II-Carvalho-Brasil-1

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1 II-Carvalho-Brasil-1 AVALIAÇÃO DA EMPREGABILIDADE DO QUARTZO COMO MEIO FILTRANTE EM COMPARAÇÃO A MATERIAIS GRANULARES TIPICAMENTE UTILIZADOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA PARA ABASTECIMENTO PÚBLICO Bruno Eustáquio Ferreira Castro de Carvalho (1) Graduando do Curso de Engenharia Civil da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais UFMG Bolsista de Iniciação Científica no Programa de Pesquisa em Saneamento Básico PROSAB Edital 4 Diogo Rodrigues dos Santos Graduando do Curso de Engenharia Civil da Escola de Engenharia da UFMG Bolsista de Iniciação Científica no Programa de Pesquisa em Saneamento Básico PROSAB Edital 4 Eros de Faria Graduando do Curso de Engenharia Civil da Escola de Engenharia da UFMG Lucas Milani Santiago Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia da UFMG Mestrando em Engenharia Sanitária, Ambiental e de Recursos Hídricos pela Escola de Engenharia da UFMG Valter Lúcio de Pádua Doutor em Engenharia Hidráulica e Saneamento pela EESC/USP Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Escola de Engenharia da UFMG Endereço para correspondência (1): Rua Custódio de Melo, 176 Bairro Liberdade - Belo Horizonte MG - CEP: Brasil Tel.: (+5531) Fax: (+5531) brunocarvalho@ufmg.br RESUMO Os meios filtrantes tradicionalmente utilizados nas estações de tratamento de água (ETAs) destinadas à potabilização de água para consumo humano são a areia e o antracito. A escolha do tipo de material filtrante está relacionada a aspectos econômicos e técnicos, incluindo neste último a qualidade da água filtrada, a evolução da perda de carga, a duração da carreira de filtração e o volume de água gasto na lavagem dos filtros. No presente trabalho, está sendo realizado um estudo para avaliar a possibilidade de ser utilizado quartzo como opção de leito filtrante nas ETA s. Avaliaram-se inicialmente as características físicas (massa específica e teor de umidade) e distribuição granulométrica dos seguintes materiais: quartzo, areia e antracito. Posteriormente, realizaram-se ensaios em escala piloto para o levantamento de dados técnicos (perda de carga, turbidez da água filtrada e volume de água para lavagem dos filtros), utilizando-se como meio filtrante: areia (camada simples), areia e antracito (camada dupla), quartzo (camada simples) e areia e quartzo (camada dupla). As combinações testadas simultaneamente foram: (Areia - Quartzo) e (Areia/Antracito Areia/Quartzo). Estes ensaios foram realizados em réplicas, na instalação-piloto de filtração direta descendente, com taxa de filtração de 180 m 3 /m 2 dia, recomendada pela norma brasileira, e dosagens correspondentes à da ETA de Vargem das Flores, na cidade de Betim/MG, e carreira de filtração limitada em 6 horas ou transpasse de turbidez, ou ainda variação da perda de carga igual a 2 metros. A análise dos resultados nos permitiu aferir que o Quartzo, quando em camada única, apresentou menor evolução da perda de carga ao longo do tempo, quando comparado com as demais combinações, e ocorrência de turbidez na faixa de 0,3 e 0,4 ut durante o intervalo de tempo de 6 horas. Ressaltase também o aumento da turbidez, com o decorrer do tempo, atingindo até valores superiores ao recomendado na portaria de potabilidade, no filtro de areia/antracito.

2 PALAVRAS-CHAVE: quartzo, antracito, leito filtrante, filtração direta, carreira de filtração. INTRODUÇÃO A seleção de um meio filtrante adequado ao tipo de água a ser tratada é uma etapa fundamental para a otimização do funcionamento de um filtro de uma Estação de Tratamento de Água (ETA), podendo proporcionar reduções significativas de custos com o tratamento da água. O estudo do potencial de novos materiais para o uso como leito filtrante dos filtros de ETAs, além de ser um próspero tema de pesquisa, pode gerar alternativas tecnologicamente e economicamente viáveis para os gestores dos diversos sistemas brasileiros, tendo em vista as diferentes realidades enfrentadas no país. O leito filtrante mais eficiente é aquele que pode aumentar o desempenho dos filtros e de todo o processo de tratamento de água em consonância com a segurança sanitária, de acordo com os parâmetros a seguir: maior carreira de filtração, menor perda de carga, menor transpasse de partículas através do meio filtrante, menor consumo de água de lavagem e maior durabilidade dos grãos. Neste trabalho, o quartzo é avaliado no intuito de se determinar a sua provável aplicabilidade como material granular filtrante, considerando parâmetros técnicos e econômicos bem como a possibilidade da utilização desse material quando da inviabilidade dos tipicamente utilizados. O presente trabalho tem como objetivos: Comparar os parâmetros físicos, técnicos e econômicos do quartzo, da areia e do antracito, enquanto meios filtrantes; Verificar o desempenho de cada material granular, em relação à eficiência de remoção de turbidez e características inerentes ao procedimento de lavagem dos filtros, no processo de filtração direta, em escala piloto.

3 METODOLOGIA A metodologia de trabalho foi composta por duas etapas. A figura abaixo apresenta o esquema de desenvolvimento da metodologia. Figura 1: Fluxograma da metodologia de ensaio. 1ª Aquisição do material para ensaio Determinação da metodologia de ensaio 4ª 1ª ETAPA 2ª 3ª Peneiramento e lavagem do quartzo, areia e antracito Levantamento das propriedades dos materiais Preparação da Instalação Piloto METODOLOGIA Perda de carga e turbidez remanes- -cente 2ª ETAPA Carreira de Filtração Lavagem dos filtros Volume de água consumido e turbidez do efluente 1ª ETAPA: Propriedades físicas dos materiais granulares A primeira etapa consistiu na quantificação das propriedades físicas dos materiais granulares analisados, dentre as quais: massa específica dos grãos e curva granulométrica. Ressalta-se que o quartzo e a areia foram cedidos por uma empresa privada e o antracito testado, cedido pela

4 Companhia de Saneamento Básico do Estado de Minas Gerais (COPASA), foi o utilizado nos filtros da ETA de Vargem das Flores. Todos os ensaios relacionados às propriedades acima citadas foram realizados no laboratório de Geotecnia da Escola de Engenharia da UFMG, ilustrado na Figura 02. Estes foram regidos conforme a normatização da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Foi realizado, previamente aos ensaios de laboratório, o peneiramento manual (malha de 1mm) e lavagem dos grãos. Procedendo-se dessa forma, foram obtidas curvas granulométricas e diâmetros efetivos mais semelhantes entre si, para os três materiais granulares. Isso possibilitou uma comparação mais eficaz entre o desempenho dos meios filtrantes avaliados. Figura 2: Bancada do laboratório com peneiras utilizadas no ensaio de granulometria. 2ª ETAPA: Ensaios em escala piloto Em um segundo momento, procedeu-se à realização de ensaios na Instalação Piloto de tratamento de água, apresentada na Figura 3. Avaliou-se, em camada única, a areia e o quartzo, e em camada dupla, as seguintes combinações: areia/quartzo e areia/antracito. Para todas as combinações, foram feitas réplicas (ensaios-réplica), sendo estas conduzidas após a lavagem dos filtros, sem a substituição do leito filtrante. A tecnologia de tratamento escolhida foi a Filtração Direta Descendente, com dosagem de Sulfato Ferroso e taxa de filtração igual a 180 m 3 /m 2.dia. Aquelas condições se justificam pela sua aplicabilidade na ETA de Vargem das Flores e estas pela normatização brasileira para construção de ETA s. As mesmas condições de ensaio foram mantidas para todas as combinações. Para a realização das carreiras de filtração, foram utilizadas colunas de filtração confeccionadas em aço galvanizado, com altura de 3 (três) metros e seção transversal de 15x15cm. A água bruta, proveniente do manancial que abastece a ETA, foi aduzida através de uma bomba centrifuga, passando por uma caixa reguladora de vazão. Esta possibilitava uma constância da vazão afluente ao sistema piloto, de forma a manter a taxa de filtração desejada. Na base da caixa de nível constante era introduzido o coagulante. Em seguida, a água era conduzida aos filtros. O processo de coagulação ocorria durante este percurso. As camadas de meio filtrante inseridas nos filtros foram distribuídas da seguinte maneira: como função de camada suporte, os primeiros 20cm foram preenchidos com seixo quartzoso, para os dois ensaios camadas única e camadas dupla. Em caso de camada única, a camada de material granular possuía 65cm. E, em caso de camada dupla, inseriu-se, acima da camada suporte, 20cm de material com maior massa específica e uma última camada de 30cm de material com menor massa específica, obtendo-se uma altura total de 50cm para a camada do leito filtrante, sem considerar a camada suporte. A água bruta foi caracterizada em função de ph e turbidez ao início de cada carreira de filtração. Em seguida, avaliou-se o comportamento da perda de carga e da turbidez, em função do tempo, em um período de 6h, com um monitoramento a cada 30 minutos, em cada um dos filtros. Findo

5 este prazo, procedeu-se à lavagem dos filtros, monitorando a vazão, o tempo e a turbidez da água de lavagem. A metodologia utilizada para a realização da lavagem foi a admissão ascendente de água tratada da ETA, a uma pressão constante, de forma a provocar uma expansão de cerca de 30% no material. O procedimento era encerrado segundo critério de 30 minutos de tempo de lavagem ou quando duas medidas consecutivas de turbidez eram inferiores a 1,0 ut, ou ainda quando três medições seguidas convergiam para valores próximos a 1,0 ut. Figura 3: Instalação Piloto. Na tabela 1, são relacionadas algumas características dos equipamentos necessários para obtenção das medidas usados nos ensaios. Tabela 1: Equipamentos de medida utilizados nos ensaios. EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NA INSTALAÇÂO PILOTO Parâmetros Técnica analítica Marca Unidade ph Potenciométrico Digital PHD 10 Procyon - Turbidez Nefelométrico HACH 2100 NA ut Perda de Carga Escala métrica Régua graduada metro Dosagem de coagulante - Bomba dosadora Prominent mg/l

6 RESULTADOS OBTIDOS Propriedades dos materiais granulares Os resultados obtidos em ensaios de laboratório foram representados em forma de tabelas e curvas de distribuição granulométrica para cada um dos meios granulares. As tabelas 02, 03 e 04 apresentam as características físicas dos materiais estudados, a saber: massa específica dos grãos, porosidade, diâmetro efetivo dos grãos e coeficiente de desuniformidade. Tabela 2: Propriedades do quartzo. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Tipo de material: Parâmetros QUARTZO Valores Unidade Massa espeçífica dos grãos Ensaios laboratoriais 2,20 g/cm³ Diametro efetivo dos grãos 1,20 mm Coeficiente de desuniformidade 1,67 - Figura 4: Curva granulométrica do quartzo Porcentagem que passa nas peneiras (%) 0,0100 1,0000 Diâmetro (mm) Tabela 3: Propriedades da areia. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Tipo de material: Parâmetros AREIA Valores Unidade Ensaios laboratoriais Massa espeçífica dos grãos 2,65 g/cm³ Diametro efetivo dos grãos 1,2 mm Coeficiente de desuniformidade 1,58 -

7 Figura 5: Curva granulométrica da areia Porcentagem que passa na peneira (%) 0,0100 1,0000 Diâmetro (mm) Tabela 4: Propriedades do antracito. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Tipo de material: Parâmetros ANTRACITO Valores Unidade Massa espeçífica dos grãos Ensaios laboratoriais 1,77 g/cm³ Diametro efetivo dos grãos 0,95 mm Coeficiente de desuniformidade 2,00 - Figura 6: Curva granulométrica do antracito. 11 0,0100 1,0000 Diâmetro (mm) Porcentagem que passa na peneira (%)

8 Ensaios em escala piloto As carreiras de filtração realizadas geraram resultados que podem ser bem visualizados através de gráficos que explicitam a variação temporal das variáveis abordadas neste trabalho. As figuras 07 a 14 apresentam a variação temporal da turbidez para cada carreira de filtração. Figura 07: Variação temporal da turbidez para a primeira carreira do leito filtrante de areia. 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Figura 08: Variação temporal da turbidez para a réplica do leito filtrante de areia. 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

9 Figura 09: Variação temporal da turbidez para a primeira carreira do leito filtrante de quartzo. 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Figura 10: Variação temporal da turbidez para a réplica do leito filtrante de quartzo. 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

10 Figura 11: Variação temporal da turbidez para a primeira carreira do leito filtrante de areia e quartzo. 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Figura 12: Variação temporal da turbidez para a réplica do leito filtrante de areia e quartzo. 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10

11 Figura 13: Variação temporal da turbidez para a primeira carreira do leito filtrante de areia e antracito. 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 Figura 14: Variação temporal da turbidez para a primeira réplica do leito filtrante de areia e antracito. 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Para a análise da etapa de lavagem dos filtros, apresenta-se a tabela 05. Tabela 05: Volume de água consumido x turbidez remanescente para os diversos leitos filtrantes. LAVAGEM DOS FILTROS DA INSTALAÇÃO PILOTO Leito Filtrante Volume consumido (L) Turbidez remanescente (ut) AREIA 864 1,1 QUARTZO 990 0,9 AREIA/QUARTZO ,0 AREIA/ANTRACITO 700 1,2

12 Finalmente, apresenta-se a evolução da perda de carga ao longo da carreira de filtração, conforme as figuras 15 a 18. Figura 15: Evolução da perda de carga para primeira carreira e réplica do leito filtrante de areia. CARREIRA DE FILTRAÇÃO 1,4 1,2 PERDA DE CARGA (m) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 AREIA AREIA RÉPLICA Figura 16: Evolução da perda de carga para primeira carreira e réplica do leito filtrante de quartzo. CARREIRA DE FILTRAÇÃO 0,35 0,3 PERDA DE CARGA (m) 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 QUARTZO QUARTZO RÉPLICA

13 Figura 17: Evolução da perda de carga para primeira carreira e réplica do leito filtrante de areia e quartzo. CARREIRA DE FILTRAÇÃO 0,70 0,60 PERDA DE CARGA (m) 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 AREIA E QUARTZO AREIA E QUARTZO RÉPLICA Figura 18: Evolução da perda de carga para primeira carreira e réplica do leito filtrante de areia e antracito. CARREIRA DE FILTRAÇÃO 1,20 1,00 PERDA DE CARGA (m) 0,80 0,60 0,40 0,20 AREIA E ANTRACITO AREIA E ANTRACITO RÉPLICA

14 CONCLUSÕES/RECOMENDAÇÕES Os resultados obtidos para os meios filtrantes nos ensaios laboratoriais conferem maior confiabilidade à análise dos resultados extraídos durante as carreiras de filtração. Isso porque os procedimentos de preparação dos meios granulares visaram uniformizar os diâmetros efetivos. O diâmetro efetivo do antracito, inferior aos demais, pode ser explicado pela fragilidade do material, que demonstrou ter baixa resistência à abrasão quando submetido ao peneiramento mecânico. A massa específica do quartzo é intermediária às dos outros dois materiais. Através da análise comparativa das medidas de turbidez obtidas durante as carreiras de filtração, foi possível aferir que: O leito filtrante de areia apresentou sensível aumento do valor de turbidez após a quarta hora da carreira, inclusive para a réplica; O leito filtrante de quartzo, até a segunda hora de carreira, registrou maior valor de turbidez. Esse intervalo de tempo pode ter correspondido à maturação do filtro, após o qual houve uma queda no valor da variável supracitada; A combinação de areia e quartzo apresentou diferenças entre a primeira carreira e sua réplica. Houve decaimento do valor de turbidez nas duas ocasiões, porém em momentos distintos. Uma possível explicação para tal fenômeno foi a mistura dos estratos ocorrida na pré-operação da primeira carreira de filtração, o que dificulta a regularidade da filtração realizada pelo leito; O par areia e antracito comportou-se de forma a mostrar uma tendência de acentuada elevação dos valores de turbidez após determinado instante na carreira de filtração. As observações qualitativas acima descritas, aliadas a informações quantitativas dos gráficos, apontam para um potencial risco sanitário associado aos leitos filtrantes de camada simples de areia e de camada dupla de areia e antracito. Um ensaio mais longo provavelmente seria interrompido devido ao transpasse de turbidez, considerando o mesmo comportamento que gerou os resultados. Em contrapartida, no ensaio com única camada de quartzo, ocorreu uma estabilidade nos valores medidos de turbidez, na faixa de 0,3 a 0,4 ut, ao longo de toda a carreira de filtração. Com relação ao procedimento de lavagem dos filtros, ressalta-se a diferença de demanda de pressão no caso do antracito. Sua baixa massa específica favorece a expansão durante o processo, inviabilizando a lavagem com elevadas pressões. Conforme tabela 05, apesar do menor consumo de água para a lavagem do leito composto por areia e antracito, observou-se um maior valor de turbidez remanescente no efluente da lavagem. A constatação de que o antracito, analisado sob as condições de lavagem já citadas, é pouco abrasivo, é reforçada pelo fato de ocorrer maior consumo de água para a produção de um efluente similar ao dos outros leitos. Para o leito de quartzo, observou-se a melhor qualidade do efluente, em comparação aos demais. Caso o ensaio fosse conduzido sob a condição de igualdade do parâmetro turbidez do efluente, esse leito provavelmente atingiria o valor definido com menor consumo de água. A análise comparativa qualitativa da evolução da perda de carga com o decorrer do tempo para cada vertente permitiu vislumbrar que: As réplicas mantiveram as tendências apresentadas nas primeiras carreiras, conferindo maior confiabilidade aos resultados; A perda de carga aumentou linearmente com o tempo em todos os ensaios, exceto para o leito de quartzo. Para esse parâmetro, medido até o fim de cada carreira, o leito composto unicamente por quartzo, apesar do crescimento acentuado da perda de carga, os valores finais foram de, aproximadamente, metade do segundo resultado mais reduzido. A partir dessa consideração, é possível aferir que o quartzo tem potencial para desenvolver carreiras de filtração mais duradouras. Essa hipótese pode ser reforçada pelo fato de que a adição de quartzo à areia gerou uma melhoria na evolução da

15 perda de carga do material. Ressalta, ainda, que não foi necessário utilizar toda a carga hidráulica disponível para retenção de impurezas. O presente trabalho oferece boas perspectivas quanto à utilização do quartzo nos processos de tratamento de água potável. Contudo, alguns fatores são importantes para a complementação de resultados consolidados. Recomenda-se o estudo de carreiras de filtração maiores em escala piloto. Estudos em escala de bancada são igualmente importantes. Um estudo microscópico dos meios granulares também é necessário, no que tange o acomodamento, abrasividade, geometria dos grãos, entre outros. Um estudo comparativo detalhado da relação custo/benefício de cada material é importante para complementar a tomada de decisão pela utilização de um material ou outro. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. DI BERNARDO, L. (Coord.), et. al.. Tratamento de Água para Abastecimento por Filtração Direta, Rio de Janeiro: ABES, RiMa, p. 2. PINTO, CARLOS DE SOUZA - Curso Básico de Mecânica dos Solos em 16 aulas/2ª edição São Paulo: Oficina de Textos, p. 3. MANTILLA, JUDY NORKA R. DE - Apostila de Mecânica dos Solos I Ensaios de Laboratório. Departamento de Transporte e Geotecnia. Escola de Engenharia. Universidade Federal de Minas Gerais. 51 p.