AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA E APLICABILIDADE DO PROCESSO DE FILTRAÇÃO DIRETA ASCENDENTE NO TRATAMENTO DE ÁGUA, UTILIZANDO DADOS SECUNDÁRIOS

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1 AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA E APLICABILIDADE DO PROCESSO DE FILTRAÇÃO DIRETA ASCENDENTE NO TRATAMENTO DE ÁGUA, UTILIZANDO DADOS SECUNDÁRIOS Léo Heller (1) Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia da UFMG, Mestre em Engenharia Sanitária e Doutor em Epidemiologia pela UFMG. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Escola de Engenharia UFMG. Pesquisador da FAPEMIG e CNPq. Terezinha Nascimento Vitor Marques (foto) Engenheira Civil pela Escola de Engenharia da UFMG. Mestre em Saneamento. Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela UFMG. Luciana Costa de Almeida Estudante de Engenharia Civil. Bolsista da FAPEMIG. Endereço (1) : Rua Pirapetinga, apto Serra - Belo Horizonte - MG - CEP: Brasil - Tel: (031) heller@adm.eng.ufmg.br RESUMO Atualmente em Minas Gerais, na maioria das estações de tratamento de água são empregadas a linha convencional completa de tratamento. Esta prática vem desprezando variantes mais simplificadas de tratamento, que poderão atender comunidades onde as condições locais apresentam-se adequadas a estas tecnologias. Neste trabalho, procura-se avaliar a eficiência, limitações e aplicabilidade do processo de filtração direta ascendente, com destaque para os parâmetros físicos, empregando dados operacionais secundários na tentativa de contribuir para a definição de novos limites, que possam servir de embasamento para a escolha de tecnologias não-convencionais de tratamento de água. O estudo foi realizado utilizando dados de seis ETAs operadas pela COPASA-MG, onde através de análise computacional gráfica e estatística dos parâmetros turbidez e cor aparente avaliou-se o comportamento dos filtros, delineando sua aplicabilidade e limitações no atendimento da atual norma de potabilidade Portaria 36/90. Com base nas curvas de percentuais acumulados e gráficos específicos, observou-se uma dispersão de valores entre as estações analisadas e em relação às recomendações da literatura. Foi possível notar efetiva remoção da turbidez (83%) e cor aparente (95%), atendendo ao padrão recomendado de 1 ut e 5uC respectivamente para o efluente, do total de pontos avaliados, incluindo valores de água bruta até 980 ut. Com os resultados da análise estatística verificou-se, em geral, uma tendência de se confirmar, em um nível de confiança de 95%, a associação entre as características da água bruta e a qualidade da água filtrada. PALAVRAS-CHAVE: Clarificação de Água, Filtração Direta Ascendente, Aplicabilidade, Eficiência. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1189

2 INTRODUÇÃO A seleção da linha de tratamento de água deve conciliar aspectos econômicos, objetivando empregar racionalmente os recursos disponíveis, com a eficiência do processo. Assim, deve ser objeto de uma criteriosa avaliação técnico-científica das diversas variáveis envolvidas, ao contrário da atual prática generalizada no Brasil de emprego quase padronizado da linha convencional completa de tratamento. Têm sido pouco usadas, ou mesmo desprezadas, variantes mais simplificadas de tratamento, que poderiam atender comunidades onde as condições locais apresentam-se adequadas a estas tecnologias. Atualmente a COPASA-MG opera 441 sistemas de tratamento de água, incluindo a Região Metropolitana de Belo Horizonte e localidades no interior do Estado. A Figura 1 retrata a distribuição das estações de acordo com o tipo de tratamento, tendo sido criada a partir de levantamentos segundo informações da COPASA-MG (1997). Pode-se observar que a grande maioria das estações, em torno de 63%, opera com processos convencionais de tratamento. Os filtros de fluxo ascendente estão presentes em 5% dos sistemas operados no interior do Estado e na Região Metropolitana (Brumadinho). Atualmente a filtração lenta não é utilizada em nenhuma localidade do interior do Estado operada pela COPASA-MG. Figura 1: Distribuição das ETAs segundo o processo (COPASA-MG). Outros 30% COPASA - MG Convencional Convencional / Filtração direta ascendente Filtração direta ascendente FL 0% FDD 2% Filtração direta descendente Fitração lenta Outros FDA 3% CV / FDA 2% CV 63% * Outros: poço com cloração, super filtro, ETA pressurizada e cloração superficial Fonte: relatórios gerenciais da COPASA-MG Dentro deste contexto, o presente trabalho insere-se em uma pesquisa que visa avaliar sistemas de tratamento de água não convencionais, analisando parâmetros de qualidade da água como cor e turbidez, parâmetros de projeto e operação, entre outras variáveis, no sentido de contribuir para a definição de diretrizes para a escolha de tecnologias apropriadas ao tratamento de água. Portanto, este trabalho objetiva avaliar a eficiência, limitações e aplicabilidade do processo de filtração direta ascendente de tratamento de água, com destaque para os parâmetros físicos, empregando dados operacionais secundários. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1190

3 Os resultados alcançados com esta avaliação poderão contribuir com outra visão das tecnologias não convencionais, na direção da ampliação de seu emprego, por exemplo em comunidades de pequeno e médio porte, através da utilização de uma forma de tratamento eficiente, de fácil operação e, principalmente, de baixo custo de implantação. O desenvolvimento desse trabalho contou com o apoio da Companhia de Saneamento de Minas Gerais - COPASA-MG, através de convênio firmado com a Escola de Engenharia da UFMG. MATERIAL E MÉTODOS Adotou-se a seguinte metodologia para desenvolvimento do trabalho: Revisão bibliográfica. Coleta de dados sobre instalações existentes de filtração direta ascendente nas regiões da Zona da Mata, Norte e Oeste de Minas Gerais. Sistematização de dados sobre o desempenho das instalações de tratamento. Avaliação da influência das características da água bruta na qualidade da água filtrada, de acordo com a tecnologia adotada para as instalações estudadas. Discussão da eficiência, limitações e aplicabilidade do processo de filtração direta ascendente, com destaque para os parâmetros físicos. Coleta de Dados Os relatórios de controle diário de laboratório, com dados sobre parâmetros como temperatura, turbidez, cor e ph para água bruta e tratada final, para diversos sistemas, foram coletados e analisados. De acordo com a avaliação do material recebido, onde analisou-se a abrangência dos dados, considerando pelo menos doze meses de dados (ou períodos que contemplassem, mesmo que em parte, as quatro estações climatológicas do ano), o preenchimento criterioso, bem como a confiabilidade dos dados de turbidez e cor, selecionaram-se as seis estações relacionadas na Tabela 1. Através do arquivo técnico da COPASA-MG, foram levantados os projetos básicos e os memoriais descritivos dessas estações de tratamento. De posse desse material, visita técnica às instalações foi realizada. Tabela: Relação das ETAs selecionadas por filtração direta ascendente. Estação/ Localidade Vazão média (l/s) Taxa de filtração aplicada (m 3 /m 2.d) Número de filtros (un) População atendida (hab.) Bela Vista de Minas 23, Carmo do Rio Claro 60, Espera Feliz 14, Ferros 8, Montalvânia 20, Teixeiras 15, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1191

4 Análise de Dados Foi adotado o valor máximo diário para os parâmetros turbidez e cor. Em seguida, foram construídos gráficos que representassem a variação da turbidez ou cor efluente em função da turbidez ou cor afluente, com o objetivo de avaliar a associação entre qualidade da água bruta e da água tratada, à luz do atendimento à Portaria 36/90. Cada ponto com coordenadas (X,Y), corresponde à escolha de uma leitura horária. Dando seqüência, criaram-se gráficos de percentual acumulado, com o objetivo de avaliar o desempenho das instalações existentes na remoção de cor ou turbidez. Assim sendo, escolheram-se pontos de corte nos valores de entrada, turbidez e cor afluente, visando sempre que possível, selecionar dentre estes, valores limites recomendados pela literatura como máximo recomendável na aplicação desta tecnologia. Para um determinado limite indicado de valores de saída, turbidez e cor efluente, levantou-se o percentual de valores acumulados. Procurou-se também, nesse caso, sempre que possível, adotar limites recomendados pela Portaria 36/90, turbidez efluente 1 ut e cor aparente efluente 5 uc (Figuras 4 e 5). Após análise descritiva dos dados, e devido à natureza da unidade dos parâmetros turbidez e cor, optou-se por realizar o teste estatístico qui-quadrado para faixas de turbidez e cor afluente. Por fim, procedeu-se a uma análise integrada dos dados, onde as estações foram agrupadas. Assim, foi possível desenvolver uma análise do comportamento do processo estudado (Figuras 2 e 3). Carreiras de Filtração De posse dos relatórios mensais de sistemas e controle operacional de filtros, procedeu-se ao estudo para avaliar a eficiência hidráulica dos sistemas Espera Feliz e Teixeiras. O estudo foi realizado com base no volume gasto com água de lavagem, taxa de filtração e duração da carreira de filtração. A análise foi realizada em função da duração da carreira de filtração ser o principal parâmetro usado para avaliar o desempenho global no processo de filtração. Com a finalidade de avaliar a eficiência (%) de produção de água filtrada durante uma carreira de filtração, lançou-se mão das equações (1) e (2) onde, E = eficiência; Ve = volume efetivo de água produzida durante uma carreira de filtração (m 3 /m 2 x carreira de filtração); Vb = volume bruto produzido durante uma carreira de filtração (m 3 /m 2 x carreira de filtração); V1(%) = porcentagem do volume bruto de água filtrada gasto na lavagem de um filtro. E = Ve/Vb equação (1) V1(%) = (1-E) equação (2) RESULTADOS Apresenta-se a seguir a representação gráfica das ETAs com resultados obtidos através da análise integrada dos dados, ou seja, um estudo em conjunto de parâmetros fornecidos pelos diversos sistemas, agrupados por processo de tratamento (Figuras 2 e 3). No estudo integrado avaliou-se um número relativamente elevado de pontos de análise, sendo 2024 para o parâmetro turbidez e 727 para cor aparente. Uma síntese dos resultados do estudo estatístico é apresentado na tabela 2. Em média, obteve-se uma eficiência hidráulica de 96% para a ETA de Espera Feliz e 86% para Teixeiras. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1192

5 Figura 2: Gráfico representativo da análise integrada dos dados de turbidez das ETAs de filtração direta ascendente. Turbidez Efluente (ut Filtração Direta Ascendente Turbidez Afluente (ut) Figura 3: Gráfico representativo da análise integrada dos dados de cor aparente das ETAs de filtração direta ascendente. 45 Filtração Direta Ascendente 40 Cor Aparente Efluente (uc) Cor Aparente Afluente (uc) 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1193

6 Figura 4: Representação gráfica do desempenho na remoção de turbidez através da análise de percentual acumulado -Análise integrada dos dados. Turbidez % acumulada de valores de turbidez efluente Afluente menor ou igual ao limite indicado (ut) 0,5 ut 1,0 ut 2,0 ut 5 16,70 90,39 97, ,65 85,83 96, ,35 84,28 95, ,76 83,00 94, Filtração Direta Ascendente 0,5 ut 1,0 ut 2,0 ut % acumulada de valores de turbidez efluente menor ou igual ao lim ite indicado pela curva Turbidez Afluente (ut) Figura 5: Gráfico representativo do desempenho na remoção de cor aparente através da análise de percentual acumulado - Análise integrada dos dados. Cor % acumulada de valores de cor aparente Afluente efluente menor ou igual ao limite indicado (uc) 2,5 uc 5,0 uc 7,5 uc 50 90,17 96,81 97, ,84 87,40 88, ,41 94,51 96,26 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1194

7 Figura 5 - continuação. 110 Filtração Direta Ascendente 2,5 uc 5,0 uc 7,5 uc 100 % acumulada de valores de cor aparente efluente menor ou igual ao limite indicado pela curva Cor Aparente Afluente (uc) Tabela 2: Estudo estatístico para o parâmetro turbidez e cor aparente síntese dos resultados. Parâmetro Turbidez Estações gl X 2 P-valor Bela Vista de Minas 1 20,34* 0, * # Carmo do Rio Claro 1 91,51* * Espera Feliz 1 13,41* 0, * Ferros 1 15,73* 0, * Montalvânia 2 180,76 0, Teixeiras 2 39,73 0, Parâmetro Cor Aparente Estações gl X 2 P-valor Espera Feliz 1 12,81* 0, * Montalvânia 1 199,96* 0, * * Com Correção de Yates # Menor valor da turbidez afluente é significativamente associada a maior valor da turbidez efluente. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1195

8 CONCLUSÕES Com auxílio da análise gráfica, torna-se possível avaliar o desempenho operacional das instalações estudadas. Através dos gráficos turbidez ou cor afluente x efluente, podem-se observar os pares de valores que ultrapassam o padrão recomendado pela Portaria 36/90, ou seja 1,0 ut e 5,0 uc para água tratada entrando no sistema de distribuição. Com base nas curvas de percentuais e gráficos específicos pode-se observar uma dispersão de valores entre as estações analisadas e em relação às recomendações da literatura, sendo possível notar efetiva remoção da turbidez (83%) e cor aparente (95%), atendendo ao padrão recomendado de 1uT e 5uC para o efluente, do total de pontos avaliados, incluindo valores de água bruta até 980 ut. Observa-se que os filtros ascendentes foram capazes de remover, na prática, elevados valores de turbidez e cor aparente, muito além do sugerido pela literatura, para taxas variando de 69 a 194 m 3 /m 2.d. DI BERNARDO (1991) sugere limites máximos de 20 ut para turbidez e 20 uc para cor verdadeira com taxa de filtração de 200 m 3 /m 2.d, para o emprego desta tecnologia de tratamento. Os resultados sugerem a dificuldade em se estabelecer um limite absoluto, que em nenhuma circunstância acarrete em violação do padrão para o efluente. Por outro lado, chamam a atenção para a necessidade de se pensarem em duas categorias de limites: para valores habituais de qualidade de água bruta, possivelmente mais relacionados ao consumo de água de lavagem, e para valores extremos, mais relacionado ao padrão sanitário da água tratada. No estudo integrado, avaliou-se um número relativamente elevado de pontos de análise, sendo que as estações em geral demonstraram bom rendimento na remoção de cor e turbidez, independente do limite sugerido de 20 ut e 20 uc. Exemplo disso são as estações de Bela Vista de Minas, Ferros, Espera Feliz e Teixeiras, que demostraram bom desempenho nos processos de clarificação, apresentando em geral menos de 10% (15% no caso de Teixeiras) dos valores de turbidez efluente superiores a 1,0 ut. No caso de remoção de cor, as estações de Espera Feliz e Montalvânia atenderam ao padrão em 95% e 80% respectivamente do total de pontos avaliados. Os filtros mostraram capacidade para amortecer os valores de pico por vezes apresentados, mantendo a qualidade efluente. Os resultados do teste qui-quadrado na grande maioria dos casos confirmam alta associação, em um nível de confiança de 95%, sugerindo que as características da água bruta estão associadas à qualidade da água filtrada. Entretanto, para a ETA Bela Vista de Minas apesar do p-valor estar dentro da faixa aceitável (< 0,05), observou-se que os maiores valores da turbidez afluente estão associados a menores valores da turbidez efluente, identificando uma inversão na tendência esperada para essa estação. Quanto ao estudo da eficiência hidráulica dos filtros, obteve-se em média resultado de 96% para Espera Feliz, indicando que apenas 4% do total da água filtrada por carreira de filtração foi usada na lavagem dos filtros. Nos filtros de Teixeiras obteve-se, em média, eficiência de 86%, indicando maior percentual de água utilizada na lavagem dos filtros. Pôde-se notar que as duas estações receberam afluente com semelhante faixa de turbidez e que à maior eficiência hidráulica corresponde maior qualidade do efluente, na ETA de Espera Feliz, possivelmente pela melhor qualidade do sistema de lavagem dos filtros. Sabe-se que a carreira de filtração depende não somente das características da água bruta, como também do controle usado no monitoramento para determinação do final da carreira, bem como das condições técnicas para proceder à lavagem eficiente. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1196

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ABNT-ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NB-592; Projeto de estação de tratamento de água para abastecimento público. Rio de Janeiro, BRASIL. Ministério da Saúde. Portaria n. 36 de 19 de janeiro de Diário Oficial, Brasília, 23 jan Seção 1, p DI BERNARDO, L. Métodos e Técnicas de tratamento de Água - V. I e II. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental. Rio de Janeiro, Brasil, DI BERNARDO, L. Water-supply problems and treatmente technologies in developing countries of south america Aqua, v.40, n.3, p , june DI BERNARDO, L., MOURA, R.M.P., RAZABONI, J.D., RESENDE, RJ Estudo das influências das características hidráulicas e da camada de areia na filtração ascendente. Revista DAE, São Paulo, n.131, p , ano XLII dez HELLER, L., HADDAD FILHO, E., FORMAGGIA, D. M. E., BLUM, J. C., OMORI, M. J., MANCUSO, P. C. S. The new WHO recomendations on water quality ans their impact on water treatment methods: the Brazilian status. 20º CONGRESSO DA INTERNATIONAL WATER SUPPLY ASSOCIATION JANSSENS, J. G., BUEKENS, A. Assessment of process selection for particle removal in surface water treatment. J Water SRT Aqua v.42, n5, p , LIBÂNIO, M. Filtração ascendente aplicada ao tratamento de água: a experiência da fundação SESP nos estados de Minas Gerais e Espírito Santo. Dissertação de Mestrado Escola de Engenharia da UFMG, 1991, Belo Horizonte, Brasil. 9. MINAS GERAIS COPASA, Cia de Saneamento de Água e Esgoto. Projeto Básico de Sistemas de Abastecimento de Água. Memorias descritivos das estações de Espera Feliz, Ferros, Montalvânia, Carmo do Rio Claro, Bela Vista de Minas e Teixeiras. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1197