PARÂMETROS DE QUALIDADE. adaptado de Barnes et al, Water and wastewater engineering systems, CRC Press (1981)

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1 PARÂMETROS DE QUALIDADE adaptado de Barnes et al, Water and wastewater engineering systems, CRC Press (1981)

2 PARÂMETROS DE QUALIDADE DA ÁGUA Parâmetros de utilização geral: caracterização de águas de abastecimento, residuárias, mananciais e corpos receptores Padrões de potabilidade: Portaria 518 (2004) do Ministério da Saúde; Padrões de corpos d água e Padrões de lançamento: Resolução CONAMA 20 (1986) modificada pela resolução 357 (03/2005) Parâmetros físicos: cor, turbidez, sabor e odor, temperatura Parâmetros químicos: ph, alcalinidade, acidez, dureza, ferro, manganês, cloretos, nitrogênio, fósforo, oxigênio dissolvido, matéria orgânica, micro poluentes inorgânicos e orgânicos Parâmetros biológicos: organismos indicadores (coliformes fecais), algas, etc.

3 COR Definição: coloração da água Constituinte responsável: sólidos dissolvidos Origem natural: decomposição da matéria orgânica (vegetais: ácidos húmicos e fúlvicos); ferro e manganês Origem antropogênica: resíduos industriais; esgotos domésticos Importância: costuma não representar risco direto a saúde; poluição visual (esteticamente desagradável associação com presença de impureza ); cloração da água contendo matéria orgânica dissolvida responsável pela cor pode gerar produtos potencialmente cancerígenos (ex.: trihalometanos); interferência nos processos de fotossíntese e oxigenação do corpo d água (equilíbrio de todo o ecossistema)

4 Unidade: uc (unidades de cor). Mistura de cloroplatinato de potássio (K 2 PtCl 6 ) e cloreto de cobalto II (CoCl 2 ). Uma unidade de cor cor de uma solução da mistura de platina-cobalto na concentração de 1 mg L -1 (mg Pt L -1 ) cor aparente e cor verdadeira. No valor da cor aparente pode estar incluída uma parcela devida à turbidez da água (remoção por centrifugação cor verdadeira); águas com cor > 15 uc podem ser detectadas em um copo d água pela maioria das pessoas; valores de cor da água bruta inferiores a 5 uc usualmente dispensam coagulação química; valores superiores a 25 uc usualmente requerem a coagulação química seguida por filtração.

5 TURBIDEZ Definição: representa o grau de interferência com a passagem da luz através da água, conferindo uma aparência turva à mesma. Constituinte responsável: sólidos em suspensão Origem natural: partículas de rochas, argila; algas e outros microrganismos Origem antropogênica: resíduos industriais, esgotos domésticos, erosão Importância: não representa risco direto a saúde; poluição visual (esteticamente desagradável associação com presença de impureza ); pode atuar como abrigo/suporte para microrganismos patogênicos (diminuindo a eficiência da desinfecção); interferência nos processos de fotossíntese e oxigenação do corpo d água (equilíbrio de todo o ecossistema).

6 Unidade: ut (unidades de turbidez) mistura de sulfato de hidrazina com hexametilenotretamina; unidade nefelométrica águas com cor 10 ut copo d água pela maioria das pessoas; águas com cor 500 ut praticamente opaca ; ligeira nebulosidade pode ser notada em um valores de cor da água bruta inferiores a 20 ut usualmente dispensam coagulação química; valores superiores a 50 ut usualmente requerem a coagulação química seguida por filtração.

7 SABOR E ODOR Definição: sabor interação entre o gosto (salgado, doce, azedo e amargo) e o odor (sensação olfativa) Constituinte responsável: sólidos em suspensão, sólidos dissolvidos e gases dissolvidos; Unidade: concentração limite mínima detectável Origem natural: matéria orgânica em decomposição, microrganismos; gases dissolvidos (gás sulfídrico) Origem antropogênica: resíduos industriais, esgotos domésticos Importância: não representa risco direto a saúde (porém é uma das principais causas de reclamação da população); valores elevados podem indicar presença de substâncias potencialmente tóxicas identificação e vinculação com a origem

8 TEMPERATURA Definição: intensidade de calor Unidade: 0 C Origem natural: transferência de calor por radiação, condução e convecção (atmosfera e solo) Origem antropogênica: torres de resfriamento, despejos industriais Importância: elevações da temperatura aumentam a taxa das reações químicas e biológicas; diminuem a solubilidade dos gases (ex.:od, transferência gases com odores) deve ser analisada em conjunto com outros paramêtros (ex.: OD) temperatura deve proporcionar condições para as reações bioquímicas de remoção de poluentes

9 ph Definição: [H + ] Constituinte responsável: sólidos e gases dissolvidos; Origem natural: dissolução de rochas; absorção de gases da atmosfera; oxidação da matéria orgânica; fotossíntese Origem antropogênica: esgotos domésticos, despejos industriais Importância: pouca implicação em termos de saúde pública (a menos que os valores sejam extremos irritação na pele, olhos, etc); forte influência em diversas etapas de tratamento (coagulação, desinfecção, complexação, etc); ph baixo aumenta potencial de corrosão e pe; ph elevado promove precipitações e incrustações; valores distantes da neutralidade podem afetar a vida aquática diferentes valores de ph estão associados a diferentes faixas de atuação ótima de coagulantes; variação do ph influencia no equilíbrio químico valores elevados de ph podem estar associados a proliferação de algas

10 ALCALINIDADE Definição: quantidade de íons na água que reagirão para neutralizar H + - medida da capacidade da água de neutralizar os ácidos (capacidade tampão) Constituinte responsável: sólidos dissolvidos (principais espécies: HCO 3-, CO 3 2-, OH - ) Unidade: mg L -1 CaCO 3 Origem natural: dissolução de rochas; reação com CO 2 (da atmosfera ou oriundo da decomposição da matéria orgânica) Origem antropogênica: esgotos domésticos, despejos industriais Importância: não tem implicação sanitária para água potável (mas em elevadas concentrações confere um gosto amargo); em diversas etapas de tratamento (coagulação, desinfecção, complexação, dureza, etc); variação de ph processos oxidativos (como a nitrificação) tendem a consumir alcalinidade (que pode levar a redução no ph e afetar taxa de crescimento de microrganismos responsáveis pela oxidação)

11 DUREZA Definição: concentração de cátions bivalentes precipitados dureza carbonato (HCO 3- e CO 3 2- ) dureza não carbonato (Cl - e SO 4 2- ) Constituinte responsável: sólidos dissolvidos (Ca 2+ e Mg 2+ ) Unidade: mg L -1 CaCO 3 Origem natural: dissolução de minerais contendo cálcio e magnésio (ex.: rochas calcárias) Origem antropogênica: despejos industriais

12 Importância: não tem implicação sanitária para água potável (em determinadas concentrações sabor desagradável e efeito laxativo; por outro lado: águas duras menor incidência de doenças cardíacas); reduz formação de espuma, implicando num maior consumo de sabão; causa incrustação nas tubulações de água quente, caldeiras e aquecedores. dureza < 50 mg L -1 CaCO 3 : água mole dureza entre 50 e 150 mg L -1 CaCO 3 : dureza moderada dureza entre 150 e 300 mg L -1 CaCO 3 : água dura dureza > 300 mg L -1 CaCO 3 : água muito dura

13 FERRO E MANGANÊS Constituinte responsável: sólidos em suspensão ou dissolvidos Unidade: mg L -1 Origem natural: dissolução do solo Origem antropogênica: despejos industriais Importância: pouco efeito sanitário; pequenas concentrações: cor na água; altas concentrações: sabor e odor (consumir já terá rejeitado devido a cor); precipitação e manchas Fe e Mn presentes nas formas insolúveis (Fe 3+ e Mn 4+ ) em grande quantidade de solos; ausência de OD (água subterrânea ou fundo de lagos): forma solúvel reduzida (Fe 2+ e Mn 2+ ) 2 Fe 2+ + ½ O 2 + 5H 2 O 2 Fe(OH) H + Mn 2+ + ½ O 2 + 2H 2 O MnO H +

14 NITROGÊNIO Constituinte responsável: sólidos em suspensão ou dissolvidos Unidade: mg L -1 Origem natural: constituinte de proteínas e vários outros compostos biológicos Origem antropogênica: esgotos domésticos, despejos industriais, fertilizantes Importância: nitrogênio na forma de nitrato: associado a doenças como metemoglobinemia (síndrome do bebê azul); na forma de amônia: tóxico aos peixes; elemento indispensável para o crescimento de vegetais e algas (quando em elevadas concentrações pode conduzir a um crescimento exagerado desses organismos: eutrofização).

15 FÓSFORO Constituinte responsável: sólidos em suspensão ou dissolvidos ortofosfatos (diretamente disponíveis para o metabolismo biológico - formas mais simples: PO 3-4, HPO 2-4, H 2 PO 4-, H 3 PO 4 ), polifosfato (moléculas mais complexas com dois ou mais átomos de P; hidrólise: ortofosfato (processo lento)) e fósforo orgânico Unidade: mg L -1 Origem natural: dissolução de solos, decomposição da matéria orgânica Origem antropogênica: esgotos domésticos, despejos industriais, fertilizantes, detergentes Importância: elemento indispensável para o crescimento de vegetais e algas (quando em elevadas concentrações pode conduzir a um crescimento exagerado desses organismos: eutrofização).

16 CLORETOS Constituinte responsável: sólidos dissolvidos Unidade: mg L -1 Origem natural: dissolução de minerais, intrusão de águas salinas Origem antropogênica: esgotos domésticos, despejos industriais, irrigação Importância: sabor salgado a água água potável [Cl - ] < 250 mg L -1 Oxigênio dissolvido Matéria orgânica Micropoluentes orgânicos e inorgânicos

17 ORGANISMOS PATOGÊNICOS Microrganismos aquáticos fundamental importância, principalmente com relação a transformação da matéria dentro dos ciclos biogeoquímicos transmissão de doenças microrganismos presentes nos esgotos saprófitas, comensais, simbiontes e parasitas apenas a última categoria é patogênica e capaz de causar doença no homem principais grupos de microrganismos: bactérias, vírus, protozoários e helmintos origem no esgoto predominantemente humana (animais: fezes de cães e gatos; roedores) (condições sócio-econômicas; sanitárias; geografia; culturais; etc)

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19 Transmissão hídrica organismo patogênico presente na água que é ingerida Transmissão relacionada com higiene aquela que pode ser interrompida pela implantação de higiene pessoal e doméstica; Transmissão baseada na água caracterizada quando o patógeno desenvolve parte de seu ciclo vital em um animal aquático; Transmissão por inseto vetor transmissão por insetos que procriam na água

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22 Organismos indicadores de contaminação Detecção dos agentes patogênicos extremamente difícil em razão das suas baixas concentrações (demandaria o exame de grandes volumes de amostra para detecção de poucos seres patogênicos) em uma população apenas uma determinada faixa apresenta doenças de veiculação hídrica a presença de patógenos pode não ocorrer em elevada proporção nas fezes desta população após lançamento no corpo receptor (ou sistema de esgotos) há uma grande diluição do despejo contaminado [patogênicos] final bastante reduzida exames laboratoriais difíceis

23 Organismos indicadores de contaminação fecal predominantemente não patogênicos indicação de quando a água apresenta contaminação por fezes (potencialidade para transmitir doenças) grupo coliforme presentes em grandes quantidades nas fezes humanas ( células por dia/hab; 1/3 1/5 do peso das fezes = bactérias coliformes) (probabilidade de detecção muito superior a outros organismos) resistência ligeiramente superior à maioria das bactérias patogênicas (maus indicadores se morressem mais rapidamente que o agente patogênico amostra com ausência de coliformes poderia conter ainda patogênicos) (se taxa de mortalidade fosse muito lenta pouco utilidade, pois tornariam suspeitas águas já depuradas) mecanismos de remoção de coliformes (nas ETA e ETE) iguais as bactérias patogênicas técnicas bacteriológicas para detecção rápidas e baratas

24 Coliformes totais (CT) presente em fezes de animais de sangue quente, mas também em águas e solos não poluídos. Coliformes fecais (CF) bactérias originárias predominantemente no trato intestinal (teste é feito em temperaturas elevadas para supressão de bactérias não fecais) pode ser utilizado como parâmetro de avaliação da eficiência de processos de tratamento de água coliformes termotolerantes Escherichia coli (E. coli) principal bactéria do grupo de coliformes fecais (termotolerantes), abundantes nas fezes humanas e de animais garantia de contaminação exclusivamente fecal (mas não só humana testes bioquímicos sofisticados) detecção laboratorial simples

25 Forma física preponderante representada pelos parâmetros de qualidade Von Sperling, M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos, Vol. 1, DESA-UFMG (2005)

26 TRATAMENTO DE ÁGUA PARA CONSUMO HUMANO Ponto de vista tecnológico água de qualquer qualidade pode ser, teoricamente, transformada em água potável. custos envolvidos e a confiabilidade na operação e manutenção podem inviabilizar totalmente o uso de determinado curso d água como fonte de abastecimento relação intrínseca entre o meio ambiente e as tecnologias de tratamento função da qualidade da água de determinado manancial há tecnologias específicas para que o tratamento seja eficientemente realizado

27 somando os três sistemas João Penido, CDI (Distrito Industrial) e São Pedro, além das ETAs compactas (uma em Valadares e outra em Torreões): litros/segundo 4 Estações de Tratamento de Água (ETA): Dr. João Penido e Marechal Castelo Branco (Sistema João Penido), Walfrido Machado Mendonça (Sistema CDI) e São Pedro (Sistema São Pedro). poços profundos 6 *Dr. João Penido Filho - 9,7 km de extensão *Menelick de Carvalho 9,7 km de extensão *Terceira Adutora - 13,5 km de extensão Número de reservatórios: 69 Capacidade de armazenamento (total): m 3 Número de estações elevatórias (casas de bomba): 124

28 As impurezas contidas na água podem encontrar-se: -Em suspensão Suspensões grosseiras: vegetais, restos de folhas, sílicas facilmente capazes de flutuar ou sedimentar quando a água estiver em repouso. Suspensões finas: turbidez, bactérias, plâncton, etc. -Coloidais: cor, ferro e manganês oxidados, etc. -Dissolvidas: dureza, em parte sais de cálcio e magnésio, ferro e manganês não oxidados, etc.

29 TRATAMENTO DE ÁGUA POTÁVEL Etapas de purificação: 1) Desinfecção (pré-cloração; intercloração (filtração); pós-cloração) 2) Coagulação (partícula colóides) 3) Floculação (agrupamento das partículas por força mecânica) 4) Decantação 5) Filtração 6) Correção de ph 7) Fluoração (fluoretação)

30 TRATAMENTO DE ÁGUAS SUPERFICIAIS Primeira etapa remoção de material com maior tamanho através de barreiras físicas (grades) água que apresenta baixa turbidez pode ser tratada através da decantação direta (sem adição de substâncias químicas) e posterior filtração para remoção de partículas menores que não se decantam naturalmente Sedimentação forma mais antiga e comum de tratamento de águas usa a gravidade como agente de decantação responsável pela remoção do material particulado suspenso em água Processo simples de baixo custo e realizado em tanques de diferentes tamanhos e formas.

31 Sedimentação fenômeno físico no qual, em decorrência da ação da gravidade, as partículas suspensas apresentam movimento descendente em meio líquido de menor massa específica. qualquer partícula não coloidal suspensa em um meio líquido em repouso e de menor massa específica será acelerada pela ação da gravidade até que as forças de resistência viscosa e de deformação do líquido sejam iguais à resultante do peso efetivo da partícula. Água contendo material particulado flui lentamente para o tanque de decantação fica retida por um tempo suficiente para que as partículas maiores possam decantar para o fundo do tanque. Material que lentamente se deposita no fundo do tanque é removido mecanicamente.

32 Decantador vertical : retém partículas cuja a velocidade de sedimentação seja superior a velocidade ascendente do líquido (0,05-0,15 cm s -1 ) Decantador horizontal : partícula em suspensão sedimentará com uma velocidade constante e alcançará o fundo no tempo t (<1,25cm s -1 )

33 material de dimensões muito pequenas que não se decanta naturalmente percentualmente significativo das partículas presentes em águas superficiais são tão pequenas que demorariam dias ou até mesmo semanas para se decantarem naturalmente parte pode ser removido por filtração muitos casos necessário adição de agente químico para coagular e flocular as partículas com menor tamanho partículas de tamanho coloidal podem ser então removidas por decantação ou diretamente em filtros

34 Partículas coloidais entre 0,001 a 1 µm. Grupo de moléculas ou íons fracamente ligados entre si. muitos casos as unidades individuais de uma partícula coloidal estão organizadas no espaço de tal maneira que a superfície das partículas contem grupos aniônicos As cargas negativas da superfície da partícula repelem as partículas de sua vizinhança, impedindo sua agregação e posterior precipitação. A remoção de partículas coloidais é de vital importância vírus e bactérias perigosos que são resistentes a desinfecção posteriores.

35 COAGULAÇÃO É um procedimento físico e químico onde as partículas muito pequenas são desestabilizadas e então agregadas para que possam se decantar. Coagulantes: adicionados na água com a finalidade de reduzir as forças eletrostáticas de repulsão, que mantém separadas as partículas em suspensão, as coloidais e parcela das dissolvidas. Inicialmente agita-se rapidamente o sistema afim de aumentar a dispersão do coagulante. agitação lenta e contínua pode ser obtida através de pás movidas mecanicamente ou ainda por meio hidráulico através de direcionamento adequado do fluxo de água que entra no tanque de coagulação/floculação

36 Em seguida o sistema é agitado lentamente permitindo o contato entre as partículas no processo denominado floculação.

37 Por intermédio da ação combinada de processos químicos e físicos as partículas coloidais que não iriam se decantar são aglomeradas formando sólidos de maior tamanho chamado flocos. Mais utilizados: são o sulfato de alumínio e o cloreto férrico. Quando, por exemplo, o sulfato de alumínio é adicionado a água, o íon alumínio hidrolisa conforme: Al(H 2 O) HCO 3- Al(OH) 3(s) + 3CO 2 + 6H 2 O O hidróxido gelatinoso formado transporta o material suspenso.

38 Normalmente não é possível se obter uma solução totalmente clarificada apenas através do uso da decantação direta ou com a combinação com a coagulação/floculação. Necessário o uso da filtração na imensa maioria dos processos de tratamento. Filtração processo através do qual a água passa por um filtro que se constitui em uma camada de areia fina depositada sobre camadas de cascalho ou pedregulho. O mecanismo da filtração inclui a retenção de partículas maiores que os poros do filtro; floculação que ocorre quando as partículas são forçadas a se aproximarem do leito filtrante; e sedimentação das partículas nos poros do filtro. Com o passar do tempo os poros entopem e o filtro tem que ser limpo através de retrolavagem.

39 FILTRAÇÃO Os mecanismos responsáveis pela remoção de partículas durante a filtração com ação de profundidade são complexos e influenciados principalmente por características físicas e químicas das partículas da água e do meio filtrante, da taxa de filtração e do método de operação dos filtros. Considera-se a filtração como o resultado da ação de três mecanismos distintos: transporte, aderência e desprendimento. Partículas se movem nos vazios que tem dimensões que chegam a ser de 100 a 1000 vezes a tamanho deles. Tamanho dos grãos, geometria, área superficial, porosidade

40 DESINFECÇÃO Objetivo: destruir de microorganismos patogênicos ou não presentes na água. cloração ozonização As principais técnicas empregadas são: exposição da água à radiação ultravioleta

41 CLORAÇÃO Cl 2 + H 2 O H + + Cl - + HClO -os hipocloritos são mais seguros e mais fáceis de serem manuseados do que o cloro gasoso; -as duas espécies químicas formadas pelo cloro em água, HClO e ClO -, são conhecidas como cloro livre disponível; -na presença de amônia, pode formar monocloramina, dicloroamina e tricloroamina: NH 4+ + HClO NH 2 Cl (monocloroamina) + H 2 O + H + -as cloroaminas são chamadas de cloro combinado disponível.

42 Quando o cloro é aplicado na entrada da ETA (pré-cloração) temos os seguintes objetivos: -Limitar o desenvolvimento de microorganismos nos decantadores e filtros; -Melhorar as condições de coagulação, resultando em alguns casos na economia de coagulante; -Redução de teor de ferro e manganês

43 OZONIZAÇÃO O ozônio é um gás oxidante extremamente potente, reativo e instável. Estas características permitem tratar a água oxidação, precipitação e sanitização sem nenhum resíduo de ozônio após sua aplicação. Além disso, possibilita outras aplicações visando o meio ambiente: redução dos metais às suas formas insolúveis (normalização), quebra da cadeia dos hidrocarbonetos (dissociação) e solidificação dos compostos orgânicos dissolvidos, causando sua coagulação e precipitação (mineralização).

44 OUTROS MÉTODOS remoção de contaminantes orgânicos e inorgânicos da água destinada ao consumo humano requer, na maioria dos casos, um tratamento complementar. em função da forma com que se encontra um metal na água a ser tratada, ele poderá ou não requerer tratamento específico para a formação de seu precipitado, com o uso de oxidante em meio básico, ou então, o emprego de resinas trocadoras de cátions. remoção de substâncias orgânicas voláteis pode ser conseguida com aeração, enquanto algumas substâncias orgânicas necessitam de materiais absorvedores como o carvão ativado.

45 AERAÇÃO É comumente usada para melhoria da qualidade da água. Objetivo de remover gases dissolvidos (H 2 S) e compostos organossulfurados de odor fétido, além de compostos orgânicos voláteis. Aumento da concentração de OD oxida Fe 2+ solúvel para Fe 3+ que forma então hidróxidos insolúveis que podem ser removidos como sólidos.

46 PRECIPITAÇÃO E ADSORÇÃO Quando os metais presentes na água encontram-se em estado solúvel, sua remoção é conseguida ao aumentar o ph de modo a obter os precipitados dos mesmos. Para cada metal existe um valor de ph que otimiza a formação do precipitado, porém, para valores entre 9 e 10, a remoção é elevada, mesmo por sedimentação. Na maior parte dos casos tem-se a filtração em lugar da sedimentação pois geralmente o teor dos metais na água é relativamente baixo.

47 TRATAMENTO DA ÁGUA PARA USO INDUSTRIAL o principal uso industrial da água é a alimentação de caldeiras e água resfriada; o tratamento impróprio da água para o uso industrial pode causar problemas, como corrosão, formação de crostas, redução da transferência de calor em trocas de calor, redução do fluxo de água e contaminação do produto e esses efeitos podem causar redução na performance ou falha do equipamento, aumento do custo de energia devido à ineficiência da utilização do calor, ao aumento do custo para bombeamento da água e à deterioração do produto.

48 TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS Tratamento primário: remoção de partículas maiores incluindo areia e lodo o que permite o fluxo lento através de telas e ao longo de uma lagoa. Tratamento secundário: grande parte do material orgânico em suspensão, como aquele realmente dissolvido na água, é biologicamente oxidado por microorganismos até CO 2 e H 2 O, ou convertido em lodo adicional que pode ser removido com facilidade. Tratamento terciário: remoção de produtos químicos específicos.

49 TRATAMENTO TERCIÁRIO Pode incluir alguns ou todos os seguintes processos: -redução de DBO por remoção da maior parte do material coloidal remanescente, usando sais de alumínio -remoção de compostos orgânicos dissolvidos e de alguns metais pesados, mediante sua adsorção ao carvão ativado, sobre o qual a água flui -remoção de fosfatos, normalmente por meio de sua precipitação -remoção de metais pesados pela adição de íons hidróxido ou sulfeto para formar hidróxidos ou sulfetos metálicos insolúveis -remoção de ferro por aeração efetuada a um ph elevado

50 DESSALINIZAÇÃO Os íons inorgânicos podem ser removidos da água por meio do uso de uma das técnicas listadas a seguir: -Osmose reversa -Eletrodiálise -Troca iônica ATIVIDADE: Descreva cada uma das técnicas.

51 DIAGRAMA

52 Lixo jogado no rio aponta necessidade de campanha Fonte: Tribuna de Minas, 8/8/2010