I FILTRAÇÃO LENTA COM RETROLAVAVEM: MEIO FILTRANTE E SUA INFLUENCIA NA QUALIDADE DE ÁGUA E COMPARAÇÃO COM O PROCESSO CONVENCIONAL POR RASPAGEM

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1 I FILTRAÇÃO LENTA COM RETROLAVAVEM: MEIO FILTRANTE E SUA INFLUENCIA NA QUALIDADE DE ÁGUA E COMPARAÇÃO COM O PROCESSO CONVENCIONAL POR RASPAGEM Fernando Hymnô (1) Mestrando no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental (PPGEA) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Engenheiro Sanitarista e Ambiental pela UFSC. Bruno Segalla Pizzolatti Doutorando no PPGEA, mestre em Engenharia Ambiental e Engenheiro Sanitarista e Ambiental pela UFSC. Maurício Luiz Sens Professor Titular no Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFSC. Endereço (1) : Campus Universitário Reitor João David Ferreira Lima - Trindade - Florianópolis Santa Catarina - CEP: Brasil - Tel: +55 (48) Fax: +55 (48) Fernando.esn@hotmail.com. RESUMO Este trabalho trata-se de um estudo sobre influência do diâmetro efetivo do meio filtrante em filtros lentos retrolaváveis. A filtração lenta retrolavável é estudada no Laboratório de Potabilização das Águas da Universidade Federal de Santa Catarina há mais de quinze anos, e tem se mostrado como uma boa alternativa à raspagem em filtros lentos descendentes. Assim, foram avaliados a qualidade da água filtrada, o projeto do filtro e o protocolo de limpeza. Para isso foram construídos seis filtros em escala piloto, utilizando-se três diâmetros efetivos diferentes no meio filtrante (d 10 = 0,17, 0,30 e 0,53 mm) e dois sistemas de limpeza, raspagem e retrolavagem. Foram obtidos bons resultados em termos de cor e turbidez, sendo as médias dessas variando entre 18 e 24 uc e 0,68 a 1,29 ut respectivamente, no sistema abastecido por água bruta de 80 uc e 5,85 ut em média. A retrolavagem mostrou-se mais eficiente em termos de limpeza, comparada à raspagem, abrangendo todo o meio filtrante e sendo menos trabalhosa. O diâmetro efetivo mostrou-se influente tanto no projeto quanto na qualidade de água produzida, interferindo na produção efetiva do sistema devido à necessidades diferentes de água para expansão do meio na retrolavagem. PALAVRAS-CHAVE: Filtração lenta com retrolavagem, filtração lenta, limpeza, meio filtrante, tratamento de água para abastecimento. INTRODUÇÃO Existem diferentes técnicas para a limpeza de filtros lentos, dentre elas a raspagem é a mais utilizada. Contudo, estudos recentes apresentaram a retrolavagem como uma técnica eficiente para a limpeza desses filtros aplicados em escala de abastecimento familiar ou de pequenas comunidades (MICHELAN, 2010; PIZZOLATTI, 2010; SOARES et al., 2010). A retrolavagem com água é o processo utilizado para a limpeza de filtros rápidos em estações de tratamento de água (DI BERNARDO; DANTAS, 2005). Para a filtração lenta a retrolavagem apresenta-se como promissora pela facilidade de limpeza em relação aos sistemas convencionais (EMMENDOERFER, 2006; MICHELAN, 2010; PIZZOLATTI, 2010; SOARES et al., 2010). Acredita-se que a retrolavagem seja mais uma impulsionadora na disseminação da tecnologia da filtração lenta, já indicada como contribuinte em sua adoção na redução de doenças diarreicas (CLASEN; ROBERTS; RABIE, 2006; FEWTRELL et al., 2005) e interessante por poder-se utilizar recursos locais em sua aplicação (GIMBEL; GRAHAN; COLLINS, 2006; LANGENBACH et al., 2010). Assim o objetivo desse trabalho foi avaliar a filtração lenta com retrolavagem quanto à qualidade de água produzida comparado a sistemas convencionais por raspagem em meios filtrantes com diferentes diâmetros efetivos. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 METODOLOGIA Para a avaliação da influência dos diâmetros efetivos nos FL foi construído um piloto com 6 filtros. Três com limpeza convencional por raspagem (FLC) e três retrolaváveis (FLR) que foram operados aos pares, cada qual com um diâmetro efetivo diferente. Ensaios Preliminares Para o dimensionamento do sistema de filtração ensaios preliminares foram realizados para a determinação dos parâmetros: diâmetro efetivo do material filtrante, perdas de carga no sistema durante a retrolavagem e a velocidade de aproximação da água durante a retrolavagem para a expansão desejada para o meio filtrante nesse momento. Para isso foram realizados ensaios de expansão e granulométricos com cada tipo de areia, conforme apresentado na Tabela 1. Tabela 1 - Resumo das características dos meios filtrantes. Filtro FLC# FLR# Diâmetro efetivo (mm) Perda de carga no meio fluidificado (cm) Velocidade mínima de aproximação para fluidificação (m/min) Velocidade de aproximação para expansão de 25% (m/min) 1 0, ,15 0,19 2 0, ,19 0,26 3 0, ,60 0,92 Sistema Piloto Os filtros foram construídos com tubos em P.V.C de 100 mm. Os FLC (Figura 1 esq.) e FLR (Figura 1 dir.) são semelhantes, apenas diferenciados pelo diâmetro efetivo utilizado em cada filtro. Nos FLR, por necessitarem diferentes velocidades de aproximação para atingir a expansão desejada, foram instalados registros de gaveta para regular este parâmetro durante a retrolavagem. O meio filtrante é formado por camada de areia de 40 cm, com diâmetro efetivo conforme Tabela 1 e camada suporte de 25 cm de espessura, com grãos variando de 1,7 a 19,1 mm. Todos os filtros, foram operados com taxa de filtração constante (4 m³/m².d) e carga hidráulica variável de no máximo 0,80 m. Ao atingir este valor o filtro era limpo e novamente colocado em operação. Os FLC eram drenados até que o nível de água ficasse logo abaixo da camada filtrante. Com o filtro parcialmente seco, raspa-se o schmutzdecke e os primeiros 9 cm de areia. Desta areia os 6 cm iniciais são lavados com água bruta e recolocados no filtro, os 3 cm restantes eram colocados na parte superior sem lavação. Nos FLR, a partir da abertura de uma válvula, a lavagem ocorre durante 4 min, com expansão média do meio filtrante de 25 %. A água utilizada é a filtrada pelo próprio filtro, armazenada em um reservatório elevado, posicionado de forma que a diferença de cotas entre seu nível d água e do extravasor no filtro permita o contra fluxo. Parâmetros de controle As amostras das águas bruta e filtrada foram analisadas diariamente entre os meses de agosto e novembro de Foram analisados os seguintes parâmetros: Cor aparente (espectrofotômetro HACH DR/2010); Turbidez (Turbidímetro HACH 2100P). A perda de carga durante a carreira de filtração era acompanhada através de piezômetros instalados na lateral dos filtros. RESULTADOS E DISCUSSÃO Qualidade da Água Os resultados do monitoramento da água bruta, assim como dos sistemas piloto, podem ser observados na Tabela 2 que apresenta os valores médios de turbidez e cor aparente. 2 ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

3 Tabela 2 - Valores médios de Turbidez e Cor Aparente (a desvio padrão; b valor mínimo; c valor máximo). Piloto Turbidez (ut) Cor (uh) AB 5,85±0,85 a 80±11 (4,19 b 8,90 c ) (60 124) FLC1 0,70±0,18 20±15 (0,50 0,96) (8-56) FLC2 0,68±0,16 18±13 (0,41 1,07) (8-75) FLC3 0,89±0,29 19±4 (0,52 1,65) (15 29) FLR1 0,89±0,36 25±17 (0,60 1,76) (7-83) FLR2 0,84±0,46 23±8 (0,55 2,30) (2-31) FLR3 1,29±0,46 24±7 (0,56 2,31) (11-43) Figura 1 - Esquema dos FLC (esq.) e FLR(dir.). ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 A exceção do FLR3, todos os filtros apresentaram em média turbidez menor que 1,0 ut, que é exigido na saída dos filtros pela portaria nº2914/11 do Ministério da Saúde. Quanto à cor, a exigência é de que a soma de cor e turbidez não exceda 15 após a cloração (BRASIL, 2011). No caso, as amostras ainda não foram cloradas e considerando-se que esse processo ainda remove cor admitem-se os resultados obtidos como aceitáveis. Acredita-se que a maior turbidez no FLC3 e FLR3 deve-se à maior granulometria do meio filtrante e no caso do ultimo um maior valor devido à uma menor eficácia na filtração, o que poderia ser consequência de uma menor retenção de partículas em suspensão. Como se pode observar na Figura 2, a turbidez nos filtros FLC3 e FLR3 foram relativamente maiores, enquanto os outros dois filtros não apresentaram grande diferença entre si. Quando comparados quanto ao sistema de limpeza, percebe-se uma menor tratabilidade no caso dos FLR. Partindo-se de que os processos físicos na filtração dos filtros de mesmo diâmetro efetivo são semelhantes, atribui-se ao sistema de limpeza dos filtros a diferença entre a turbidez e cor aparente obtida. Houve um padrão dos FLR serem menos eficientes, isso pode ser devido à limpeza por retrolavagem modificar as características do meio filtrante como a eliminação de partículas mais finas que ajudariam na retenção de sólidos. Figura 2 - Turbidez e Cor Aparente média da água filtrada. Segundo HUISMAN e WOOD (1974) a degradação biológica tem o papel mais importante na purificação na filtração lenta, essa tecnologia é geralmente utilizada para água com turbidez e concentração de algas menor do que a apresentada na LP. Isso pode indicar que nesse caso a biodegradação não tenha a mesma importância que em águas em que geralmente é aplicada a FL. Como não se sabe a influência deste mecanismo na filtração, não se descarta a hipótese que a maior turbidez da água filtrada nos FLR também é devida à influência da retrolavagem na degradação biológica. Essa influência seria devido ao atrito entre as partículas durante a retrolavagem que removeria o biofilme. Para isso estudos de porosidade e tempo de detenção da água nos filtros poderiam ajudar a caracterizar e explicar essas diferenças. 4 ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

5 Raspagem e Retrolavagem A raspagem, como se pode concluir apenas pela descrição da operação, é a mais trabalhosa de ser efetuada. Pela experiência com os pilotos pôde-se observar que a lavagem é mais fácil de ser realizada com as areias de maior granulometria. A operação por raspagem é considerada trabalhosa e demorada, levando em média. Estudos já foram feitos a respeito de aprimorar a técnica como o uso de manta sintética na parte superior do filtro (PATERNIANI; CONCEIÇÃO, 2004). Durante os três meses de operação dos filtros, o que se observou, e que não era esperado, é que com o passar do tempo a perda de carga inicial no meio filtrante foi crescente, chegando a um momento em que foi necessária uma raspagem mais profunda para a limpeza do filtro. O fenômeno não ocorreu nos FLR, pois a retrolavagem abrange todo o meio, que é limpo igualmente. Quanto à retrolavagem a operação foi mais simples e rápida que a raspagem, exigindo apenas a abertura e fechamento de uma válvula e que levava no total cerca de 5 min. Porém, devido às diferentes características, diferentes volumes foram necessários para mesma expansão de meio filtrante e tempo de retrolavagem. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Com a pesquisa realizada nesse trabalho pôde-se concluir que: O diâmetro efetivo do meio filtrante dos filtros lentos influenciou na qualidade de água produzida, tanto nos filtros convencionais, quanto nos retrolaváveis, sendo os filtros de com meio filtrante de menor d 10 os de melhor desempenho; Quanto aos sistemas de limpeza, no que se refere à qualidade de água, os FLC apresentaram melhores resultados que seus semelhantes FLR. Em termos de operação os FLR foram eficientes, levando-se em consideração a mão de obra para a limpeza, qualidade da água produzida e carreira dos filtros; Recomenda-se, com base nas experiências obtidas nesse tra- balho, para o auxílio e encaminhamento de futuras pesquisas: Os FLR foram menos eficientes em relação aos FLC, isso pode ser devido à limpeza por retrolavagem influir na degradação biológica. Para isso recomendam- se estudos mais aprofundados sobre esse aspecto; A realização de estudos da influência da atividade biológica na filtração, assim como suas condições em termos de consumo de oxigênio e profundidade no meio filtrante; REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BRASIL. Portaria MS No CLASEN, T.; ROBERTS, I.; RABIE, T. Interventions to improve water quality for preventing diarrhoea. Database Syst Rev, n. 1, DI BERNARDO, L.; DANTAS, A. D. B. Métodos e técnicas de Tratamento de Água - Volume 2. 2nd. ed. São Carlos: RiMa, p EMMENDOERFER, M. L. Filtração Lenta Com Retrolavagem Para Propriedades Rurais De Uso Familiar. Water. Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. Trabalho de Conclusão de Curso., FEWTRELL, L. et al. Water, sanitation, and hygiene interventions to reduce diarrhoea in less developed countries: a systematic review and meta-analysis. The Lancet infectious diseases, v. 5, n. 1, p , jan GIMBEL, RR. P. IN S. S. AND A. B. P.; GRAHAN, N. J. D.; COLLINS, M. R. Recent Progress in Slow Sand and Alternative Biofiltration Processes. 1st. ed. Padstow: International Water Organization, p HUISMAN, L.; WOOD, W. Slow sand filtration. Geneva: World Health Organization, p LANGENBACH, K. et al. Modeling of slow sand filtration for disinfection of secondary clarifier effluent. Water research, v. 44, n. 1, p , jan ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 9. MICHELAN, D. C. G. DOS S. Filtração Em Margem De Rio Precedendo A Filtração Lenta, Para Remoção De Carbofurano, Em Tratamento De Água Para Consumo Humano Universidade Federal de Santa Catarina, PATERNIANI, J.; CONCEIÇÃO, C. DA. Eficiência da pré-filtração e filtração lenta no tratamento de água para pequenas comunidades. Engenharia Ambiental: Pesquisa e, p , PIZZOLATTI, B. S. Estudos de limpeza de filtro lento por raspagem e retrolavagem.. Florianópolis, Brasil: Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. Dissertação de Mestrado., SOARES, M. B. D. et al. Backwashed Slow Sand Filtration for Water Supply during Droughts Periods in Animal Production. 21st Century Watershed Technology: Improving Water Quality and Environment, v. 2010, n. 701, p , ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental