O USO DA FILTRAÇÃO EM MÚLTIPLAS ETAPAS NO TRATAMENTO DE ÁGUAS COM ELEVADO TEOR DE ALGAS

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1 O USO DA FILTRAÇÃO EM MÚLTIPLAS ETAPAS NO TRATAMENTO DE ÁGUAS COM ELEVADO TEOR DE ALGAS Cristina Celia S. Brandão 1, Giovana K. Wiecheteck, Olga Maria T. de Mello, Luiz Di Bernardo, Gerardo Galvis C., Luciana R.V. Veras (1) Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Civil Campus Universitário Darcy Ribeiro, , Brasília DF Fone: (061) , Fax: (061) Palavras Chave: FiME, Remoção de Algas, Pré-filtros de Pedregulho, Filtração Lenta

2 O USO DA FILTRAÇÃO EM MÚLTIPLAS ETAPAS NO TRATAMENTO DE ÁGUAS COM ELEVADO TEOR DE ALGAS Cristina Celia S. Brandão 1, Giovana K. Wiecheteck, Olga Maria T. de Mello, Luiz Di Bernardo, Gerardo Galvis C., Luciana R.V. Veras 1 - INTRODUÇÃO E OBJETIVOS A filtração lenta é um processo de tratamento de água que vem sendo utilizado desde o início do século XIX. Esse processo distingue-se da chamada filtração rápida pelo uso de meios filtrantes com granulometrias mais finas, taxas de filtração geralmente inferiores a 6 m 3 /m 2.dia (0,25 m 3 /m 2.h), e a não utilização de coagulante químico no condicionamento da água afluente aos filtros. Comparando-se com a filtração rápida, a filtração lenta oferece as seguintes vantagens: (i) é de simples construção e operação (dispensa o uso de coagulante e da retro-lavagem); (ii) não requer mão de obra especializada; (iii) tem baixo consumo de energia; (iv) é um sistema confiável e produz água de boa qualidade, sendo particularmente eficiente na remoção de bactérias e vírus. A principal desvantagem da filtração lenta está associada à necessidade de grandes áreas para sua instalação, o que praticamente inviabiliza a sua adoção quando se trata de grandes centros urbanos que demandam grandes vazões. Desta forma, a filtração lenta é considerada como sendo um sistema simples, confiável e de baixo custo, sendo recomendado para o atendimento de comunidades rurais e de cidades de pequeno e médio porte em países em desenvolvimento (EPA, 1992, Kawamura, 1991, Clarke et al., 1996). Apesar do seu grande número de vantagens, a filtração lenta tem sua utilização limitada a águas brutas que apresentam valores de cor verdadeira, algas e turbidez relativamente baixos. A tabela abaixo apresenta os valores limites propostos por vários autores. Tabela 1: Características da água bruta para o uso da filtração lenta (Galvis et al., 1997) Valor Máximo recomendado segundo os Autores Parâmetro de Qualidade Spencer e Collins Cleasby Di Bernardo Turbidez (ut) Algas 2x10 5 Ind/L 5 µg clorofila a/l 2,5x10 5 Ind/L Cor Verdadeira (uc) 25 5 Ferro Total (mg/l) 1 0,3 2 Manganês (mg/l) 0,05 0,2 Coliformes Fecais (NMP/100 ml) 200

3 Como uma resposta a esta limitação da filtração lenta surge a tecnologia da Filtração em Múltiplas Etapas (FiME). Esta seqüência de tratamento envolve a utilização de pré-filtro dinâmico de pedregulho seguido de pré-filtro de pedregulho de escoamento horizontal ou vertical (ascendente ou descendente) e a filtração lenta como barreira microbiológica. O conceito da filtração em múltiplas etapas se origina, portanto, da busca de opções de acondicionamento ou pré-tratamento para fontes superficiais de água cuja qualidade não é compatível com o uso da filtração lenta, e que apresentem, ao mesmo tempo, eficiência de remoção, níveis de complexidade técnica e custos de manutenção compatíveis com a própria filtração lenta (Visscher et al., 1996). A FiME vem sendo estudada em diversos países, com destaque, na América Latina, para a Colômbia e Brasil. Essas unidades de pré-tratamento, usados de forma individual ou combinada, têm se mostrado capazes de estender a aplicação da filtração lenta a águas com valores de turbidez de cerca de 100 NTU e de coliformes fecais da ordem de10 6 UFC/100 ml, além de serem capazes de absorver picos de até 500 NTU (Cleasby, 1991, Di Bernardo, 1993, Clarke et al. 1996, Galvis et al., 1996, Vargas et al., 1996, entre outros). Entretanto, poucos são os estudos reportados na literatura que avaliam o uso das unidades de pré-filtração no tratamento de águas de reservatórios e lagos sujeitos a florescimento de algas (e.g.: Di Bernardo e Rocha, 1990, Saidam e Butler, 1996). Neste contexto, o presente trabalho foi orientado para investigar o potencial de uso da FiME no tratamento de águas com presença significativa algas. A presença de algas na água bruta e/ou tratada pode levar a uma série de problemas, tais como: rápida obstrução das camadas superiores dos filtros lentos, levando ao aumento da frequência de limpeza e a redução da capacidade de produção de água tratada (Di Bernardo, 1993); sabor e odor (Hayes e Greene,1984); formação de Thrialometanos (Morris e Baum,1978); corrosão no sistema de abastecimento (Hayes e Greene, 1984); liberação de toxinas, com efeitos que podem variar de desordens intestinais e hepáticas a danos orgânicos, disfunção neuro-muscular, cancer e morte (como no recente caso de pacientes de hemodiálise em Caruaru-PE, Azevedo, 1996). 2 - MATERIAIS E MÉTODOS O trabalho foi desenvolvido utilizando-se a instalação piloto de FiME localizada às margens do Lago Paranoá (Brasília-DF, Brasil), de onde foi captada a água objeto de estudo. Esse lago é corpo receptor dos esgotos tratados por duas ETEs e apresenta níveis elevados de algas cianofíceas durante todo o ano. A instalação-piloto é composta de um pré-filtro dinâmico (PFD) que alimenta dois pré-filtros de fluxo ascendente, sendo um dotado de quatro camadas sobrepostas (PFA1) e o outro de cinco camadas sobrepostas (PFA2). Cada pré-filtro alimenta, respectivamente, um filtro lento (FL1 e FL2). A figura 1 mostra um diagrama esquemático da instalação, enquanto o Anexo I apresenta o

4 esquema de cada unidade componente do sistema e as características granulométricas dos meios filtrantes. Nível 1 (cota 99,45) Caixa de dist. PFD Extravasor Nível 2 (cota 98,55) PFA-2 PFA-1 Quadro Piezométrico Caixa de distribuição By pass Caixa de distribuição Nível 3 (cota 98,35) Quadro Piezométrico FL-1 FL-2 ÁGUA BRUTA (LAGO PARANOÁ) PONTOS DE AMOSTRAGEM DESCARTE Figura 1 Diagrama esquemático da instalação piloto de FiME As taxas de filtração utilizadas em cada carreira de filtração são apresentadas na tabela 2. A instalação-piloto foi operada continuamente, e três carreiras de filtração foram realizadas. As taxas de filtração adotadas são apresentadas na Tabela 2.

5 Tabela 2 - Taxas de filtração usadas em cada unidade Unidade Taxa de Filtração (m 3 /m 2.dia) 1 a Carreira 2 a Carreira 3 a Carreira Pré-filtro dinâmico Pré-filtros ascendentes 1 e Filtros lentos 1 e Durante cada carreira de filtração amostras eram coletadas no afluente e no efluente de cada unidade. Diversos parâmetros de qualidade de água foram analisados destacando-se: ph; Turbidez; Temperatura; Algas (Clorofila-a, e biomassa algal); Coliformes Totais e Fecais. As freqüências de amostragem para cada parâmetro variaram de diária a semanal. Além dos parâmetros de qualidade da água, a perda de carga nos pré-filtros ascendentes e nos filtros lentos era monitorada diariamente. 3 RESULTADOS E CONCLUSÕES Durante o período de realização dos experimentos, de agosto de 1997 a março de 1998, a água bruta proveniente do Lago Paranoá apresentou-se com um valor médio de turbidez de 8,6 ± 2,5 ut e 33,7 ± 13,8 µg de clorofila-a por litro. O valor de turbidez pode ser considerado baixo enquanto o teor de clorofila-a é característico de águas de lagos eutróficos. De acordo com Palmer (1959 apud. Di Bernardo 1993) um corpo de água pode ser considerado eutrófico quando apresenta valores de clorofila-a superiores a 10 µg/l. A dive rsidade de espécies de algas no Lago Paranoá é considerada baixa e predomina, de forma significativa, uma cianofícea filamentosa classificada como Cylindrospermopsi raciborskii, que constitui 99% da biomassa algal (Altafin et al., 1995). A predominância dessa espécie vem sendo continuamente confirmada no programa de monitoramento limnológico realizado pela CAESB no Lago Paranoá (Cavalcanti, 1996). A avaliação da performance de cada unidade do sistema de tratamento, bem como o sistema como um todo, foi feita com base na qualidade da água produzida e no desenvolvimento da perda de carga. Como já mencionado, vários parâmetros de qualidade foram analisados, entretanto este trabalho se deterá mais na análise dos resultados obtidos com relação à turbidez e concentração de algas (expressa como clorofila-a). As Tabelas 3, 4 e 5 apresentam um resumo dos dados obtidos nas três carreiras de filtração realizadas.

6 Tabela 3 - Resumo do comportamento das unidades componentes do sistema durante a 1 a carreira de filtração. 1 a CARREIRA Unidades Taxa de Período Perda de Turbidez Clorofila-a do sistema filtração de fun. carga (ut) %rem (µg/l) %rem (m 3 /m 2.d) (dias) (cm) AB ,16-39,59 - PFD ,42 32,5 29,78 25,4 PFA ,5 3,75 30,6 23,09 21,2 PFA ,6 2,93 44,9 16,50 44,2 FL e e 30,7 1,01 72,8 1,66 93,5 FL e 7 85 e 62,4 1,12 60,2 1,44 91,3 Tabela 4 - Resumo do comportamento das unidades componentes do sistema durante a 2 a carreira de filtração. 2 a CARREIRA Unidades Taxa de Período de Perda de Turbidez Clorofila-a do sistema filtração fun. carga (cm) (ut) %rem (µg/l) %rem (m 3 /m 2.d) (dias) AB ,70-31,20 - PFD ,17 48,9 18,52 41,4 PFA ,13 50,6 11,19 41,2 PFA ,55 64,5 6,75 64,4 FL ,63 71,1 2,06 81,0 FL ,48 56,7 0,73 81,7 Tabela 5 - Resumo do comportamento das unidades componentes do sistema durante a 3 a carreira de filtração. 3 a CARREIRA Unidades Taxa de Período de Perda de Turbidez Clorofila-a do sistema filtração fun. carga (cm) (ut) %rem (µg/l) %rem (m 3 /m 2.d) (dias) AB ,67-34,24 - PFD ,31 60,8 15,73 52,2 PFA ,3 2,08 39,3 13,57 15,5 PFA ,4 1,74 50,0 11,34 31,3 FL ,4 0,50 65,4 0,80 97,2 FL ,7 0,42 62,6 0,74 97,9

7 As Figuras 2, 3, 4 e 5 mostram a variação da turbidez e da clorofila-a nas diversas etapas do tratamento durante a segunda e a terceira carreiras de filtração. A figura 6 apresenta a curva de correlação obtida para os parâmetros clorofila-a e quantificação de fitoplâncton (biomassa algal). 25 AB PFD PFA-1 PFA-2 FL-1 FL-2 20 Turbidez (NTU) Tempo (dias) Figura 2: Variação da turbidez nas diversas etapas da FiME ao longo da 2 a carreira de filtração 70 AB PFD PFA-1 PFA-2 FL-1 FL Clorofila-a (ug/l) Tempo (dias) Figura 3: Variação dos teores de algas (clorofila-a) nas diversas etapas da FiME ao longo da 2 a carreira de filtração

8 25 AB PFD PFA1 PFA2 FL1 FL2 20 Turbidez (UTN) Tempo (dias) Figura 4: Variação da turbidez nas diversas etapas da FiME ao longo da 3 a carreira de filtração AB PFD PFA-1 PFA-2 FL-1 FL-2 50 Clorofila-a (ug/l) Tempo (dias) Figura 5: Variação dos teores de algas (clorofila-a) nas diversas etapas da FiME ao longo da 3 a carreira de filtração

9 50 40 y = 0,6835x - 0,9889 R 2 = 0,9316 Fitoplancton (mg/l) Clorofila-a (ug/l) Figura 6 Curva de correlação entre valores de clorofila-a e quantificação de fitoplâncton nas amostras coletas no sistema tratamento Dos resultados obtidos pôde-se verificar que a tecnologia de filtração em múltiplas etapas (FiME), constituído por pré-filtro dinâmico, pré-filtro com escoamento ascendente em camadas e filtro lento, apresenta grande potencial de aplicação também no tratamento de águas com elevadas concentrações de algas e com eficiências de remoção similares às reportadas para águas com turbidez de até 100 NTU (Galvis et al., 1997, Visscher et al., 1996, Cleasby, 1991) A unidade de pré-filtração dinâmica apresentou uma maior capacidade de absorver as variações de turbidez da água bruta do que as variações nos teores de clorofila-a. Verificou-se uma tendência de maior eficiência de remoção, tanto de turbidez quanto de clorofila-a, quando a água bruta apresentou maiores valores dessas características. Muito embora se tenha trabalhado com água bruta com valores de turbidez relativamente baixos e sem apresentar "picos", o desempenho do pré-filtro dinâmico mostrou-se, em média, comparável com desempenho atribuído a essa unidade na literatura (Galvis et al., 1997). O pré-filtro ascendente com 5 camadas, com camada de topo com granulometria mais fina, apresentou-se mais eficiente que o pré-filtro ascendente com 4 camadas, tanto na remoção de turbidez quanto na remoção de clorofila-a, sendo que, esse melhor desempenho foi mais evidente quando tratou-se da remoção de clorofila-a (ver Figura 7). Destaca-se assim a importância da seleção cuidadosa deste parâmetro de projeto em função das características da água a ser tratada, ou seja, da caracterização detalhada das impurezas presentes (turbidez, sólidos em suspensão e sua distribuição de tamanho, algas e suas espécies, etc).

10 O aumento da taxa de filtração de 12m 3 /m 2.dia para 18 m 3 /m 2.dia influenciou, negativamente, na eficiência de remoção dos pré-filtros com escoamento ascendente, como pode ser visto com mais clareza na Figura 7. O impacto da variação foi mais evidente na remoção de algas (clorofila-a) do que na remoção de turbidez, sendo que o PFA-2 (5 camadas, granulometria de topo mais fina) sofreu maior influência que o PFA-1 (4 camadas). Porém o fato de que durante a terceira carreira o PFD obteve melhor desempenho, produzindo efluente de melhor qualidade, também pode ter contribuído para esse comportamento pois, de uma forma geral, a literatura mostra que o desempenho dos pré filtros-ascendentes cai com a melhora da qualidade da água afluente a essas unidades. Torna-se necessária, a partir dessa constatação, a análise do comportamento das unidades de pré-filtração ascendente operando com taxas diferenciadas, porém com afluentes de mesma qualidade, para ser possível uma conclusão mais definitiva com relação aos fatores que influenciaram no comportamento diferenciado dessas unidades. 100 % de remoção PFD PFA1 PFA2 Turbidez (2a) Turbidez (3a) Clorofila-a (2a) Clorofila-a (3a) Figura 7 Eficiência média de remoção de turbidez e clorofila-a no pré-tratamento As unidades de pré-filtração apresentaram, em todas as carreiras, desempenho crescente nos primeiros dias de funcionamento, indicando a existência de um período de amadurecimento com impacto na remoção de impurezas, particularmente, de algas. Esse fato pode ter implicações no procedimento operacional das estações de FiME quando aplicados ao tratamento de água com elevadas concentrações de algas, uma vez que, para garantir carreiras de filtração mais longas nos filtros lentos, essas unidades talvez devam ser colocadas em operação somente após vencido o período de amadurecimento do sistema de prétratamento. Tal procedimento é diferenciado do que é sugerido pelos estudos da aplicação dessa

11 tecnologia no tratamento de água com teores do sólidos elevados, onde recomenda-se que, no início de operação, o afluente à instalação seja encaminhado diretamente ao filtro lento com o objetivo de se minimizar o período de amadurecimento do filtro lento e evitar a penetração excessiva das partículas menores na camada de areia. (Di Bernardo, 1993). A qualidade da água tratada produzida nos pré-filtros, avaliada através dos parâmetros turbidez e clorofila-a, não influenciou, de forma significativa, a qualidade da água efluente dos filtros lentos, porém, teve reflexos consideráveis na duração da carreira de filtração. Os filtros lentos apresentaram um comportamento típico com relação à existência de um período inicial caracterizado pela formação da superfície de coesão ou Schmutzdecke que contribui significativamente para a retenção das impurezas. A alta correlação encontrada entre as quantificações de fitoplâncton e as medidas de clorofila-a, mostrou a viabilidade de se considerar o teor de clorofila-a como uma boa medida indireta da concentração de algas, porém deve-se ressaltar, mais uma vez, que a diversidade de espécies de algas no Lago Paranoá é considerada baixa e predomina, de forma significativa, uma cianofícea filamentosa classificada como Cylindrospermopsi raciborskii o que contribuiu para essa alta correlação. O potencial da FiME no tratamento de águas com teores de turbidez de até 100 UTN já vem sendo demonstrado por diversos autores (Cleasby, 1991, Di Bernardo, 1993, Clarke et al. 1996, Galvis et al., 1996, Vargas et al., 1996). Com os resultados do presente trabalho observa-se que, sob condições otimizadas, esta tecnologia pode ser usada também no tratamento de águas sujeitas a floração de algas. Este potencial, juntamente com a simplicidade operacional e de manutenção que a FiME oferece, faz desta tecnologia uma opção de tratamento viável e segura em países da da América Latina e pode se constituir na solução dos problemas de abastecimento em diversas localidades brasileiras. AGRADECIMENTO Os autores agradecem o apoio da FINEP, CNPq, CAPES e RHAE/MCT através do financiamento do PROSAB - Programa de Pesquisa em Saneamento Básico que vem permitindo o desenvolvimento deste trabalho.

12 REFERÊNCIAS AZEVEDO, S.M.F.O. (1996) Toxic cyanobacteria and the Caruaru tragedy, IV Simpósio da Sociedade Brasileira de Toxicologia, CLARKE, B.A., LLOYD, B.J, JONES, C.J. e EVANS, H.L. (1996) Water treatment by multistage filtration utilising gravel prefilters and fabric enhanced slow sand filters, Third International Slow Sand / Alternative Biofiltration Conference, Inglaterra, pp CLEASBY, J.L. (1991) Source water quality and pretreatment options for slow sand filters. In: LOGSDON, G.S. (ed.), Slow Sand Filtration, ASCE, New York, 227p. DI BERNARDO, L. (1993) Métodos e Técnicas de Tratamento de Água, ABES, Rio de Janeiro, V. I e II. DI BERNARDO, L. e ROCHA, O. (1990) Remoção de algas em pré-filtro de fluxo ascendente com meio granular de pedregulho e areia grossa, IV Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Belo Horizonte, Brasil. EPA (1992) Small Community Water and Wastewater Treatment, Summary Report, EPA, EUA, 92p. GALVIS, G., LATORRE, J., OCHOA, A.E. e VISSHER, J.T. (1996) Comparison of horizontal and upflow roughing filtration, Third International Slow Sand/Alternative Biofiltration Conference, Inglaterra, pp GALVIS, G., LATORRE, J. e VISSHER, J.T. (1997) Filtración en múltiples etapas - tecnología innovativa para el tratamiento de agua, Anais do Seminário Internacional sobre Filtração em Múltiplas Etapas para Tratamento de Águas de abastecimento, São Carlos, 8 a 10 de dezembro de HAYES, C. R. E GREENE, L. A.(1984). The evaluation of eutrophication impact in public water supply reservoirs in East Anglia, Wat. Pollut. Control. KAWAMURA, S. (1991) Integrated Design of Water Treatment Facilities, John Wyley, EUA, 658p. MORRIS, J. C. E BAUM, B. (1978). Precursors and mechanismos of haloform formation in the chlorination of water supplies. In: Jolley et al. (eds) Water Chlorination: Environmental Impact and Health Effects, Vol. 2, Ann Arbor, EUA. SAIDAM, M.Y. e BUTLER D. (1996) Algae removal by horizontal flowrock filters, Third International Slow Sand / Alternative Biofiltration Conference, Inglaterra, pp VARGAS, F. V., GALVIS, C. A., MERCEDES, H. G. M. e LATORRE M. (1996). Univalle, CINARA. Filtracion en múltiples etapas: selección de tecnología considerando riesgo sanitario, eficiencia y costos. In Conferencia Internacional mejoramento de la Calidad del Agua- Santiago de Cali, Colombia. VISSCHER, J. T., GALVIS, G. e LATORRE, J. (1996). Filtracion en multiples etapas- FiME:bondades e limitaciones. In: Conferencia Internacional Mejoramiento de la Calidad del Agua, Santiago de Cali, Colombia.

13 ANEXO I DETALHES DA UNIDADES COMPONENTES DA INSTALAÇÃO PILOTO COMPOSIÇÃO DO MEIO FILTRANTE Subcamada Espessura (m) Faixa Granulométrica (mm) superior 0,20 6,4-12,7 intermediária 0,20 12,7-19,0 inferior 0,40 19,0-25,4

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15 COMPOSIÇÃO DO MEIO FILTRANTE Subcamada Espessura (m) Faixa Granulométrica (mm) PFA1 PFA2 PFA1 PFA2 Superior 0,30 1,4-3,2 Intermed. superior 0,40 0,30 3,2-6,4 3,2-6,4 Intermediária 0,40 0,30 7,9-12,7 9,6-15,9 Intermed. inferior 0,40 0,30 15,9-25,4 19,0-25,4 Inferior 0,30 0,30 31,4-50,0 31,4-50,0 COMPOSIÇÃO DA CAMADA SUPORTE Subcamada Espessura (m) Faixa Granulométrica (mm) superior 0,075 1,41-3,2 intermediária 1 0,075 3,2-6,4 intermediária 2 0,075 7,9-12,7 intermediária 3 0,075 15,9-25,4 inferior 0,075 31,4-50,0 AREIA DO MEIO FILTRANTE: 0,08-1,00 mm