g di (mm) Retidos Retidos Retidos Acumulados Passados Acumulados (g) (%) (%) (%) 12,5 0,0 0,00 0,00 100,00 8,0 22,9 9,94 9,94 90,06 6,3 125,9 54,67 64,61 35,39 4,0 77,5 33,65 98,26 1,74 2,0 2,3 1,00 99,26 0,74 1,0 0,0 0,00 99,26 0,74 0,5 0,0 0,00 99,26 0,74 Tabela 3.6 Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 3-8). ARGEX 3-8 Massa seca do provete 166,4 g di (mm) Retidos Retidos Retidos Acumulados Passados Acumulados (g) (%) (%) (%) 16,0 0,0 0,00 0,00 100,00 12,5 8,6 5,17 5,17 94,83 8,0 131,0 78,73 83,89 14,30 6,3 24,3 14,60 98,50 1,50 4,0 1,3 0,78 99,28 0,72 2,0 0,0 0,00 99,28 0,72 É importante referir que a análise granulométrica das argilas expandidas ARGEX 2-4 e 3-8 foi feita no laboratório da ARGEX no dia 21/08/2014. Por outro lado, no caso da ARGEX 0-2, a análise granulométrica foi realizada a 11/09/2014. Apesar de estas argilas serem posteriores às argilas utilizadas como meio filtrante, podem-se aceitar estas análises granulométricas pois a empresa utiliza sempre os mesmos procedimentos de fabrico, garantindo uma uniformidade das características das argilas expandidas a longo prazo. O método de peneiração utilizado foi a peneiração a seco e, este, tal como a análise granulométrica seguiram os termos dispostos na norma Europeia NP EN 933-1:

48 Nos gráficos 3.1, 3.2 e 3.3, pode-se atentar nas curvas granulométricas obtidas na fase de peneiração de amostras das argilas expandidas. Nota para o facto de o gráfico 3.1 se encontrar numa escala diferente dos gráficos 3.2 e 3.3. Gráfico 3.1 Curva granulométrica da ARGEX 0-2. Gráfico 3.2 Curva granulométrica da ARGEX

49 Gráfico 3.3 Curva granulométrica da ARGEX 3-8. Através da observação das curvas granulométricas em forma de um S aproximado, pode concluir-se que, sendo a curva da ARGEX 2-4 a curva mais vertical, significa que esta granulometria de argila expandida é a que foi melhor calibrada. Por outro lado, a argila mais fina apresenta uma curva mais suavizada que as restantes pelo que se pode afirmar que se trata da argila expandida menos calibrada. Nas figuras abaixo, podem ver-se o aspeto das argilas expandidas que serviram de material filtrante e que permitiram a realização do trabalho experimental. Figura 3.3 Argila expandida 0-2, 2-4 e Local de recolha da água bruta/lodo Para a realização deste estudo experimental optou-se por utilizar como água bruta, uma água recolhida diretamente num pequeno trecho fluvial perto do Campus de Azurém, da Universidade do Minho. Trata-se de uma pequena ribeira, adjacente ao Campus de Azurém e que desagua na ribeira de Couros. 29

50 Numa primeira tentativa de avaliar o funcionamento do filtro de argila expandida com uma água não tratada optou-se por recolher, cerca de 300 litros, da mesma com recurso a garrafões que depois seriam despejados no tanque de água bruta (descrito no capítulo 3.7). No mesmo local foi também recolhido lodo, mais tarde, para se proceder à turvação da água e, assim, obter picos de turvação elevados. Na figura 3.4 é visível o Campus de Azurém e, a vermelho, o local onde a água bruta foi recolhida. Para se ter uma ideia da distância entre este local e o local onde se encontrava o filtro, na mesma figura pode ver-se, representado a azul, o Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, local este onde foi realizada a parte prática deste estudo. Figura 3.4 Local de recolha da água bruta/lodo e laboratório. A pequena ribeira flui de Nordeste para Sudoeste, em direção ao centro da cidade de Guimarães e, na zona de recolha, apresenta uma secção bastante irregular. Pela observação do local, a largura da secção desta ribeira não apresentará muito mais do que 1 metro. Este curso de água pode ser classificado como perene com caudal reduzido pois, nas estações de estiagem, em certos locais, a altura de água não será maior do que 5 centímetros, com um caudal muito diminuto. Na figura 3.5, pode observar-se o local onde foi recolhida a água bruta. 30

51 Figura 3.5 Pequeno trecho da ribeira. Na mesma figura pode verificar-se o perfil acidentado da secção, contendo bastantes pedras, além de outro tipo de objetos perto deste local. Também se consegue perceber que, devido à secção e ao caudal quase nulo, a velocidade de escoamento é muito baixa, fazendo com que a água esteja praticamente parada. Além destas caraterísticas, o mesmo curso de água, apresenta estreitamentos e quedas de água irregulares o que faz com que o estudo/modelação deste trecho seja de difícil execução e os resultados seriam sempre duvidosos Qualidade da água bruta/lodo Verificou-se, pela observação no local, que a água bruta recolhida na ribeira apresentava caraterísticas físicas que não permitiam o seu consumo. Foi possível observar o nível excessivo de turvação e cor, além do odor que se fazia sentir pelo simples facto de se estar perto da ribeira. Foi fácil perceber, assim, que esta água bruta seria indicada para ser filtrada e para promover o amadurecimento do filtro. Através de medições feitas a duas amostras desta água chegou-se a valores de turvação superiores a 10,0 UNT e a valores médios de ph de cerca de 7,4. Também foi medido o valor da condutividade e obteve-se um valor de 363 μs/cm. Além destas caraterísticas, facilmente se observou que havia milhares de pequenos organismos (invertebrados bentónicos) de diferentes tamanhos (figura 3.6) que se encontravam junto das margens da ribeira, principalmente em zonas onde a água se encontrava parada. 31

52 Figura Pequenos organismos presentes na água bruta da ribeira. Para evitar o transporte de grandes quantidades de água para o laboratório, esta tarefa apenas foi realizada no início dos trabalhos e, nas restantes semanas de operação do filtro optou-se por misturar lodo da ribeira em causa com água de abastecimento e, assim, aumentar a turvação da água no tanque de água bruta que, devido à recirculação, ia ficando com água cada vez menos turva. No capítulo da instalação experimental será explicado mais exaustivamente o funcionamento do filtro, mais concretamente a recirculação da água. Como referido anteriormente, a ribeira apresenta bastantes irregularidades e é notório o seu diminuto caudal, na época do ano em que foi realizado o estudo, fazendo com que a velocidade de escoamento seja muito reduzida. Esta caraterística, juntamente com a fraca qualidade da água, fazem com que seja propícia a deposição de sedimentos que dão origem ao lodo. O lodo carateriza-se por uma massa de solo inundada e rica em partículas de matéria orgânica decomposta e em suspensão no curso de água. Muitas das vezes, o lodo apresenta certos nutrientes, provocando o desenvolvimento de pequenos seres vivos, como microrganismos. Na figura 3.7 pode observar-se o aspeto do lodo, numa das ocasiões de recolha do mesmo, na ribeira. 32

53 Figura 3.7 Aspeto do lodo utilizado para as fases de turvação da água. 3.4 Equipamento de medição Neste capítulo dá-se uma especial atenção aos aparelhos/equipamentos de medição dos parâmetros de qualidade da água - turvação, ph, OD, condutividade e temperatura. Para medir a turvação, principal parâmetro deste estudo, optou-se por usar o turbidímetro portátil HACH 2100Q is. Os restantes parâmetros foram medidos com o medidor multi-parâmetros HACH HQ 40d (figura 3.8) e com os seus medidores de ph (PHC301 Padrão/Standard), de condutividade (CDC401 Resistente (Rugged)), de OD (LDO101 Resistente (Rugged) e LDO101 Padrão). O medidor multi-parâmetro HACH HQ 40d não é um sensor mas sim um medidor ao qual se pode ligar uma sonda e, assim, visualizar os valores medidos. A condutividade foi medida, também, com as sondas HYDROLAB MiniSonde 5 e HYDROLAB MiniSonde 4a. Quanto à temperatura, tanto a HYDROLAB MiniSonde 5 como a HYDROLAB MiniSonde 4a e a HACH HQ 40d fizeram a medição da mesma. Estes equipamentos foram os utilizados por serem de qualidade e por serem estes os equipamentos disponíveis. Figura 3.8 HACH HQ 40d. 33

54 Para simplificar a escrita e a leitura, as sondas Resistentes (Rugged) serão expressas com a letra R. As designações das sondas HYDROLAB também serão simplificadas. Assim, no restante do documento em causa ter em atenção que: PHC301 Padrão/Standard > PHC301; CDC401 Resistente > CDC401 R; LDO101 Resistente > LDO R; LDO101 Padrão > LDO; HYDROLAB MiniSonde 5 > MS5; HYDROLAB MiniSonde 4a > MS4a Medição da Turvação Como referido anteriormente, a turvação é o principal parâmetro a ser estudado nesta dissertação e, o mesmo, é medido com o turbidímetro HACH 2100Q is. O turbidímetro em causa permite medições da turvação entre 0 e 1000 UNT e a sua calibração é feita de forma bastante simples para o utilizador. Este turbidímetro é portátil, por isso, existe uma grande facilidade em transportá-lo e usá-lo in situ para avaliar no momento o nível de turvação de uma água, seja pluvial, de abastecimento ou residual. Na figura 3.9, pode-se ver o aspeto do turbidímetro bem como das células de amostra (cubetas). Figura 3.9 Turbidímetro HACH 2100Q is e cubetas. O turbidímetro em causa tem um modo de funcionamento bastante simples. Depois de se colocar uma célula de amostra no seu interior, um feixe de luz tentará atravessar a mesma e, o aparelho medirá a quantidade de luz que consegue atravessar a célula de amostra e 34

55 aquela que é absorvida/desviada. Através da quantificação da luz transmitida através da célula da amostra é possível relacionar a mesma com a turvação da solução (Hach Company, 2013). Assim, quanto maior a quantidade de luz que consegue ser transmitida, menor será a turvação da água ou do líquido em causa. O turbidímetro HACH 2100Q is permite que o utilizador escolha três modos de leitura Normal (Padrão), Média de Sinal e RST (Rapidly Settling Turbidity). O modo de leitura normal é o mais usado e, neste caso, o turbidímetro faz três medições da turvação, dando ao utilizador a média desses mesmos valores. O segundo modo de leitura, média de sinal, faz 12 leituras da turvação da água, começando a exibir a média das leituras a partir da terceira. Este modo de leitura parece ser mais exato comparando com o modo normal pois faz uma medição mais vasta do parâmetro em causa. Por vezes, a água apresenta partículas em suspensão que podem fazer com que a turvação apresente valores dispersos e, com este modo de leitura podem ser compensadas estas flutuações. Quanto ao terceiro modo de leitura, RST, na teoria, é o mais eficaz para turvações acima de 20 UNT e para amostras com partículas em suspensão que sedimentam depressa, mudando continuadamente o seu valor de turvação. Tal como a média de sinal, o RST calcula várias vezes a turvação da amostra e apresenta a média com uma confiabilidade de mais de 95%, tendo em conta a tendência acumulada dos valores da turvação lidos em tempo real (Hach Company, 2013) No início do trabalho experimental, pensou-se e tentou-se medir o parâmetro turvação com os três modos de leitura disponíveis no turbidímetro HACH 2100Q is, no entanto, não foi possível porque a frequência com que se retirava amostras dos tanques era de 10 em 10 minutos e o modo de leitura RST faz uma leitura bastante demorada da turvação, não dando tempo suficiente para se fazer as várias leituras. Sendo assim, optou-se apenas por medir a turvação através do modo normal e da média de sinal. Na figura 3.10 pode-se observar o ecrã do aparelho em causa. 35

56 Figura 3.10 Ecrã do turbidímetro HACH 2100Q is No ecrã do turbidímetro, são apresentados vários dados importantes como a hora, a bateria do equipamento, o modo de leitura e o nome do utilizador. Além disso, no canto superior esquerdo pode-se verificar se a calibração está correta. Neste caso, o OK significa que o aparelho está calibrado e pronto a ser utilizado. O turbidímetro e a forma como a medição da turvação é realizada são sensíveis e as medições podem ficar comprometidas facilmente. Sendo assim, foi necessário tomar alguns cuidados no manuseamento do turbidímetro. Em primeiro lugar, para as medições serem o mais corretamente feitas, o turbidímetro deve estar pousado numa superfície plana, onde não haja muita incidência de raios solares. Tanto as células de amostra como as suas tampas devem estar sempre o mais limpo e seco possível antes de colocar no equipamento, além do interior do turbidímetro ter de estar limpo e livre de poeiras. O manuseamento das células de amostra tem de ser adequado para evitar pequenos riscos ou imperfeições que podem comprometer as medições. Para atenuar possíveis riscos ou imperfeições nas cubetas que poderiam contribuir para a dispersão da luz, de vez em quando foi aplicada uma fina camada de óleo de silicone, com o mesmo índice refrativo que o vidro das cubetas. Antes de cada medição, tem de se limpar as células de amostra e agitar levemente para homogeneizar a amostra. Uma agitação excessiva poderia criar bolsas de ar na amostra, o que poderia originar medições incorretas. Outro procedimento importante que foi aplicado aquando da medição da turvação foi a rejeição das duas primeiras amostras Ao encher uma cubeta de amostra, apenas foi considerada a terceira amostra já que as duas primeiras serviram para limpar a cubeta com as características da água em causa Medição da Condutividade 36

57 A medição da condutividade da água recirculada (água do tanque de água bruta) e filtrada foi feita com três diferentes equipamentos - medidor multi-parâmetros HACH HQ 40d com a sonda CDC401 R e as sondas MS5 e MS4a. As sondas HYDROLAB apresentam caraterísticas muito idênticas, trata-se apenas de outra versão da mesma sonda. As sondas da HYDROLAB englobam várias sondas numa e permitem ao utilizador medições em contínuo dos parâmetros de interesse, já que as mesmas possuem internamente capacidade para armazenar dados. As mesmas estão preparadas para fazer medições em campo. Além disso, permitem fazer a medição de cerca de 10 parâmetros ao mesmo tempo, com um intervalo de tempo definido pelo utilizador no software Hydras 3LT. O software Hydras 3LT possibilita ao utilizador, num computador, modificar as definições das sondas HYDROLAB. É possível definir os parâmetros a ser medidos, o intervalo de tempo entre medições, a hora e data do começo e do fim das medições e verificar em tempo real os valores dos parâmetros medidos. Além disso, permite fazer a calibração das várias sondas entre outras operações. Através deste software, pode-se transferir para um computador os dados armazenados nas sondas HYDROLAB. Das sondas disponíveis apenas a MS4a permitiria medir vários parâmetros pois, no caso da HYDROLAB MS5, faltavam sondas de medição. Além disso, como vai ser possível verificar à frente, as sondas MS4a não dão garantias dos valores medidos, principalmente pela dificuldade em fazer a calibração dos vários parâmetros. Sendo assim, visto que estavam disponíveis soluções de calibração com condutividade definida, foi possível calibrar este parâmetro das sondas HYDROLAB e apenas este foi medido pelas mesmas. Como o objetivo do estudo consistiria na comparação de parâmetros da água recirculada com a água filtrada, mesmo que se medissem outros parâmetros através da MS4a seria necessário fazer a medição dos mesmos com outra sonda e o mesmo não seria possível. Além da condutividade, estas sondas HYDROLAB fizeram a medição da temperatura. Nas figuras seguintes (figuras 3.11 e 3.12) podem ver-se as sondas HYDROLAB utilizadas neste estudo. 37

58 Figura 3.11 HYDROLAB MiniSonde 4a. Figura 3.12 HYDROLAB MiniSonde 5. Por outro lado, tal como mencionado anteriormente, também se mediu a condutividade com a sonda CDC401 R. Esta sonda é mais pequena que as sondas HYDROLAB e permite um fácil transporte para utilização em campo. O facto de ser em aço inoxidável permite-lhe ser resistente o suficiente para que possa ser utilizada em vários locais, com condições climatéricas adversas e com temperaturas variando entre -10 e 110 ºC. Esta sonda é, também, à prova de água até cerca de 30 metros, para uma utilização máxima de 24 horas. A mesma permite ao utilizador fazer medições de condutividade numa gama de valores 38

59 compreendida entre 0,01 μs/cm e 200 ms/cm ( μs/cm). Na figura seguinte, figura 3.13, pode ver-se o aspeto da sonda medidora da condutividade CDC401 R. Figura 3.13 Medidor multi-parâmetro HQ 40d e sonda CDC401 R. Faz todo o sentido a figura anterior exibir o medidor multi-parâmetro HQ 40d juntamente com a sonda CDC401 R pois a sonda necessita do medidor para apresentar os dados ao utilizador Medição do ph Para a medição do ph das águas bruta e filtrada, o objetivo seria aproveitar as capacidades das sondas HYDROLAB, além da sonda PHC301 (Figura 3.14). Como as sondas HYDROLAB tinham o sensor de ph indisponível, só foi possível a medição do mesmo parâmetro com a sonda PHC301. Esta sonda permite medições de ph entre 2 e 14 e funciona corretamente para temperaturas positivas mas inferiores a 80ºC. Para que os valores de ph medidos correspondessem aos valores reais, foi possível fazer a calibração da sonda com soluções de ph de 4,01 e 7,01. 39

60 Figura 3.14 Medidor multi-parâmetro HQ 40d e sonda PHC Medição do Oxigénio Dissolvido (OD) Para a medição do oxigénio dissolvido, optou-se pela utilização de duas sondas (LDO R e LDO). Estas sondas são idênticas e têm de ser utilizadas conectadas ao medidor multiparâmetros HACH HQ 40d. As mesmas, fazem a medição do OD em mg/l e em percentagem de saturação, através de tecnologia luminescente de oxigénio dissolvido, além da medição da temperatura. A gama de valores medidos por estes aparelhos varia entre 0,1 e 20 mg/l e entre 1 e 200 % de percentagem de saturação. Por outro lado, o seu correto funcionamento requer temperaturas entre 0 e 50ºC. Nas figuras seguintes podem-se ver as sondas medidoras do OD. Figura 3.15 Medidor multi-parâmetro HQ 40d e LDO R. 40

61 Figura 3.16 Medidor multi-parâmetro HQ 40d e LDO. Na teoria, a única diferença entre ambas as sondas de medição de OD prende-se com a sua robustez já que a LDO R é maior e mais indicada para utilização em condições menos favoráveis. O facto de se utilizar ambas, deve-se à não calibração destas sondas, logo, havia a necessidade de perceber a diferença de valores medidos entre ambas. Mais à frente, verse-ão estas diferenças quer na água recirculada quer na água filtrada Medição da Temperatura Todos os sensores utilizados, para a medição da condutividade, do ph e do OD, fazem, ao mesmo tempo, a medição da temperatura. Seria de esperar valores diferentes dos vários sensores pois a calibração dos mesmos pode não ter sido feita da mesma forma, no entanto, os valores de temperatura, medidos pelos vários sensores, deverão variar pouco. 3.5 Material Utilizado nos procedimentos experimentais Nesta subsecção são expostos os materiais/equipamentos utilizados, aquando do trabalho experimental, no laboratório de Hidráulica da Universidade do Minho. Foram necessários vários tipos de materiais para diversas como para a desmontagem/montagem do filtro, para operar o filtro, para vedar algumas tubagens, e outros trabalhos paralelos e essenciais para o sucesso deste estudo. Sendo assim, os materiais utilizados mais importantes utilizados neste estudo experimental foram os seguintes: Argila Expandida ARGEX; Mantas geotêxtil; Computador + Software Hydras 3LT; 2 Tanques de aço inoxidável (filtros); 41

62 1 Tanque de aço inoxidável (tanque de água bruta); Tubagens de limpeza de fundo de 1 em PVC; Tubagens de descarga superior de 2 em PVC; Tubagens de PVC de 1 ½ ; 2 Poços de 135 milímetros em PVC (Recolha da água filtrada); Vazadouros metálicos; Bomba hidráulica a jusante dos filtros; Armadura de suporte para mantas geotêxtil; Braçadeiras de plástico; Saco de filtro para a lavagem da argila expandida ARGEX 0-2; Colher para dosear lodo; Gobelés; Garrafões de 5 litros; Copo graduado de 2 litros e recipiente para receber a água filtrada; Dreno de 35 milímetros envolvido por manta geotêxtil; Válvulas de esfera; Pipeta de 2 mililitros DR Lange; Ácido Nítrico 65%; Sondas de medição e medidores multi-parâmetros; Turbidímetro; Soluções de calibração: Cronómetro; Godo. Nos capítulos seguintes serão apresentados outros materiais, utilizados de forma menos frequente. 3.6 Tarefas Preliminares Antes da montagem do filtro de argila expandida foi necessário realizar alguns trabalhos preliminares que se iniciaram em meados de Abril de Estes trabalhos preliminares foram essenciais para um correto funcionamento do sistema e foram ocorrendo de forma sucessiva ou em simultâneo. No anexo A pode-se atentar nas restantes tarefas realizadas sendo que nesta secção apenas se expõe a lavagem da argila expandida e a calibração dos equipamentos de medição. 42

63 3.6.1 Lavagem da argila expandida A argila expandida ARGEX apresentava alguma poeira causada, talvez, por alguma desintegração do material aquando do transporte ou fabrico. Assim, achou-se apropriado fazer a lavagem da mesma pois, durante a etapa de filtração, corria-se o risco de a água levar consigo algum deste material fino e, em vez de se produzir uma água mais límpida, poder-se-ia estar a degradar a qualidade da mesma. Além disto, o papel da argila expandida seria absorver/adsorver sólidos presentes na água recirculada e, no caso de já estarem com material fino agarrado, a sua capacidade de absorver/adsorver poderia diminuir. A limpeza da argila expandida ARGEX 2-4 e 3-8 foi feita de forma bastante simples. Optou-se por fazer pequenos furos com um distanciamento entre si variado e, fazendo a água escoar pela argila expandida, a mesma sairia com alguns finos. Teve de se ter o cuidado de não fazer furos demasiado largos, sob pena de o material mais fino também ser escoado juntamente com a água da lavagem. Os sacos foram furados na sua base, estando os mesmos colocados na vertical, isto é, a parte com menor área do saco em contacto com o chão. Ao adotar este procedimento para realizar os furos e fazendo a água escoar por gravidade, estava-se a garantir uma menor área de passagem da água, logo, uma maior velocidade de escoamento. Assim, conseguiu-se realizar uma lavagem mais eficiente das argilas expandidas. Nas figuras 3.17 (a) e (b) podem ver-se os furos realizados como referido anteriormente e a lavagem das argilas expandidas ARGEX 2-4 e 3-8. (a) (b) Figura 3.17 (a) Furos na parte inferior do saco; (b) Lavagem da argila com saco de pé. 43

64 Este procedimento de lavagem da argila expandida não seria o mais apropriado mas notouse uma grande diminuição da quantidade de finos na argila além de ser um procedimento que poupou algum tempo de trabalho comparando com outros procedimentos de lavagem. No que concerne à argila expandida de granulometria mais fina, a ARGEX 0-2, a lavagem da mesma realizou-se de forma diferente. O facto de esta ser demasiado fina (ver gráfico 3.1) e, realizando uma lavagem procedendo da mesma forma que no caso das outras argilas expandidas, faria com que parte considerável do material passasse através dos furos, havendo perda de material filtrante importante. Então, optou-se por usar um saco de filtro em que as suas aberturas eram bastante reduzidas, permitindo que o material fino escoasse com a água mas mantendo a argila expandida dentro do saco. Na figura 3.18, pode observarse o formato do saco em causa. Figura 3.18 Saco de filtro. Depois de lavada, a argila expandida adquiriu uma cor mais escura, devido a alguma água que conseguiu absorver/adsorver. Na figura 3.19 (a) e (b), é possível ver-se o aspeto da argila expandida 0-2 antes e após a sua lavagem. 44

65 (a) (b) Figura 3.19 (a) ARGEX 0-2 antes da lavagem; (b) ARGEX 0-2 depois de lavada. É notório na figura 3.19 (a), nas paredes do saco de filtro, a quantidade de material fino presente na argila expandida 0-2. Como se pode verificar pela tabela 3.2, a argila expandida é bastante leve, fazendo com que a mesma flutue quando mergulhada em água. Ao ser lavada, a argila expandida vai absorver/adsorver alguma água e fica um pouco mais pesada, podendo este facto ser importante para a mesma não flutuar. Mais à frente, neste documento, vai ser percetível que realmente a argila expandida do filtro lento consegue flutuar, explicando-se o procedimento que permitiu atenuar esta situação Calibração dos equipamentos de medição Antes de se iniciar a filtração, mais concretamente, antes de se iniciarem as medições dos vários parâmetros, foi necessário verificar se as sondas estariam a medir corretamente ou se seria necessário proceder à sua calibração. As primeiras sondas a ser verificadas foram as HYDROLAB MS5 e MS4a. Verificou-se que as mesmas não estavam corretamente calibradas pois mediam valores distintos. Além disto, quando as sondas não estavam mergulhadas em água, ou seja, quando estavam em contacto direto com o ar, a condutividade teria de ser 0 μs/cm, valor esse que não se verificou. Recorrendo ao software Hydras 3LT foi possível calibrar as sondas, atribuindo valores da condutividade, em soluções de valor de condutividade pré-definida (figura 3.20). 45

66 Figura 3.20 Calibração da condutividade (Software Hydras 3LT). Verificou-se que, durante a calibração, o software não aceitava a solução de 84 μs/cm, pelo que se optou por calibrar as sondas com 1413 μs/cm. As sondas HYDROLAB também foram calibradas com 0 μs/cm, aquando do contacto direto com o ar. Além da condutividade, também se calibrou o ph destas sondas com uma solução de 7,01 de ph (figura 3.21 (b)). (a) (b) Figura 3.21 (a) Soluções para a calibração da condutividade (84 e 1413 μs/cm); (b) Calibração do ph da sonda MS5. Relativamente à sonda CDC401 R, durante a calibração desta, o equipamento requeria uma solução de 1000 μs/cm. Assim, a sonda em causa foi calibrada com 1000 μs/cm e com o 46

67 valor de 0 μs/cm. Após as calibrações terem sido concluídas, verificou-se que as sondas CDC401 R, MS5 e MS4a estavam a medir valores muito aproximados de condutividade. Quanto ao turbidímetro, optou-se por calibrar o aparelho com padrões de calibração StablCal para permitir medições aproveitando a gama máxima de valores que o turbidímetro consegue medir ( UNT). Para calibrar o turbidímetro bastou seguir as indicações do aparelho, colocando, no mesmo, cubetas de amostras com 4 diferentes valores de turvação (10, 20, 100 e 800 UNT), uma de cada vez à medida que o turbidímetro ia executando a calibração. As amostras de calibração são fornecidas pela HACH e teve de se ter algum cuidado para agitar suavemente as mesmas antes da medição, de forma a homogeneizar a solução. Na figura 3.22 podem ver-se as amostras de calibração de 10, 20, 100 e 800 UNT. Na mesma figura, é possível visualizar as diferentes quantidades de turvação da solução, tendo em conta o valor da mesma. É importante, ainda, referir que esta operação de calibração foi feita cerca de uma vez por semana. Figura 3.22 Amostras de calibração de 10, 20, 100 e 800 UNT. Não foi feita a calibração das sondas que fariam as medições do oxigénio dissolvido. Por outro lado, a sonda PHC301 estava já calibrada. Para confirmar esse facto mediu-se o ph de soluções de ph conhecido (4,01 e 7,01) e os resultados obtidos foram muito parecidos 4,16 e 7,04. Sendo assim, confirma-se que a sonda PHC301 estaria corretamente calibrada e pronta a medir o ph das amostras de água recirculada e filtrada. 3.7 Instalação Experimental 47

68 A instalação experimental foi realizada no Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, em Azurém, Guimarães. Uma vez que, em anos transatos, outros alunos já haviam estudado o desempenho de filtros lentos, aproveitou-se a instalação experimental já existente. A mesma é constituída por dois tanques em aço inoxidável paralelepipédicos, abertos na face superior para ser possível a entrada de água e um outro tanque do mesmo material mas com uma configuração específica. Este tanque seria, no estudo em causa, aproveitado para abastecer os dois tanques paralelepipédicos que serviram de filtros. Os tanques de filtração apresentam dimensões de 60 centímetros de altura, 140 centímetros de comprimento e 90 centímetros de largura. Primeiramente, foi necessário definir a espessura de cada camada de argila expandida, material filtrante do filtro lento. Tendo em conta o material disponível definiu-se que a camada da base do filtro seria de 10 centímetros de ARGEX 3-8, a camada intermédia teria espessura de 3 centímetros de ARGEX 2-4 e a camada mais fina teria 15 centímetros de espessura de ARGEX 0-2. Estas espessuras também foram as adotadas no trabalho de Injai (2013), com areia como material filtrante (godo, areia grosseira e areia fina). Na figura 3.23, pode observar-se um esquema do filtro lento de argila expandida. Figura 3.23 Perfil do tanque (filtro de argila expandida). É, ainda, possível ver-se na figura 3.23, a localização das mantas geotêxtil bem como do dreno de 35 milímetros, situado na base do filtro. 48

69 Como referido anteriormente, a argila expandida teve de ser lavada para saírem alguns finos. Depois desta tarefa preliminar (secção 3.6.1), foi possível encher o tanque com a argila expandida em causa, tendo o cuidado de respeitar as espessuras das camadas que foram definidas anteriormente, tentando nivelar cada camada o melhor possível. Sendo assim, nas figuras 3.24 (a), (b) e (c) é possível observar algumas fases da montagem do filtro de argila expandida. (a) (b) (c) Figura 3.24 (a) Colocação da primeira camada; (b) Colocação da última camada; (c) Filtro de argila expandida depois da colocação das mantas geotêxtil. Aquando da colocação em funcionamento do filtro de argila expandida, foi possível perceber, tal como era previsível, que os grãos de argila expandida conseguem flutuar. À medida que a água circulava no filtro, seria de esperar que a argila expandida absorve-se alguma água, ganhando peso e assentando mas o mesmo não sucedeu. Ao flutuar, a argila expandida conseguia levantar as mantas geotêxtil formando uma superfície irregular pois, devido à armadura das mantas geotêxtil, estas só levantavam no centro do filtro. É possível ver-se na figura 3.25 o material a levantar as mantas geotêxtil. 49

70 Figura 3.25 Argila expandida fazendo as mantas geotêxtil flutuar. Além deste facto, como o tanque apresentava uma espessura reduzida (cerca de 2 milímetros), e devido à pressão exercida pela argila expandida e pela água, o mesmo deformava-se um pouco nas laterais, deixando que algum material fino conseguisse passar pelas mantas geotêxtil e chegar à superfície da água. Para resolver estes problemas optouse por colocar duas cunhas uma entre a parede e o tanque de argila expandida e uma outra entre os tanques de filtração. Com estas soluções, a deformação do filtro já não seria significativa e já se poderia garantir que nenhum material se perderia. Para evitar que o material flutuasse, lavou-se algum godo que se retirou da base do filtro de areia e colocou-se no topo das mantas geotêxtil. Este godo foi peneirado no peneiro de 9,5 milímetros, aproveitando-se os retidos, para se utilizar somente o material mais grosseiro. O facto de esta pequena camada de godo ser acrescentada ao sistema não faria prever uma diminuição do desempenho do filtro de argila expandida. Na figura 3.26 é possível ver-se o filtro de argila expandida pronto a ser utilizado, já depois da colocação do godo. 50

71 Figura Configuração final do filtro de argila expandida. Depois do filtro estar perfeitamente operacional, optou-se por usar água de abastecimento durante cerca de uma semana para que o processo de limpeza da argila expandida fosse melhorado. No fim da fase da limpeza, como citado anteriormente, abasteceu-se o tanque de água bruta com cerca de 300 litros de água da ribeira, adjacente à Universidade do Minho, para se começar a fazer as medições que são a base de partida deste estudo. O objetivo seria medir os parâmetros de qualidade da água ao mesmo tempo, no filtro lento de areia e no filtro lento de argila expandida e, no final, fazer a comparação das suas eficiências de tratamento. Devido à quantidade de medições dos parâmetros de qualidade da água (ver capitulo 4), não foi possível usar em simultâneo ambos os filtros, sob pena de não se realizar um correto estudo acerca do desempenho do filtro de argila expandida, principal objetivo deste trabalho. Este sistema de filtração lenta tem por base a recirculação da água entre o tanque de água bruta e o filtro. Assim, depois de a água ser filtrada, ela é encaminhada pela bomba hidráulica (através de mangueira) para o tanque de água bruta, de onde seguirá novamente para o filtro. O afluente é encaminhado para o filtro através de tubagens em PVC de 1 ½. Depois de filtrada, a água segue por tubagens de PVC de 1 ½ até ao poço vertical de 160 milímetros de diâmetro. O mesmo tem uma saída de limpeza de fundo de 1. Além destas tubagens, em caso de caudais elevados ou avaria do sistema, o tanque de filtração tem duas descargas de superfície de 2. Na figura 3.27 pode observar-se a instalação experimental, desenhada no software SketchUp. São visíveis os tanques de filtração (esquerda argila expandida; direita areia), além do tanque de água bruta, elevado em relação aos restantes. Pode observar-se na mesma imagem as tubagens mais importantes, descritas acima, bem 51

72 como o recipiente que recebe a água filtrada e a mangueira por onde a mesma volta para o tanque de água bruta. O filtro de areia foi deixado propositadamente vazio para se puder ver o dreno, idêntico ao que existe no filtro de argila expandida. Figura Instalação experimental (Software SketchUp). Como a bomba hidráulica utilizada apenas funciona para alturas de água de pelo menos 5 centímetros, optou-se por colocar um recipiente a jusante do poço de saída e, assim, a água passa numa tubagem de PVC de 1, entrando no recipiente. A bomba hidráulica foi colocada dentro do recipiente para as alturas de água serem constantemente superiores a 5 centímetros. Todas as tubagens possuem uma válvula de esfera para se poder facilmente desligar o sistema em caso de alguma anomalia/avaria. Neste caso, e ao contrário de trabalhos anteriores, os vazadouros metálicos servem apenas como um coletor de água em caso de caudal elevado ou avaria da bomba. Este sistema de filtração funciona tendo em conta os passos seguintes: Primeiramente a água bruta sai do tanque por gravidade, seguindo um trajeto horizontal ao nível do solo para, seguidamente, seguir de forma ascendente na vertical, de onde seguirá, horizontalmente para o tanque de filtração. Esta água passa a ter a designação de água recirculada e é distribuída em chuveiro pelo filtro (figura 3.26) para evitar possíveis agitações na camada superficial do filtro, minimizando, assim, a perturbação do filme 52

73 formado pela deposição de materiais presentes na água. Depois de passar pelas três camadas do filtro e pelas mantas geotêxtil, a água filtrada é recolhida por um dreno que a encaminha até um poço, que provoca um fluxo vertical ascendente, até a mesma seguir, horizontalmente por uma tubagem, fluindo por gravidade para um recipiente. De seguida, a bomba hidráulica força a água filtrada a entrar no tanque de água bruta, fazendo com que os fluidos se misturem, antes de voltarem a seguir para o filtro de argila expandida. Este processo é contínuo, tal como referido anteriormente. 3.8 Descrição dos trabalhos realizados Descreve-se seguidamente a metodologia experimental adotada. Antes de cada conjunto de ensaios, isto é, a cada dia de ensaios, era necessário ligar corretamente todos os aparelhos de medição usados, excetuando as sondas MS5 e MS4a que estavam ligadas 24 horas por dia, e verificar que estavam em condições desde a utilização anterior. No início dos trabalhos, devido a possíveis inundações do laboratório, o sistema não ficou em funcionamento durante 24 horas. Sendo assim, a água era filtrada apenas aquando das idas ao laboratório para que, assim, no caso de inundações, se pudesse resolver logo o problema. A partir do momento em que não haveria perigo de inundações, o sistema funcionaria 24 horas por dia enquanto as sondas HYDROLAB MS5 e MS4a faziam as medições a cada 5 minutos (intervalo de tempo definido no inicio dos trabalhos). Todos os dias de manhã era retirada uma amostra de água recirculada e outra de água filtrada no tanque de argila expandida para medir os parâmetros de qualidade turvação, ph, OD, condutividade e temperatura. Depois das medições feitas, procedia-se à turvação da água recirculada misturando uma quantidade variável de lodo num garrafão de 5 litros de água que posteriormente seria despejado no tanque de água bruta. A quantidade de lodo que se adicionava à água foi variando por vezes 2, outras vezes 3 ou até 4 ou 5 colheres de lodo em 5 litros de água de abastecimento. Na figura 3.28, pode ver-se uma colher de lodo, antes da turvação da água. Era habitual, misturado com o lodo, aparecer algumas pequenas folhas ou plantas. 53

74 Figura 3.28 Colher de lodo para a turvação da água. Foi possível reparar, também, que o lodo poderia estar mais ou menos diluído, fazendo variar a turvação com que ficaria o tanque de água bruta. Esta evidência é importante pois permitiu obter dados de turvação variáveis tendo em conta a quantidade de lodo adicionada. Deste modo, conseguia-se atingir picos de turvação devido aos sólidos em suspensão, materiais esses que iriam amadurecer o filtro lento de argila expandida. É possível observar, na figura 3.29, a diferença entre um garrafão de 5 litros de água, antes e depois da sua turvação. (a) (b) Figura 3.29 (a) Garrafão de água antes da turvação; (b) Garrafão de água turvada, depois de adicionado o lodo. O intervalo entre episódios de turvação era variável normalmente voltava-se a turvar a água quando a turvação da água recirculada atingisse valores entre 3 e 4 UNT. No intervalo entre os episódios de turvação eram retiradas amostras de água recirculada e de água filtrada, com uma frequência de 10 minutos. As amostras eram retiradas com as células de amostra, rejeitando as duas primeiras amostras de cada tanque e aproveitando apenas a terceira. Antes da retirada da amostra do tanque de água bruta, este era agitado, tentando sempre que esta agitação fosse branda e equivalente em cada amostra. Durante os 10 minutos entre as recolhas de amostras, era medido a turvação da amostra bruta e filtrada tendo em conta os dois modos de medição referidos anteriormente normal e média de 54

75 sinal. Em cada um dos dois modos de medição, fazia-se a leitura de três valores para se aproveitar a média final. Esporadicamente, como se poderá ver nos resultados obtidos, foi medida a turvação uma quarta ou quinta vez para atenuar as variações de valores que, por vezes, eram elevadas. Assim, considerando duas amostras (água recirculada e filtrada), os dois modos de medição e as três medições em cada modo, era necessário fazer 12 leituras de turvação a cada 10 minutos, pelo menos. Teve de se ter o cuidado de agitar suavemente cada célula de amostra, antes de introduzir no turbidímetro, para homogeneizar a mesma. As células de amostra foram limpas com papel absorvente, antes de cada ensaio, para impedir que as gotas de água interferissem nas medições. Para que os resultados não fossem afetados, procedeu-se à limpeza das células de amostra pois, estas, poderiam sofrer de incrustações, fruto do ph elevado da água. Para ultrapassar este problema, começou-se a limpar as células de amostra cerca de uma vez por semana, mergulhando as mesmas numa solução de água com cerca de 2 mililitros de ácido nítrico 65%, durante cerca de 10 minutos como se pode observar na figura Na mesma figura é possível ver-se a pipeta utilizada para medir os 2 mililitros de ácido nítrico 65%. Para este procedimento teve de se ter especial atenção, considerando que o ácido nítrico é altamente corrosivo. Figura 3.30 Limpeza das células de amostra com ácido nítrico 65% e pipeta. Quanto ao ph da água recirculada e filtrada, este era medido, também, a cada 10 minutos, depois de se medir a turvação de cada amostra. No caso do ph, foram feitas apenas duas leituras para cada amostra, perfazendo quatro leituras a cada 10 minutos. Aquando da medição do ph, o mesmo sensor também media a temperatura da amostra. Os restantes parâmetros condutividade e OD, eram medidos com uma frequência menor devido ao curto período entre medições de turvação não ser suficiente para fazer todas as medições 55

76 desejáveis. Portanto, o intervalo de medição da condutividade e do OD era variável por vezes poderia ser de hora em hora ou mais. Como as sondas MS5 e MS4a faziam a medição da condutividade a cada 5 minutos, não é preocupante o facto de não se conseguir medir o mesmo parâmetro com a sonda CDC401 R com uma frequência menor. Na tabela 3.7, podese ver um resumo das frequências de medição consideradas para cada parâmetro de qualidade. Tabela 3.7 Resumo das frequências de medição para cada parâmetro de qualidade. Parâmetro Equipamento Frequência de Nº de Amostras (Água) leituras leituras Turvação HACH 2100Q is 10 minutos Recirculada + Filtrada ph PHC minutos * Recirculada + Filtrada CDC401 R Variável Recirculada + Filtrada Condutividade MS5 5 minutos Recirculada 1 MS4a 5 minutos Filtrada 1 OD LDO R Variável Recirculada + Filtrada LDO101 Variável Recirculada + Filtrada PHC minutos * Recirculada + Filtrada CDC401 R Variável Recirculada + Filtrada Temperatura MS5 5 minutos Recirculada 1 MS4a 5 minutos Filtrada 1 LDO R Variável Recirculada + Filtrada LDO101 Variável Recirculada + Filtrada * Excetuando os dois primeiros dias de medições Ainda na tabela 3.7 pode-se ver, também, o equipamento utilizado para a medição de cada parâmetro e o número de leituras realizadas para cada amostra (recirculada ou filtrada). Durante a realização deste estudo, também foi feita a medição do caudal do sistema. A frequência da medição do mesmo foi bastante variável, tentando-se fazer pelo menos duas medições por dia de medição, excetuando os dias em que só se faria medições de manhã ou de tarde. É importante referir que este caudal se refere ao caudal medido à saída do filtro de argila expandida. No início dos trabalhos, a medição do caudal foi realizado contabilizando o tempo (em segundos) que demoraria a encher-se um volume de 2 litros mas, a partir de um certo momento, começou-se a medir o tempo que demoraria a encher 1 litro de água e 2 litros de água, fazendo-se no final a média. Ao adotar este procedimento de medição estava-se, em princípio, a minimizar os erros óbvios de uma medição tendo em 56

77 conta a capacidade da vista humana. Sendo assim, a expressão que permite calcular o caudal à saída do filtro de argila expandida é a seguinte: = = [ + ] 6 [ 3 /h] Sendo correspondente ao tempo, em segundos, que demora a encher um volume de 1 litro e o tempo, em segundos, que demora a encher um volume de 2 litros. Sabendose o caudal do sistema, era possível calcular a taxa de filtração, fazendo o quociente entre o caudal e a área de filtração (em planta). A expressão seguinte traduz o cálculo desta taxa: = = + [ ] 6, 6 [ /h] A área de filtração, visto que o tanque apresenta comprimento e largura de 1,4 e 0,9 metros, é 1,26 m 2. 57

78 58

79 Turvação da água recirculada (UNT) Turvação da água filtrada (UNT) 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO DOS MESMOS Neste capítulo será apresentada a tendência de variação dos parâmetros medidos (turvação, condutividade elétrica, ph, oxigénio dissolvido, temperatura e caudal/taxa de filtração), em tabelas e em gráficos de modo a ser percetivel a variação dos mesmos. Também serão realizados comentários e conclusões acerca dos resultados obtidos. Nota para o facto de a grande generalidade dos dados medidos se encontrar em anexo. 4.1 Turvação A amplitude temporal das medições foi bastante extensa. Assim, os dados obtidos foram igualmente extensos e desta forma optou-se por colocar os mesmos no anexo B. O facto de se considerar dois modos de leitura para a turvação (ver capitulo 3.4.1), não demonstrou diferenças significativas entre os mesmos, pelo que, na análise deste parâmetro, apenas se considera o modo de leitura normal. Seguidamente, pode observar-se o gráfico 4.1 onde é apresentada a tendência da turvação da água filtrada e da água recirculada, ao longo do estudo. 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Água Recirculada Água filtrada Gráfico Variação da turvação da água filtrada e da água recirculada (modo de leitura normal). Ao longo do estudo, é possível verificar um aumento da turvação da água filtrada mas, a dada altura (cerca de 18 a 21 de Agosto), a turvação atinge os valores mais elevados. Este aumento prende-se com o não amadurecimento do filtro, deixando, assim, que pequenas 59

80 partículas dissolvidas na água passassem mais facilmente na etapa de filtração. A partir de 21 de Agosto, nota-se uma diminuição e uma menor variabilidade diária dos valores da turvação da água filtrada. Nesta fase final, o filtro estaria mais amadurecido a e a sua eficiência aumentaria, tal como se poderá ver no gráfico 4.3. Portanto, verifica-se que a água filtrada apresenta uma tendência de remoção mais afinada com o decorrer do estudo, como seria de esperar. O valor máximo da turvação da água filtrada obtido foi de 2,98 UNT. Por outro lado, o valor mínimo foi de 0,22 UNT. Tendo em conta o disposto na Tabela 2.2, o valor paramétrico da turvação da água para consumo humano é 4,0 UNT. Tendo em conta este valor e, considerando a totalidade dos dados da turvação da água filtrada, todos os valores encontram-se abaixo de 4,0 UNT. Por outro lado, segundo o Dec. Lei nº 306/2007, no caso de águas superficiais, o valor paramétrico da turvação aquando da saída do tratamento deve ser de 1,0 UNT e verificouse que a turvação da água filtrada é inferior a este valor em 90,83% e 91,28% quando se trata, respetivamente, do modo de leitura normal e média de sinal. Relativamente à variação dos valores da turvação da água recirculada, os mesmos parecem ter coerência pois, podem-se observar os picos de turvação aquando da introdução de lodo no tanque e a diminuição deste parâmetro à medida que a etapa de filtração é realizada e até se voltar a introduzir lodo no tanque, voltando a aumentar a turvação do mesmo. Os máximos valores de turvação da água recirculada ou picos de turvação, não são constantes devido ao doseamento variável do lodo e, também, devido à agitação manual do tanque de água bruta, antes da retirada de amostras. O valor máximo e mínimo de turvação da água recirculada obtidos foram, 64,07 e 0,85 UNT. Estes são valores limite, sendo que a generalidade dos restantes valores encontram-se bastante afastados destes. O valor de 0,85 UNT pode-se ter devido à ausência de agitação ou a um erro de medições. Tal como apresentado na tabela 2.4, Di Bernardo recomenda que uma água pode ser tratada por filtração lenta em areia se a mesma tiver uma turvação inferior a 10 UNT. Tendo em conta este valor de 10 UNT, foi possível perceber que, no caso do estudo em causa, 74,77% e 77,06% das amostras de água recirculada são inferiores a este valor de turvação quando se considera, respetivamente, os modos de leitura normal e média de sinal. É possível fazer uma analogia entre um filtro lento de areia e um filtro lento de argila expandida, no entanto, 60

81 verificou-se que, neste trabalho, conseguiu-se obter valores de turvação da água filtrada inferiores aos limites legais mesmo com água recirculada apresentando turvação superior a 10 UNT. Ainda pela observação do gráfico 4.1, pode-se constatar que, na fase final, continuou-se a turvar a água recirculada já que continuam a existir picos acentuados de turvação. Mesmo assim, a turvação da água filtrada parece sofrer aumentos menos significativos com esse facto, significando que o filtro estaria a amadurecer. Na tabela 4.1, apresenta-se um quadro geral de alguns valores importantes deste estudo. Tabela 4.1 Alguns valores relevantes acerca dos dados totais da turvação da água recirculada/filtrada - Modo de leitura normal/média de sinal (Valores em UNT). Desvio- Mínimo Máximo Média 1ºQuartil Mediana 3ºQuartil Padrão Água Recirculada 0,85 62,77 8,21/7,61 7,40/6,95 3,78/3,56 6,01/5,53 9,99/9,48 Água Filtrada 0,22 2,98 0,62 0,44 0,37/0,36 0,54 0,66 Relativamente à eficiência do filtro de argila expandida no que concerne à diminuição da turvação é importante referir que o cálculo da eficiência fez-se tendo em conta o valor da turvação da água filtrada e bruta, no mesmo momento tal como se pode verificar na expressão seguinte: á = á = % = % á = O facto de se considerar esta expressão causa um erro nas eficiências de remoção pois, estas, deveriam ser calculadas com o valor da turvação máxima da água recirculada e o valor da turvação máxima da água filtrada, para cada intervalo de turvação. Assim, obterse-ia apenas uma eficiência de remoção da turvação para cada intervalo entre turvações da água recirculada. Quantificar o valor da turvação máxima da água recirculada é simples pois esse valor corresponde à turvação medida imediatamente após a turvação da água, no entanto, com um intervalo de medições de 10 minutos, torna-se impossível quantificar o valor máximo da turvação da água filtrada. Os dados recolhidos, mostram, na grande generalidade dos mesmos, um crescendo da turvação da água filtrada após a turvação, chegando a um momento (turvação máxima da água filtrada) em que o mesmo parâmetro começa a decrescer. Sendo assim, não se consegue recolher o máximo valor da turvação da 61

82 água filtrada. A solução para ultrapassar este obstáculo seria fazer medições da turvação de 1 em 1 minuto ou menos, para encontrar o exato momento em que a água filtrada atinge o seu ponto de turvação mais elevado em cada etapa de turvação. Considerando, então, a expressão da eficiência de remoção de turvação, obteve-se os valores de 36,64% e 35,63% de eficiência mínima e 99,60% e 99,61% de eficiência máxima de remoção para o modo de leitura normal e média de sinal, respetivamente. Durante mais de metade do estudo, as eficiências de remoção da turvação ultrapassaram os 90%. A eficiência média de remoção da turvação foi de cerca de 87 %, valor superior ao obtido no estudo de Injai (2013). Para uma melhor perceção dos valores médios, optou-se por apresentar, seguidamente, os dados anteriores mas em valores médios diários. Na tabela 4.2, são apresentados os valores médios diários de turvação bem como as eficiências de remoção, além dos valores mínimos, máximos, médios e dos desvios-padrão. Tabela 4.2 Valores médios diários de turvação e reduções percentuais de turvação. Normal Modo de Leitura Média Sinal 62

83 Data Filtrada Recirculada Redução (%) Filtrada Recirculada Redução (%) ,55 5,84 90,58 0,57 5,41 89, ,57 4,64 87,72 0,57 4,40 87, ,79 5,56 85,79 0,79 5,31 85, ,86 19,18 95,52 0,85 17,77 95, ,60 5,49 89,07 0,60 4,64 87, ,88 3,99 77,94 0,90 3,70 75, ,59 9,57 93,83 0,60 8,87 93, ,36 6,77 79,91 1,35 6,28 78, ,32 7,58 82,59 1,31 7,09 81, ,48 9,43 94,91 0,48 8,91 94, ,30 7,96 96,23 0,30 7,17 95, ,37 8,38 95,58 0,37 7,58 95, ,28 8,51 96,71 0,27 7,37 96, ,31 13,21 97,65 0,31 11,51 97, ,35 19,42 98,20 0,35 18,59 98, ,43 7,54 94,30 0,43 7,53 94, ,31 6,82 95,45 0,31 8,66 96,42 Mínimo 0,28 3,99 77,94 0,27 3,70 75,68 Máximo 1,36 19,42 98,20 1,35 18,59 98,12 Média 0,61 8,82 91,29 0,61 8,28 90,64 Desv. Padrão 0,33 4,36 6,21 0,32 4,08 6,78 Pela observação da tabela 4.2, é possível perceber quais os dias onde a turvação da água filtrada e bruta é máxima ou mínima. Pode, também, concluir-se quais os dias de eficiência máxima e mínima de remoção da turvação. Confirma-se, pela mesma tabela, que o dia de média mais elevada de eficiência de remoção foi o dia 3 de Setembro. Foi, também, neste dia que se obteve o máximo valor de remoção da turvação (cerca de 99,60%). Por outro lado, o dia 14 de Agosto foi o dia em que a média diária de eficiência de remoção de turvação foi menor mas, foi no dia 18 de Agosto, pelas 16:20h, que se atingiu o menor valor de eficiência (cerca de 36%). Seguidamente, pode observar-se o gráfico 4.2, para melhor compreender os valores presentes na tabela

84 Turvação da água recirculada (UNT) Turvação da água filtrada (UNT) 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Afluente Efluente Gráfico Valores médios diários de turvação da água filtrada e recirculada Tal como se tinha observado no gráfico 4.1, no gráfico 4.2 também é percetível que a partir do dia 21 de Agosto, os valores da turvação da água filtrada diminuíram consideravelmente, depois de, na fase inicial, haver um aumento da turvação, fruto da idade do filtro. Relativamente à água recirculada, são percetíveis os picos de turvação diária sendo que há dois valores bastante elevados que se destacam dos restantes (dia 11 de Agosto e 3 de Setembro). No dia 11 de Agosto, numa tentativa de aumentar de forma brusca o amadurecimento do filtro/colmatação do geotêxtil foi adicionada uma quantidade de lodo bastante mais elevada que nas restantes etapas de turvação da água recirculada, fazendo com que este dia se destaque no que diz respeito à quantidade de turvação de água recirculada. No dia 3 de Setembro, o valor elevado de turvação diária de água recirculada pode dever-se a um erro de medições ou ao baixo caudal do dia em causa. No gráfico 4.3 pode-se observar os valores médios diários da eficiência de remoção da turvação. 64

85 Eficiência de remoção da turvação (%) 100% 95% 90% 85% 80% 75% Gráfico 4.3 Valores médios diários da eficiência de remoção da turvação. É notório no gráfico 4.3, a estabilização da eficiência do filtro de argila expandida a partir do dia 21 de Agosto. É, também, a partir deste dia que as eficiências diárias de remoção atingem os valores máximos, salvo o dia 11 de Agosto. No dia 8 de Setembro, a eficiência diária de remoção atinge um valor abaixo dos dias anteriores, mas a eficiência volta a aumentar logo a seguir. As linhas de tendência polinomiais (a tracejado) dão uma ideia um pouco aproximada da evolução das eficiências diárias de remoção de turvação. Excetuando o último dia de medições, a eficiência calculada com os valores da turvação obtidos pelo modo de leitura normal apresenta valores um pouco mais elevados, quando comparados com o outro modo de leitura. Esta pequena diferença deve-se, essencialmente, devido ao valor mais elevado da turvação da água recirculada aquando da consideração do modo de leitura normal. 4.2 Parâmetros Físico Químicos de Controlo Condutividade elétrica Redução da Turvação (normal) Redução da Turvação (média sinal) Polinomial (Redução da Turvação (normal)) Polinomial (Redução da Turvação (média sinal)) Tal como referido anteriormente, a condutividade foi medida com as sondas MS5, MS4a e CDC401 R. As sondas MS5 e MS4a mediram automaticamente a temperatura e a condutividade, de 10 em 10 minutos, e com a sonda CDC401 R realizaram-se algumas 65

86 Condutividade (µs/cm) Temperatura ( C) medições nos dias de presença efetiva no laboratório. O desgaste das sondas MS5 e MS4a, que se desligavam bastantes vezes, conduziu a que as medições automáticas da condutividade da água filtrada fossem escassas, no entanto, existem as medições com a sonda CDC401 R. Apresenta-se, seguidamente, o gráfico 4.4, com a variação da condutividade da água filtrada e bruta, medida com o sensor CDC401 R. Salienta-se que foram eliminados dois valores de condutividade de cerca de 800 µs/cm por se tratar de valores únicos e bastante distantes dos restantes valores. Os valores mínimo e máximo, medidos com esta sonda, foram 397 C e 595 µs/cm, respetivamente ,00 26,00 24,00 22,00 20,00 18,00 16,00 Condutividade (Água Filtrada) Condutividade (Água Recirculada) Temp. (Água filtrada) Temp. (Água recirculada) Polinomial (Condutividade (Água Filtrada)) Polinomial (Condutividade (Água Recirculada)) Polinomial (Temp. (Água filtrada)) Polinomial (Temp. (Água recirculada)) Gráfico 4.4 Variação da condutividade elétrica e da temperatura ao longo do estudo (sonda CDC401 R). 66

87 É possível concluir, pelo gráfico 4.4 e pelas linhas de tendência, uma ligeira superioridade da condutividade elétrica da água filtrada em relação à água recirculada, no entanto, a diferença do parâmetro entre o afluente e efluente não é muito acentuado. Pelos dados totais, disponíveis no anexo C, a média da condutividade elétrica da água filtrada e recirculada é, respetivamente, 467,02 e 459,20 µs/cm, corroborando as linhas de tendência do gráfico 4.4. O aumento da condutividade aquando da passagem pelo filtro de argila expandida parece dever-se justamente ao material filtrante. A argila expandida contém algum material fino que se dissolve na água, aquando da passagem da mesma, fazendo aumentar a condutividade elétrica. É notório no gráfico 4.6, na parte final do estudo, uma diminuição acentuada da condutividade, tanto da água filtrada como da água recirculada. Esta diminuição pode dever-se à influência das mantas geotêxtil que, com o decorrer da filtração, conseguem filtrar as pequenas partículas da argila expandida. Além deste fator, ao proceder-se à turvação da água, estava-se a introduzir uma água com uma condutividade bastante mais baixa (cerca de 114 µs/cm em média), levando à diminuição da condutividade da água do sistema. Relativamente à temperatura, não é possível fazer a distinção entre o afluente e o efluente e pode-se verificar isso pelas linhas de tendência da temperatura. Parece haver uma correlação entre a temperatura e a condutividade elétrica (o aumento da temperatura corresponde ao aumento da condutividade), pelo menos até cerca de 28 de Agosto, altura em que a temperatura continua a aumentar e a condutividade começa a decrescer. Seguidamente apresenta-se a tabela 4.3, com a variação da condutividade elétrica e da temperatura ao longo do tempo, em termos de médias diárias, medido com a sonda CDC401 R (os dados encontram-se no anexo C). 67

88 Tabela 4.3 Valores médios diários da condutividade e temperatura (sonda CDC401 R). Condutividade (µs/cm) e Temperatura ( C) Data Médias Diárias Filtrada Recirculada ,50 24,60 402,25 24, ,50 25,20 461,50 25, ,33 24,67 467,33 24, ,50 24,35 438,25 24, ,00 22,93 437,00 23, ,50 22,85 476,50 23, ,25 23,03 470,00 22, ,00 24,20 487,00 24, ,75 23,85 471,75 23, ,50 23,55 467,50 23, ,50 25,80 465,50 25, ,50 25,18 466,50 25, ,00 23,30 467,33 23, ,50 26,35 507,00 26, ,00 24,83 512,67 24, ,33 25,27 403,33 25, ,33 25,00 437,33 25,17 Mínimo 404,33 22,85 402,25 22,93 Máximo 514,00 26,35 512,67 26,55 Média 467,76 24,41 461,10 24,46 Relativamente às sondas MS5 e MS4a, tal como referido anteriormente, alguns parâmetros não foram medidos, principalmente da água filtrada. Sendo assim, apresentam-se na tabela 4.4, as médias diárias da condutividade e temperatura do afluente e efluente, medidos com as sondas em causa. 68

89 Tabela 4.4 Valores médios diários da condutividade e temperatura do afluente e efluente (MS5 e MS4a) (Valores da condutividade em µs/cm e de temperatura em C). Data Filtrada Recirculada Filtrada Recirculada Data Cond. Temp. Cond. Temp. Cond. Temp. Cond. Temp ,79 23, ,91 24, ,05 24, ,37 25, ,70 24, ,03 25, ,08 23, ,77 23, ,72 22,39 482,03 22, ,48 23, ,23 22,15 437,93 21, ,46 23, ,93 21, ,86 24, ,96 22, ,18 25, ,50 24,15 470,77 24, ,50 25, ,42 24,26 479,86 24, ,34 24, ,86 23,50 478,54 23, ,78 24, ,13 23, ,18 24, ,44 23, ,57 24, ,34 23, ,07 24, ,55 23, ,99 24, ,92 23,25 No gráfico seguinte, gráfico 4.5, apresenta-se a tendência dos dados da tabela 4.4. É notória a falta de dados da água filtrada, pelo que se consegue apenas tirar conclusões dos valores da condutividade da água recirculada. 69

90 Condutividade (µs/cm) Temperatura ( C) Gráfico Tendência dos valores médios diários da condutividade e da temperatura (MS5 e MS4a). Confirmando os dados da sonda CDC401 R, há uma relação direta entre a temperatura e a condutividade da água recirculada, já que o aumento da temperatura traduz-se num aumento da condutividade, embora, na parte final do estudo, esta relação não seja tão óbvia. Comparando estes resultados da condutividade elétrica com dados anteriores Injai (2013), aquando da utilização de areia como material filtrante, verifica-se que os mesmos são bastante elevados. Apesar da condutividade elétrica da água recirculada da ribeira apresentar, no momento da captação, uma condutividade elevada (363 µs/cm), a condutividade elétrica da água do sistema manteve-se sempre acima desse valor, logo, a argila expandida aumenta a condutividade da água do sistema. Condutividade (Água filtrada) Condutividade (Água recirculada) Temperatura (Água filtrada) Temperatura (Água recirculada) Polinomial (Condutividade (Água recirculada)) Polinomial (Temperatura (Água recirculada)) Conclui-se que a filtração em argila expandida não diminui, na generalidade dos dados medidos, a condutividade elétrica da água. Pelo contrário, a condutividade da água parece aumentar aquando da passagem pelo filtro de argila expandida. Relativamente à legislação em vigor, na tabela 2.2, pode-se ver que o valor paramétrico da condutividade elétrica, para 70

91 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :10 ph consumo humano, é 2500 µs/cm. Tendo em conta este valor, verifica-se que a água filtrada apresentou sempre uma condutividade elétrica inferior ph Devido ao número elevado de dados de ph, os mesmos encontram-se no anexo D. No anexo em causa apenas se poderá ver um valor de ph em cada medição, no entanto, tal como supracitado, este parâmetro foi medido duas vezes. Na tabela em anexo apenas consta o valor da média entre os dois valores medidos. O mesmo acontece no caso da temperatura, também medida duas vezes em cada amostra mas só se apresenta o seu valor médio. Os valores do ph e da temperatura foram sempre arredondados para o valor acima, às centésimas. O ph medido durante este estudo mostrou valores bastante irregulares, não havendo uma tendência para o ph da água recirculada ser superior ao ph da água filtrada, nem o oposto. De um modo geral, tendo em conta todos os dados obtidos, o ph da água filtrada é igual ou superior ao ph da água recirculada em 52,46% dos valores medidos. Sendo assim, neste estudo, pode-se afirmar que o ph da água filtrada é maior ou igual ao ph da água recirculada. Estes valores podem-se dever aos valores de ph das argilas expandidas. No gráfico 4.6, pode ver-se a tendência dos valores de ph medidos. 10,30 9,80 9,30 8,80 8,30 Água filtrada Polinomial (Água filtrada) Água recirculada Polinomial (Água recirculada) Gráfico Variação do ph da água filtrada e da água recirculada. 71

92 Temperatura ( C) ph É possível ver que não há uma constância nos valores do ph. As linhas de tendência polinomiais ajudam a mostrar de uma forma aproximada a tendência geral do ph da água filtrada e da água recirculada. O ph da água filtrada variou entre 8,34 e 10,46, ou seja, a sua variabilidade é de 2,12. Por outro lado, o ph da água recirculada encontra-se compreendido entre 8,96 e 10,48 apresentando uma variabilidade de 1,52 valores na escala de Sorensen. O valor mais baixo do gráfico 4.6 (ph da água filtrada) tem o valor de 8,34 e está bastante distante dos restantes valores. Parece ter havido um problema de medição, ou do aparelho ou do operador. Os valores de ph obtidos neste estudo são superiores aos obtidos no trabalho de Injai (2013), utilizando a mesma instalação experimental, apenas variando o material filtrante. No gráfico seguinte, gráfico 4.7, pode-se atentar na tendência do ph e da temperatura medida com o sensor PHC ,00 26,50 26,00 25,50 25,00 24,50 24,00 23,50 23,00 22,50 22,00 ph Temperatura 10,50 10,00 9,50 9,00 8,50 8,00 Polinomial (Água filtrada (temperatura)) Polinomial (Água recirculada (temperatura)) Polinomial (Água filtrada (ph)) Polinomial (Água recirculada (ph)) Gráfico ph vs temperatura linhas de tendência. No gráfico 4.7 pode-se verificar a evolução do ph ao longo do estudo, mas com a comparação da evolução da temperatura medida. Pode-se afirmar que o ph, ao longo do estudo, foi diminuindo e a temperatura foi aumentando mas com uma variação mais acentuada. Apesar da diminuição do ph e do aumento da temperatura em termos globais, não parece existir uma relação relevante entre ambos os parâmetros, sendo que a variação da temperatura parece ter-se devido mais à variação da temperatura ambiente do que propriamente devido ao funcionamento do filtro de argila expandida. 72

93 Segundo a tabela 2.2, o valor máximo admissível do ph para consumo humano é 9,0 (escala de Sorensen) e o valor mínimo é 6,5. É possível ver-se no gráfico 4.6, que o valor do ph da água filtrada é superior a 9,0 - mais concretamente em cerca de 98,80% das medições. Apesar desta percentagem elevada de ph superior ao limite da legislação pode-se, também, perceber que este parâmetro foi diminuindo à medida que se ia filtrando a água. Mesmo considerando apenas a percentagem de valores de ph da água filtrada superiores a 9,0, este parâmetro não influencia preponderantemente a qualidade da água para consumo como outros parâmetros mais relevantes. O limite inferior e superior do ph da água para consumo serve, na generalidade, para proteger as tubagens de abastecimento de água. Um ph demasiado baixo pode provocar corrosões e, no caso de ph demasiado alto, pode-se potenciar o aparecimento de incrustações nas tubagens. Contudo, salienta-se que o controlo do ph nas ETA não é feito neste tratamento primário, mas sim em tratamentos mais avançados. Para uma melhor perceção dos dados, apresentam-se seguidamente, na tabela 4.5, os valores do ph e da temperatura em termos de valores médios diários. Tabela 4.5 Valores médios diários do ph e temperatura (medidos com sensor PHC301). Dia ph (Água ph (Água Temperatura (Água Temperatura (Água filtrada) recirculada) filtrada) ( C) recirculada) ( C) ,03 10,03 24,45 24, ,37 10,38 25,18 25, ,32 10,33 24,68 24, ,20 10,19 24,62 24, ,17 10,16 22,93 22, ,15 10,24 23,35 23, ,16 10,19 22,95 22, ,00 9,94 24,19 24, ,05 10,04 24,02 24, ,10 10,04 24,00 24, ,75 9,75 25,96 26, ,76 9,73 25,12 25, ,68 9,71 23,44 23, ,48 9,49 26,69 26, ,58 9,55 24,95 25, ,26 9,29 25,11 25, ,28 9,33 25,21 25,38 73

94 ph Temperatura ( C) No gráfico 4.8, pode se observar a variação dos valores médios do ph e da temperatura. 10,4 10,2 10 9,8 9,6 9,4 9, , , , , ,5 Água filtrada (ph) Água filtrada (temperatura) Água recirculada (ph) Água recirculada (temperatura) Gráfico Variação dos valores médios diários de ph e temperatura (medidos com sensor PHC301). Novamente pode observar-se a tendência de diminuição do ph. Quanto à temperatura, não parece haver relação com os valores de ph medidos, tal como foi verificado no gráfico 4.7. Durante a etapa de filtração, depois de a água recirculada entrar em contacto com a argila expandida, o seu ph aumenta ao entrar em contacto com a ARGEX 0-2 (ph de 10,30) e a ARGEX 2-4 (ph de 10,51). A água recirculada ao passar na camada filtrante da base do filtro (ARGEX 3-8 ph de 9,07) deve diminuir o seu valor de ph, mas não o suficiente para que o seu valor seja idêntico ao ph resultante da filtração em areia (Injai, 2013). Com a finalidade de confirmar que os valores elevados de ph se deviam à argila expandida, realizou-se, no final do trabalho laboratorial, cerca de duas horas de operação do filtro de areia para se quantificar o ph deste filtro. Seguidamente, pode-se atentar na tabela 4.6 para se perceber quais foram os valores de ph obtidos aquando da operação do filtro de areia. 74

95 Tabela 4.6 Valores de ph e temperatura do filtro de areia. Dia Hora ph e Temperatura ( C) Filtrada Recirculada 15:30:00 7,93 21,10 7,84 21,50 15:40:00 7,88 21,20 7,76 21,40 15:50:00 7,82 21,30 7,83 21,30 16:00:00 8,00 21,20 7,85 21,30 16:10:00 7,90 21,80 7,87 21,80 16:30:00 7,94 21,80 7,85 21,70 16:50:00 8,01 21,30 7,90 21,50 17:00:00 8,04 21,20 7,96 21,40 17:10:00 8,07 21,50 7,98 21,70 17:20:00 7,99 20,60 8,00 20,80 Mínimo 7,82 20,60 7,76 20,80 Máximo 8,07 21,80 8,00 21,80 Média 7,96 21,30 7,88 21,44 Como seria de esperar, e confirmando o estudo anterior de Injai (2013), o valor do ph da água filtrada pela areia é bastante inferior ao ph obtido com a argila expandida. Sendo assim, confirma-se que os elevados valores de ph obtidos no filtro de argila expandida devem-se ao material filtrante a argila expandida. Além do ph e da temperatura, também se mediu a turvação, a condutividade e o OD da água filtrada no filtro de areia mas os valores não são importantes para a comparação do ph Oxigénio dissolvido Como referido anteriormente, o oxigénio dissolvido foi medido com as sondas LDO R e LDO. As medições realizadas encontram-se em forma de tabela no anexo E. Estas sondas não foram calibradas, pelo que os resultados obtidos são um pouco diferentes. A totalidade das medições encontra-se em anexo. Antes do início dos trabalhos, esperava-se que o OD da água filtrada apresentasse valores mais baixos relativamente à água recirculada, fruto do consumo de oxigénio por parte dos microrganismos que iriam ficar alojadas no topo das mantas geotêxtil. Na tabela 4.7 podem observar-se os valores mínimo, máximo e médio do oxigénio dissolvido. 75

96 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :40 OD (mg/l) Temperatura ( C) Tabela 4.7 Resumo dos valores mínimo, máximo e médio do oxigénio dissolvido. OD (mg/l) e Temperatura ( C) LDO R LDO Água filtrada Água recirculada Água filtrada Água recirculada Mínimo 8,17 22,10 8,06 22,00 7,79 22,60 7,78 22,30 Máximo 9,34 26,70 9,30 26,80 8,50 27,00 8,52 26,80 Média 8,81 24,34 8,77 24,36 8,06 24,68 8,15 24,64 No gráfico 4.9 pode-se observar a variação do oxigénio dissolvido e da temperatura, medidos com a sonda LDO R. 9,30 9,10 8,90 8,70 8,50 8,30 8,10 29,00 27,00 25,00 23,00 21,00 19,00 17,00 15,00 Água filtrada Temp. (Água filtrada) Polinomial (Água filtrada) Polinomial (Temp. (Água recirculada)) Água recirculada Temp. (Água recirculada) Polinomial (Água recirculada) Polinomial (Temp. (Água recirculada)) Gráfico Variação do oxigénio dissolvido e da temperatura (sonda LDO R). Tendo em conta a tendência dos dados medidos pela sonda LDO R, o oxigénio dissolvido foi aumentando ao longo do estudo. Consegue-se perceber, também, que o oxigénio dissolvido da água recirculada é quase sempre maior do que o OD da água filtrada, excetuando os últimos dias de medições. Relativamente à temperatura, não é percetível uma relação direta com o OD. 76

97 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :40 OD (mg/l) Temperatura ( C) Seguidamente, no gráfico 4.10, apresenta-se a variação do OD e da temperatura medidos com a sonda LDO. 8,90 8,70 8,50 8,30 8,10 7,90 7,70 29,00 27,00 25,00 23,00 21,00 19,00 17,00 15,00 Água filtrada Temp. (Água filtrada) Polinomial (Água filtrada) Polinomial (Temp. (Água filtrada)) Água recirculada Temp. (Água recirculada) Polinomial (Água recirculada) Polinomial (Temp. (Água recirculada)) Gráfico Variação do oxigénio dissolvido e da temperatura (sonda LDO). Nas medições feitas com a sonda LDO é claramente percetível que o OD da água recirculada é maior do que o OD da água filtrada. Esta evidência foi notória à medida que se iam fazendo as medições no laboratório e permite concluir que a sonda LDO está a funcionar corretamente, ao contrário da sonda LDO R. Além desta evidência, é percetível através das linhas de tendência da temperatura (gráfico 4.10), que este parâmetro apresenta uma relação inversa com o OD, ou seja, à medida que a temperatura aumenta, o OD diminui. Esta relação inversa é coincidente com os resultados obtidos no estudo para a tese de doutoramento de Faria (2014). Os dados do oxigénio dissolvido obtidos pela sonda LDO vêm confirmar o trabalho de Injai (2013) que utilizou a areia como material filtrante. Embora os dados de OD deste estudo 77

98 Temperatura ( C) sejam inferiores aos obtidos pelo autor supracitado, em ambos os casos o OD da água filtrada é inferior ao OD da água recirculada Temperatura As medições da temperatura medida pelas várias sondas encontram-se em anexo. Na análise da condutividade elétrica, do ph e do oxigénio dissolvido já se fez uma análise à temperatura obtida e a sua influência na variação dos vários parâmetros medidos. Os gráficos seguintes mostram a variação da temperatura da água filtrada e recirculada, variando o sensor. O gráfico 4.11 mostra a variação da temperatura da água filtrada. 26,90 25,90 24,90 23,90 22,90 21,90 Água filtrada (ph) Água filtrada (LDO R) Água filtrada (LDO) Água filtrada (CDC401 R) Água filtrada (MS5/MS4a) Polinomial (Água filtrada (ph)) Polinomial (Água filtrada (LDO R)) Polinomial (Água filtrada (LDO)) Polinomial (Água filtrada (CDC401 R)) Gráfico 4.11 Variação da temperatura da água filtrada (temperatura em C). 78

99 De referir novamente que não foram medidos bastantes valores da condutividade da água filtrada com as sondas MS5/MS4a, logo, também não foram medidos alguns valores da temperatura. Apesar dos poucos valores destas sondas, pode-se concluir que, quando usadas, obtém-se um valor mais baixo da temperatura, comparando com as outras sondas. As linhas de tendência mostram que as sondas restantes medem valores muito próximos de temperatura mas, em geral, as temperaturas mais altas foram medidas pela sonda LDO (sonda medidora do oxigénio dissolvido). No gráfico 4.12 pode observar-se a variação da temperatura da água recirculada. 79

100 Temperatura ( C) 27,00 26,00 25,00 24,00 23,00 22,00 21,00 Água recirculada (ph) Água recirculada (LDO R) Água recirculada (LDO) Água recirculada (CDC401 R) Água recirculada (MS5/MS4a) Polinomial (Água recirculada (ph)) Polinomial (Água recirculada (LDO R)) Polinomial (Água recirculada (LDO)) Polinomial (Água recirculada (CDC401 R)) Polinomial (Água recirculada (MS5/MS4a)) Gráfico 4.12 Variação da temperatura da água recirculada (temperatura em C). Nota-se, novamente, que as sondas MS5 e MS4a fazem leituras mais baixas da temperatura. É possível confirmar este facto pela linha de tendência das sondas em causa que se encontra quase sempre abaixo das restantes linhas de tendência. A sonda LDO, tal como no caso da 80

101 água filtrada, faz medições da temperatura acima das sondas restantes. Excetuando as MS5 e MS4a, as restantes sondas parecem medir a temperatura de forma bastante aproximada. Na tabela 4.8 pode atentar-se nos valores mínimos, máximos e médios da temperatura, variando o sensor. Tabela 4.8 Valores mínimos, máximos e médios da temperatura. Temperatura da água ( C) Água filtrada Água recirculada Mínimo Máximo Média Mínimo Máximo Média PHC301 22,00 27,40 24,44 22,10 27,20 24,50 LDO R 22,10 26,70 24,34 22,00 26,80 24,33 LDO 22,60 27,00 24,68 22,30 26,80 24,63 CDC401 R 22,20 26,70 24,43 22,00 26,80 24,44 MS5/MS4a 21,71 23,66 22,34 21,05 25,74 23,91 A tabela 4.8 serve para confirmar o que parecia percetível nos gráficos 4.11 e Confirma-se que a sonda LDO mede temperaturas médias mais elevadas do que as outras sondas e que as sondas MS5 e MS4a medem temperaturas mais baixas. Esta tabela serve, também, para se ver a reduzida diferença de medições dos vários sensores. Não é percetível qual a água, se a filtrada ou a bruta, que apresenta uma temperatura mais elevada. Seria de esperar uma temperatura maior do efluente, no entanto, o efluente passa pela bomba antes de entrar no tanque de água bruta, provocando o aquecimento da mesma, devido à operação da bomba hidráulica. Injai (2013) também obteve valores próximos de temperatura da água filtrada e da água recirculada, e a diferença entre ambos os estudos não é visível neste aspeto. 4.3 Caudal e taxa de filtração Os dados do caudal e da taxa de filtração encontram-se no anexo F. No gráfico 4.13, podese observar a tendência da taxa de filtração e do caudal. Nota para o facto de o caudal ser medido à saída do filtro de argila expandida. 81

102 Caudal (m 3 /h) Taxa de Filtração (m/dia) 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 16,000 14,000 12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 Caudal Taxa de Filtração Gráfico 4.13 Variação do caudal e da taxa de filtração. A taxa de filtração depende do caudal e da área de filtração que é constante, pelo que a variação dos dois parâmetros do gráfico 4.13 também é constante. A taxa de filtração e o caudal foram decrescendo ao longo do trabalho devido ao amadurecimento do filtro e também, provavelmente, devido a alguma água que se ia perdendo no sistema. Os picos de caudal verificaram-se nos dias em que foi adicionada uma maior quantidade de água e lodo para o tanque de água bruta. Na tabela seguinte pode ver-se quais foram as taxas de filtração médias diárias. Tabela Taxa de filtração média diária (m/dia). Data Taxa de Filtração (m/dia) Data Taxa de Filtração (m/dia) , , , , , , , , , , , , , , , , ,62 Segundo (Moody et al., 2002), a taxa de filtração em filtros lentos deve ser mantida dentro de um intervalo de 2,4 a 7,2 m/dia. Durante toda a fase de operação dos filtros, a taxa de 82

103 filtração mínima de 2,4 m/dia foi cumprida, no entanto, em quase 50% dos dias a taxa de filtração ultrapassou o valor de 7,2 m/dia. Considerando a utilização de mantas geotêxtil, a taxa de filtração de um filtro lento pode atingir valores de 9 a 12 m/dia sem colocar em causa o bom funcionamento do filtro (Paterniani, et al., 2001). Sendo assim, pode-se concluir que as taxas de filtração do filtro de argila expandida com mantas geotêxtil se mantiveram dentro de valores que permitem o bom funcionamento do sistema, tal como se pode verificar nas eficiências elevadas de remoção da turvação. 83

104 84

105 5. CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS 5.1 Conclusões Esta dissertação incidiu sobre a temática da filtração lenta para tratamento de águas residuais ou para consumo. Mais concretamente, estudou-se um filtro lento de argila expandida como material filtrante e com duas camadas de mantas geotêxtil, na superfície do filtro. Durante a parte experimental deste estudo, foram medidos vários parâmetros indicadores da qualidade da água turvação, ph, temperatura, condutividade elétrica e oxigénio dissolvido e a análise dos mesmos encontra-se no capítulo 4 desta dissertação, em forma de tabelas e gráficos, de forma a puder ser mais clara a sua perceção. Foi percetível que, ao longo do trabalho experimental, à medida que se ia filtrando a água, a qualidade média da água recirculada usada nesta instalação foi melhorando. Na análise dos dados obtidos, a organização dos mesmos em gráficos, adicionando linhas de tendência, ajudou na compreensão dos mesmos. Assim, podem retirar-se algumas conclusões deste estudo. Numa primeira fase, foi notório o aumento da turvação do efluente, à medida que se ia turvando a água com lodo, devido ao não amadurecimento do filtro. Verificou-se que, no caso da água filtrada, em cerca de 91% dos dados medidos, a mesma apresentava turvação inferior a 1.0 UNT, valor paramétrico da turvação aquando da saída do tratamento, segundo o Dec. Lei nº 306/2007. O valor mínimo medido foi de 0,22 UNT e, na etapa final do trabalho, notou-se uma estabilização dos resultados no que concerne a valores baixos de turvação, podendo-se afirmar que o filtro foi ficando maduro e eficiente na redução da turvação. A média do parâmetro turvação da água filtrada situou-se em cerca de 0,62 UNT. Relativamente à eficiência de remoção de turvação, a mesma atingiu picos superiores a 99%, no entanto, a média da mesma situou-se em cerca de 87%. Concluiu-se, também, que, mais de metade dos valores medidos, originaram uma eficiência de remoção da turvação superior a 90%. Por outro lado, a eficiência de remoção da turvação mínima obtida foi de cerca de 36%, no entanto, este valor foi isolado tendo em conta que apenas três medições atingiram eficiências de remoção inferiores a 50%. Através dos resultados obtidos, é possível afirmar-se que um filtro lento de argila expandida com mantas geotêxtil apresenta uma eficiência elevada na remoção da turvação. 85

106 O parâmetro condutividade elétrica permitiu concluir que não existiu, geralmente, uma diminuição da condutividade elétrica aquando da passagem pelo filtro, havendo sim um aumento deste parâmetro. Dos valores medidos pela sonda CDC401 R resultaram valores médios de 467,02 e 459,20 µs/cm na água filtrada e na água recirculada, respetivamente. Quanto aos valores mínimo e máximo obtidos foram 397 e 595 µs/cm, respetivamente. Os valores elevados da condutividade elétrica devem-se, não só à água bruta inicial, mas, principalmente, à argila expandida que contem várias pequenas partículas que se dissolvem na água, aumentando a condutividade elétrica da água filtrada e, seguidamente, da água recirculada já que se trata de um sistema de recirculação. Relacionando a temperatura medida com esta sonda, notou-se uma relação entre este parâmetro e a condutividade elétrica em grande parte do estudo ao aumento da temperatura correspondeu, geralmente, um aumento da condutividade elétrica, excetuando a fase final do trabalho. Nesta fase final, a condutividade parece diminuir de forma significativa, provavelmente devido à eficiência das mantas geotêxtil que iam filtrando as pequenas partículas presentes na argila expandida. Devido ao equipamento, vários valores não foram medidos pelas sondas MS5 e MS4a, principalmente os valores da condutividade elétrica da água filtrada. Relativamente à água recirculada, a tendência parece idêntica à obtida pela sonda CDC401 R. A relação da temperatura com a condutividade da água recirculada medida por estas sondas também apresenta a mesma relação que no caso da sonda CDC401 R. Apesar dos elevados valores da condutividade, estes respeitam o valor paramétrico de controlo da qualidade da água destinada ao consumo humano 2500 µs/cm, segundo o Dec. Lei nº 306/2007. Por outro lado, o Dec. Lei nº 236/98 estabelece um VMR da qualidade da água para consumo, para a condutividade elétrica, de 400 µs/cm mas não restringe um VMA. Pode-se concluir, assim, que os valores obtidos não são prejudiciais para o consumo humano. Relativamente ao parâmetro ph, os valores medidos são irregulares não sendo possível concluir qual a água - se a filtrada ou a recirculada, que apresenta ph mais elevado até porque a média do ph de ambas é idêntico - 9,92 e 9.91 (Escala de Sorensen). Ao longo do tempo de estudo, nota-se uma tendência regular de decréscimo deste parâmetro, obtendose no final valores inferiores a 9.0. O ph da água filtrada variou entre 8,34 e 10,46 e o da água recirculada variou entre 8,96 e 10,48. 86

107 Contrariando estudos anteriores, os valores do ph da água são elevados e podem-se explicar os mesmos pelo ph da argila expandida utilizada ARGEX 0-2, 2-4 e 3-8 apresentam ph de 10,30, 10,51 e 9,07, respetivamente. Provavelmente, a água recirculada ao entrar no filtro, atravessa as ARGEX 0-2 e 2-4 com ph bastante elevado, provocando um aumento do ph da água que, ao passar pela ARGEX 3-8 não tem tempo de contacto suficiente para que este parâmetro se reduza para valores mais habituais. Parece dar-se uma reação química entre a água e a argila expandida, capaz de aumentar o ph da água que inicialmente se introduziu no sistema. Para confirmar a influência da argila expandida no incremento de ph, realizou-se a mesma metodologia mas com um filtro lento de areia, obtendo-se valores médios de ph de cerca de 7,9. Assim, confirmou-se a influência da argila expandida nos valores elevados de ph da água filtrada e, posteriormente, da água recirculada. Segundo o Dec. Lei nº 306/2007, o ph da água para consumo deve ser mantido entre 6,5 e 9,0, verificando-se, neste estudo, que 98,80% dos valores do ph da água filtrada são superiores a 9,0. O limite imposto para o ph da água para consumo humano serve, principalmente, para proteger as tubagens, pelo que o ph não é um parâmetro de qualidade tão preponderante como outros. Noutras etapas de tratamento de uma ETA, o ph poderia ser corrigido mas, mesmo com estes valores, não é de prever que a água filtrada em causa seja prejudicial ao consumo humano, no que respeita ao valor do ph. O facto de a argila expandida provocar um aumento do ph da água pode não ser prejudicial ao sistema e aos habitantes servidos. No caso de se tratar de uma região com uma água agressiva no que concerne ao ph baixo, a utilização deste tipo de material poderá originar uma água mais apropriada ao consumo humano e menos prejudicial para as tubagens de abastecimento. Relativamente ao oxigénio dissolvido, este foi medido com as sondas LDO R e LDO obtendo-se valores médios da água filtrada de 8,81 e 8,06. Quanto à média da água recirculada obteve-se valores médios de 8,77 e 8,15, nas sondas LDO R e LDO, respetivamente. Estas sondas não foram calibradas pelo que a adoção de ambas permitiria concluir qual a que estaria a funcionar mais corretamente. Esperava-se que a água recirculada apresentasse um OD superior ao da água filtrada devido ao consumo de oxigénio por parte dos organismos presentes na Schmutzdecke. Os valores obtidos pela sonda LDO R não corresponderam a esta premissa, ao contrário dos valores obtidos pela 87

108 sonda LDO em que os valores medidos de OD da água filtrada são quase sempre inferiores aos valores do OD da água recirculada. Os valores mínimo e máximo do OD da água filtrada obtidos pela LDO são 7,79 e 8,50, respetivamente. Por outro lado, os valores mínimo e máximo do OD da água recirculada obtidos pela mesma sonda são 7,78 e 8,52, respetivamente. Através dos valores medidos pela sonda LDO foi possível observar a existência de uma relação inversa entre a temperatura e o OD o aumento da temperatura corresponde a um abaixamento do OD, geralmente. Verificou-se que a temperatura medida pelas várias sondas (PHC301, CDC401 R, LDO R e LDO) é bastante idêntica. A temperatura medida por estas sondas varia entre cerca de 22 C e cerca de 27 C. Por outro lado, as sondas MS5 e MS4a fazem medições mais baixas da temperatura, mas a tendência de variação parece idêntica às tendências das restantes temperaturas. Foi possível, concluir, também que, não se verificou uma temperatura maior da água filtrada em relação à água recirculada, como seria de esperar. Este facto deve-se ao funcionamento da bomba hidráulica que aquece a água depois desta passar pelo filtro. Relativamente ao caudal, este variou entre 0,217 e 0,730 m 3 /h, mantendo-se a média deste parâmetro em cerca de 0,367 m 3 /h. A taxa de filtração foi variando da mesma forma que o caudal, variando entre 4,124 e 13,896 m/dia, com uma média de 6,983 m/dia. Estes parâmetros foram diminuindo com a filtração, fruto de alguma água que o sistema ia perdendo e, também, pelo amadurecimento do filtro. Em jeito de conclusão, pode afirmar-se que os objetivos definidos para este trabalho no capítulo introdutório foram alcançados com sucesso. Não foi possível utilizar-se em simultâneo o filtro de argila expandida e o de areia pelas razões supracitadas, no entanto, os dados anteriores acerca da filtração lenta em areia ajudaram na comparação e na compreensão dos dados obtidos neste estudo. Os dados obtidos neste estudo e a sua análise, permitem concluir que a argila expandida comporta-se como um meio filtrante bastante interessante e que merece ser considerado em detrimento de outros materiais filtrantes. As eficiências de remoção de turvação obtidas são bastante elevadas e superiores às obtidas em estudos considerando a areia como material filtrante. Os restantes parâmetros medidos cumprem a legislação em vigor excetuando o ph, que pode ser corrigido noutras etapas de tratamento. 88

109 Deu-se um contributo importante para o aumento da ponderação acerca da utilização da argila expandida em filtros lentos, principalmente para pequenos aglomerados humanos, aproveitando o preço baixo do material em causa, bem como as suas propriedades para o tratamento de água para consumo. 5.2 Desenvolvimentos futuros Neste trabalho, foi dado algum contributo no que diz respeito ao estudo da filtração lenta. Relativamente à filtração lenta em areia, já foram feitos bastantes estudos, pelo que é necessário dar alguma atenção a outros meios filtrantes de custo reduzido como é o caso da argila expandida. Este estudo foi realizado com o equipamento/espaço disponível pelo que seria de enorme valor fazer um estudo semelhante com uma área de filtração maior, indo de encontro a um filtro real, aumentando-se também o caudal e a taxa de filtração. Sugere-se, também, em termos de recomendações para desenvolvimentos futuros a realização de estudos deste género mas com um intervalo temporal mais amplo. Por exemplo, um estudo de um ano faria com que se considerassem as várias estações do ano as diferentes temperaturas de cada uma, podendo-se, assim, avaliar a eficiência do filtro tendo em conta as temperaturas das épocas mais frias. Seria relevante fazer a medição da temperatura ambiente do laboratório onde estaria a instalação experimental para ser possível a comparação da temperatura ambiente com a temperatura da água do sistema. O facto de se considerar diferentes espessuras de material filtrante, bem como a consideração de mais do que um material filtrante em cada filtro ou a variação do número de mantas geotêxtil bem como a sua localização no filtro, poderia conduzir a resultados mais amplos, mais completos e interessantes acerca do tema. O facto de, neste estudo, se ter agitado o tanque manualmente, pode levar a erros consideráveis. Em estudos futuros seria útil a utilização de um agitador automático para uniformizar a água do tanque de água bruta, para que as amostras retiradas do mesmo sejam realmente demonstradoras da qualidade da água em causa. 89

110 90

111 BIBLIOGRAFIA Albuquerque, Cláudia A. M. (2005), "Remoção de contaminantes em meio aquoso por leitos de argila expandida". Dissertação de Mestrado, Universidade de Aveiro, Aveiro (Portugal). Alcócer, C. N. K. S. (1993), "Comparação do desempenho de filtros lentos de areia operados com nível constante e com nível variável". Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo, São Carlos (Brasil). ARGEX, "Argex Filtrante", acedido a 2 de Setembro de 2014, em: [Online] [Citação: 30 de Julho de 2014.] Bellamy, W. D., Silverman, G. P., Hendricks, D. W., Logsdon, G. S. (1985), "Removing Giardia cysts with slow sand filtration". pp Brito, António G., Oliveira, J. M. e Peixoto, J. M. (2010), "Tratamento de água para consumo humano e uso industrial: elementos teórico-práticos". Porto : Engenho e Média. Camplesi, Daniela C. F. (2009), "Desempenho da tecnologia de filtração em múltiplas etapas (FiME) no tratamento de águas de abastecimento em escala piloto". Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Goiás, Goiânia (Brasil). Campos, Luiza C. (2006), "Avaliação da filtração em múltiplas etapas para remoção de turbidez em águas superficiais". Divisão de Engenharia de Saúde Pública, Coordenação Regional de Goiás. Goiânia. Projeto FIMERTAS apresentado à FUNASA. Campos, Luiza C., Su, M. F. J., Graham, N. J. D., Smith, S. R. (2002), "Biomass Development in Slow Sand Filters". Water Research. 2002, Vol. 36, pp Coelho, Edumar R. C. e L., Di Bernardo. (2002), "Avaliação da filtração lenta em leito de areia e carvão ativado granular e da pré-ozonização na remoção de matéria orgânica, microrganismos e atrazina". Congresso Interamericano de Engeniera Sanitária y ambiental, Cancun (México), Cullen, Thomas R. e Letterman, R. D. (1985), "The effect of slow sand filter maintenance on water quality". JAWWA. 1985, Vol. 77, pp

112 Dantas, Angela D. B. (2004), "Desempenho de sistemas de dupla filtração no tratamento de água com turbidez elevada". Dissertação de Douturamento, Universidade de São Paulo, São Carlos (Brasil). Di Bernardo, L. e Dantas, A. (2005), "Métodos e técnicas de tratamento de água". São Carlos : RiMa, Vol. 2. Di Bernardo, L. (1993), "Métodos e Técnicas de Tratamento de Água". Rio de Janeiro, Brasil : ABES, Vol. 1. Di Bernardo, L., Brandão, C. C. S. e Heller, L. (1999), "Tratamento de águas de abastecimento por filtração em múltiplas etapas". PROSAB. 1999, Filtração em múltiplas etapas. Dizer, H., Grützmacher, G., Bartel, H., Wiese, H. B., Szewzyk, R., López Pila, J. M. (2004), "Contribution of the colmation layer to the elimination of coliphages by slow sand filtration". Water Science & Technology. 2004, Vol. 50, pp Dordio, Ana; Barreiros, M; Carvalho, A; Candeias, A. J.; Pinto, A. P. (2007). Using clay materials to remove pharmaceuticals from waters. Porto : s.n., ELLIS, K. V. (1985), "Slow Sand Filtration". CRC Critical Reviews in Environmental Control. 1985, Vol. 15, pp Faria, L. M. S. P. (2014), "Caracterização do desempenho de sistemas de captação/filtração em sub-leito e na margem dum rio na melhoria da qualidade da água". Dissertação de Douturamento, Universidade de Vigo, Vigo (Espanha). Hach Company, "2100Q and 2100Qis - Basic User Manual", acedido em Junho de 2014, em: Haig, S. J., Collins, G., Davies, R. L., Dorea, C. C., Quince, C. (2011), "Biological Aspects of Slow Sand Filtration: Past, Present and Future". Water Science & Technology: Water Supply. 2011, Vol. 11, pp Injai, Sulai A. G. (2013), "Filtração Lenta (Biofiltração)". Dissertação de Mestrado, Universidade do Minho, Guimarães (Portugal). 92

113 Karabelnik, K., Kõiv, M., Kasak, K., Jenssen, P. D., Mander, Ü. (2012), "High-strength greywater treatment in compact hybrid filter systems with alternative substrates". Ecological Engineering. 2012, Vol. 49, pp Kasak, K., Karabelnik, K., Kõiv, M., Jenssen, P. D. (2011), "Phosphorus removal from greywater in an experimental hybrid compact filter system". Water Resources Management VI. s.l. : WIT Transactions on Ecology and the Environment, 2011, Vol. 145, pp Keijola, A. M., Himberg, K., Esala, A. L., Sivonen, K., Hiisvirta, L. (1988), "Removal of Cyanobacterial Toxins in Water Treatment Processes: Laboratory and Pilot-Scale Experiments". Toxicity Assessement: An International Journal. 1988, Vol. 3, pp Letterman, Raymond D. (1991), Operation and Maintenance. In: Logsdon, G.S. (ed.) Slow Sand Filtration. pp ASCE, Nova Iorque (E.U.A). Levine, Audrey D., Tchobanoglous, G. e Asano, T. (1985), "Characterization of the Size Distribution of Contaminants in Wastewater: Treatment and Reuse Implications". Journal Water Pollution Control Federation. 1985, Vol. 57, pp Londe, Luciana R. (2002), "Eficiência da filtração lenta no tratamento de efluentes de leitos cultivados". Dissertação de Mestrado, UNICAMP, Campinas (Brasil). Moody, C., Garrett, B. e Holler, E. (2002), "Pilot investigation of slow sand filtration and reverse osmosis treatment of Central Arizona". U.S. Department of the Interior Bureau of reclamation Project Water. Advanced Water Treatment Research Program. Murtha, Ney A. e Heller, L. (2003), "Avaliação da influência de parâmetros de projeto e das características da água bruta no comportamento de filtros lentos de areia". 2003, Vol. 8, pp OPS/CEPIS. (2005), "Guia para diseño de sistemas de tratamiento de filtración em múltiples etapas" Paterniani, José E. S. e Conceição, C. H. Z. da. (2001), "Utilização da pré-filtração e filtração lenta no tratamento de água para piscicultura". Revista Ecossistema. 2001, Vol. 26. Richter, Carlos A. e Azevedo Netto, J. M. (1991), "Tratamento de água: Tecnologia atualizada". São Paulo : Edgard Blücher,

114 Rodrigo, C., Lopes, J. L., Saúde, M., Mendes, R., Casimiro, R. (2007), "Controlo operacional em sistemas públicos de abastecimento de água". Lisboa : Europress, Lda, Veras, Luciana R. V. e Di Bernardo, L. (2008), "Tratamento de Água de Abastecimento por meio da Tecnologia de Filtração em Múltiplas Etapas - FiME". Revista de Engenharia Sanitária e Ambiental. Jan/Mar de 2008, Vol. 13, pp Veras, Luciana R. V. (1999), "Tratamento de água superficial por meio de diferentes alternativas da tecnologia de filtração em múltiplas etapas". Dissertação de Douturamento, Universidade de São Paulo, São Carlos (Brasil). Von Sperling, M. (1996), Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos". 2ª. Belo Horizonte : UFMG, Vol

115 ANEXOS 95

116 96

117 ANEXO A Restantes tarefas preliminares ANEXO A.I Limpeza do filtro de areia Anteriormente a este estudo, foi realizado um outro para avaliar a eficiência de remoção de um filtro de areia pelo que foi necessário retirar todo o material e lavar um filtro para se voltar a encher mas com três camadas de argila expandida. O filtro montado anteriormente tinha, como material filtrante, cerca de 15 centímetros de areia fina, 3 centímetros de areia grossa e 10 centímetros de godo para suporte das camadas filtrantes, o que totaliza cerca de 0,4 m 3 de material que teve de ser retirado. Antes desta operação, foi necessário tentar retirar o máximo de quantidade de água possível, além das duas mantas geotêxtil que eram uma primeira barreira no filtro à passagem de microrganismos e materiais em suspensão. Na figura A.1 pode-se atentar a alguns passos deste processo. (a) (b) Figura A.0.1 (a) Filtro de areia completo; (b) Filtro de areia sem camada de granulometria fina. Na figura A.1 (a) pode observar-se o filtro de areia completo, logo após a remoção das mantas geotêxtil. O facto de a areia parecer mais escura que na figura ao lado deve-se aos sólidos suspensos da água bruta que conseguiram atravessar a manta geotêxtil e ficaram retidos na camada superficial de areia fina. Na figura A.1 (b) pode observar-se a fase da 1

118 desmontagem do filtro em que estava a nu a areia grosseira, camada intermédia do filtro de areia. Nas figuras abaixo pode ver-se as etapas finais da limpeza do filtro. (a) (b) Figura A.0.2 (a) Fundo do filtro com água e godo; (b) Fundo do filtro praticamente limpo. Na figura A.2 (a) é possível observar algum godo (material da camada inferior) que ainda faltava retirar do filtro. Além disso, ainda havia alguma água que, devido à cota de saída do filtro, a mesma não conseguiria ser escoada por gravidade. Devido à existência de alguns grãos finos de areia nesta água, não foi possível retirar a mesma com recurso à bomba hidráulica, sob pena de danificar a mesma. Sendo assim, com um instrumento auxiliar de remoção conseguiu-se retirar esse excesso de água e material que ainda se encontrava no filtro. Na figura A.2 (b) é possível observar o fundo do filtro, praticamente livre de areia ou outros materiais sólidos. Nestas imagens, também se pode verificar a forma como a água, depois de ser filtrada, é encaminhada para fora do filtro através do dreno de 35 milímetros, envolto em manta geotêxtil. O recipiente e o elemento têxtil que se pode ver na figura serviu para separar o material sólido da água. Após a conclusão desta tarefa preliminar já seria possível colocar a argila expandida, que serviria de material filtrante do filtro lento. ANEXO A.II Lavagem das mantas geotêxtil Depois da retirada do material do filtro bem como depois da sua lavagem, foi necessário proceder à lavagem das mantas geotêxtil. Estas, devido ao trabalho anterior, encontravam- 2

119 se com bastantes materiais aderidos (figura A.3) pelo que a sua lavagem era essencial para voltarem a ser utilizadas sem o filtro colmatar rapidamente. Foram lavadas quatro mantas geotêxtil (duas de cada filtro) embora, numa primeira fase, apenas interessariam apenas duas mantas para o filtro de argila expandida que, entretanto, iria ser realizado. Figura A.0.3 Mantas geotêxtil antes da lavagem. Para a lavagem das mantas geotêxtil optou-se por coloca-las de forma a facilitar o trabalho de limpeza realizado por intermedio de uma lavadora de alta pressão e, assim, foi possível retirar grande parte dos materiais. Nesta fase foi necessário ter algum cuidado com a pressão do jato de água pois as mantas são finas e poderiam facilmente ser perfuradas. Na figura A.4 pode observar-se o resultado da lavagem de uma das mantas geotêxtil. Figura A.0.4 Manta geotêxtil depois da lavagem. De forma a fixar as mantas geotêxtil no filtro, sem vincos, uniformizando o seu efeito em toda a área do filtro optou-se por utilizar uma armadura de suporte. Sendo assim, depois de finalizada a lavagem das mantas, estas foram esticadas e fixas à armadura com braçadeiras 3

120 de plástico. Depois do filtro de argila expandida estar pronto, a armadura juntamente com as mantas geotêxtil seria colocada acima das camadas de material filtrante. Na figura A.5 é visível a armadura com duas mantas geotêxtil fixas. Figura A.0.5 Mantas geotêxtil fixas à armadura de suporte. ANEXO A.III Lavagem do tanque de água bruta Aquando do início dos trabalhos, devido ao estudo realizado no ano anterior, o tanque de água bruta encontrava-se bastante sujo com areia e outros sólidos depositados no fundo, além de alguma quantidade de água. Para que a qualidade desta água não interferisse no estudo que se pretendia realizar, seria necessário proceder à limpeza do tanque em causa. Primeiramente, com o auxílio da bomba hidráulica, conseguiu-se retirar grande parte da água mas, quando a mesma era mínima, a bomba hidráulica não conseguiria ser ativada, além do facto de poder ficar danificada pelos sólidos presentes no fundo do tanque. Sendo assim, com um pequeno instrumento de remoção foram-se retirando pequenas quantidades de água e material do fundo. Nas figuras A.6 (a) e (b) pode observar-se o tanque de água bruta antes e após a sua limpeza. 4

121 (a) (b) Figura A.0.6 (a) Tanque de água bruta antes da limpeza; (b) Tanque de água bruta depois da limpeza. Outra opção para se limpar este tanque seria poder virá-lo, despejando a água noutro recipiente e, assim, a água sairia por gravidade, poupando algum tempo e esforço. Este procedimento não foi possível de ser realizado pois as tubagens que levariam a água do tanque de água bruta para os filtros, estavam fixas e poderiam ficar danificadas em caso de movimentos do tanque. 5