I-135 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA OPERADAS POR COMPANHIA ESTADUAL DE SANEAMENTO E AUTARQUIAS MUNICIPAIS

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1 I-135 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA OPERADAS POR COMPANHIA ESTADUAL DE SANEAMENTO E AUTARQUIAS MUNICIPAIS Josie de Fátima Alves Almeida (1) Engenheira Civil pela Escola de Engenharia da UFMG e bolsista de iniciação científica da FAPEMIG Mônica Viana Engenheira Civil (UFMG), Engenheira da Sanag Engenharia de Saneamento e mestranda do Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG Marcelo Libânio Engenheiro Civil e Mestre em Engenharia Sanitária (UFMG), Doutor em Hidráulica e Saneamento (USP) e Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos da UFMG Endereço (1) : Av. Contorno, andar - Centro - Belo Horizonte - MG - CEP: Brasil - Tel: (31) mlibanio@ehr.ufmg.br RESUMO Diversos fatores interferem no desempenho das estações de tratamento de água, destacando-se as características da água bruta, a dosagem e o tipo dos produtos químicos utilizados na coagulação, os parâmetros hidráulicos concernentes aos processos e operações unitárias e a acuidade da operação. Devido a esta amplitude, a análise do desempenho das estações de tratamento de água é freqüentemente realizada de forma reducionista dificultando a comparação entre as distintas unidades, fazendo com que esta avaliação atenha-se quase tão-somente ao atendimento do padrão de potabilidade estabelecido pela Portaria 518/2004. Em vista disto, o presente trabalho consiste em avaliar o desempenho de dezesseis estações de tratamento de água de diferentes portes e tecnologia convencional de potabilização operadas por companhia estadual de saneamento e autarquias municipais -, utilizando dados diários de operação representativos dos períodos seco e chuvoso referentes aos anos de 2000,2002 e Como balizador da eficiência das estações de tratamento considerou-se a turbidez da água filtrada, avaliando-se a influência da turbidez da água bruta e de alguns parâmetros hidráulicos inerentes às etapas de floculação, decantação e filtração. O trabalho concluiu que os distintos modelos gerenciais dos sistemas de abastecimento de água não foram determinantes na performance das estações e que esta não está necessariamente relacionada à sobrecarga. No que tange ao atendimento à recomendação da Portaria 518/2004, em termos da produção de água filtrada com turbidez inferior a 0,5 ut, esta premissa não é obedecida pela maioria significativa das estações amostradas, verificando-se, conforme mencionado, melhoria no período seco dos anos considerados. Como atenuante, a ausência de correlação entre a turbidez da água bruta e filtrada, nos dois períodos, constitui bom indicativo da performance do conjunto das estações amostradas. Por fim, o trabalho conclui que a avaliação das estações de tratamento no período chuvoso parece mais acurada ou, em outras palavras, quando aflui à unidade de tratamento água bruta de pior qualidade torna-se mais evidentes eventuais limitações operacionais ou de outra natureza. Desta forma, estudos similares podem-se fiar tão-somente nos dados operacionais do período chuvoso. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de água, avaliação de estações, operação de estações. INTRODUÇÃO A análise do desempenho das estações de tratamento de água é avaliada freqüentemente no meio técnico de forma reducionista dificultando desta forma a comparação entre as distintas unidades, devido à amplitude dos fatores intervenientes, fazendo com que esta avaliação atenha-se quase tão-somente ao atendimento ao padrão de potabilidade estabelecido pela Portaria 518/ Como fatores intervenientes no desempenho destacamse as características da água bruta, a dosagem e o tipo dos produtos químicos utilizados na coagulação, os parâmetros hidráulicos concernentes aos processos e operações unitárias e a acuidade da operação. 1 MINISTÉRIO DA SAÚDE Normas e Padrões de Potabilidade de Águas Destinadas ao Consumo Humano, Portaria 518, março de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Considerando a turbidez da água filtrada como indicador da performance - especialmente na remoção de protozoários -, realizou-se uma pesquisa enfocando 75 estações de tratamento de água do estado norteamericano da Pennsylvania 2, com o objetivo de identificar os fatores intervenientes na eficiência da potabilização. A avaliação balizou-se principalmente nos seguintes parâmetros: magnitude da população abastecida, emprego e tipo de coagulante, taxa de filtração e tipo de meio filtrante, tipo de manancial, tecnologia de tratamento e idade da estação. A turbidez da água filtrada norteou a avaliação da eficiência das estações a despeito de algumas limitações tais como, a desuniformidade na calibração e na manutenção de distintos equipamentos, os pontos e a freqüência das amostragens, embora neste último caso a legislação daquele Estado recomende um intervalo máximo de 4 horas entre as coletas. Visando minimizar tais limitações e atender à legislação vigente, os dados de turbidez efluente das estações, referentes a 11 anos de operação, foram analisados considerando o 95 o percentil, enfocando a média anual e o valor máximo mensal registrado nas respectivas instalações potabilizadoras. Por fim, desta pesquisa depreende-se que fatores usualmente considerados mais relevantes no desempenho das estações de tratamento características da água bruta, parâmetros hidráulicos da instalação e tipo de coagulante adquirem igual relevância quando cotejados a fatores intangíveis, tais como à adequada operação e ao comprometimento da equipe na consecução do objetivo de produzir água de melhor qualidade. Desta forma, neste estudo também a turbidez da água filtrada foi considerada como balizador da eficiência das estações, avaliando-se a influência da turbidez da água bruta e de alguns parâmetros hidráulicos inerentes às etapas de floculação, decantação e filtração. OBJETIVO Em visto desta ampla gama de fatores, o objetivo do presente trabalho consistiu em avaliar o desempenho de dezesseis estações de tratamento de água operadas por companhia estadual, autarquias municipais e prefeituras. Para isto foram utilizados dados diários de operação representativos dos períodos chuvoso, janeiro a março, e seco, junho a agosto, referentes aos anos de 2000, 2002 e METODOLOGIA Descrição das estações de tratamento de água A amostra utilizada para o este estudo compôs-se de dezesseis estações de tratamento de água de diferentes portes e tecnologia convencional de potabilização. Todas as unidades eram dotadas de medidores Parshall para mistura rápida, floculadores hidráulicos ou mecanizados, decantadores de alta taxa ou de escoamento horizontal e filtros de simples ou dupla camada. Uma única estação era dotada de filtros de escoamento ascendente e sete estações eram pré-fabricadas, das quais três em fibra de vidro, três em aço e uma em concreto. Análise dos dados operacionais A partir dos dados operacionais diários de cada estação determinaram-se as médias diárias de vazão, turbidez da água bruta, decantada e filtrada, quando disponibilizados pela estação em estudo. Os parâmetros hidráulicos envolvidos no estudo - tempo de floculação, velocidade de sedimentação e taxas de filtração - foram obtidos por meio das características físicas de cada estação e da vazão média afluente. A comparação de tais parâmetros com os estabelecidos pela ABNT 3 possibilitou a verificação do índice de sobrecarga em cada unidade da estação. Posteriormente, tais dados foram analisados mediante algumas técnicas estatísticas disponíveis. Em primeira etapa elaboraram-se gráficos de box plotter e associação entre variáveis, com utilização de médias geométricas para a turbidez da água bruta, devido à ampla variação; e aritméticas de cada parâmetro envolvido. 2 LUSARDI, P. J. & CONSONERY, P. J. Factors affecting filtered water turbidity, Journal of American Water Works Association, n.12, vol. 91, p.28-40, December ABNT - Projeto de Estação de Tratamento de Água para Abastecimento Público, NBR 12216, Rio de Janeiro, ABNT, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Tabela 1 são apresentadas as estações amostradas e seus respectivos parâmetros hidráulicos - calculados para a vazão média afluente -, e as médias de alguns dados operacionais. Na mesma estão assinalados em negrito os parâmetros hidráulicos de cada estação que não atendem às premissas estabelecidas pela ABNT e os valores de turbidez filtrada inferior a 0,5 ut. De acordo com a Tabela 1, os parâmetros hidráulicos não apontaram significativa sobrecarga, à exceção da taxa de filtração para estação 7. Assumiu-se que a totalidade dos parâmetros não foi determinada por intermédio da realização de ensaios em unidades-piloto, como usualmente ocorre na construção das estações de tratamento de água do País. Vale ressaltar a determinação de médias geométricas para água bruta, uma vez que tal parâmetro é passível de apresentar amplo espectro de variação. Tabela 1: Características e dados operacionais das estações amostradas na pesquisa Turbidez da Estação de Turbidez da Turbidez da Água Vazão Tratamento Água Bruta Água Decantada (L/s) de Água (ut) Filtrada (ut) (ut) Tempo de Floculação (min) Velocidade de Sedimentação (cm/min) Taxa de Filtração (m 3 /m 2.dia) Camada Filtrante 1 47,51 3,26 0, ,66 2,71 252,64 Simples 2 46,08 2,26 0, ,83 1,32 119,42 Simples 3 16,76 1,96 0, ,35 4,28 166,90 Dupla 4 8,42 * 0, ,17 2,42 131,68** Simples 5 27,39 * 1, ,34 2,34 192,78 Simples 6 4,15 * 0, ,83 2,85 208,47 Simples 7 21,31 * 0, ,45 1,87 457,29 Simples 8 21,24 1,39 0, ,42 2,10 126,75 Simples 9 14,68 * 0, ,66 3,05 285,12 Simples 10 9,38 2,59 0, ,09 0,78 244,33 Dupla 11 7,04 2,04 0, ,61 0,60 374,24 Dupla 12 16,62 6,95 0, ,70 1,51 251,06 Dupla 13 15,68 5,41 0, ,63 215,35 Dupla 14 60,87 3,81 0, ,67 1,79 346,15 Dupla 15 17,09 3,75 0, ,92 0,28 234,95 Dupla 16 21,96 4,09 1, ,50 1,19 341,03 Dupla * Dados operacionais indisponíveis ** Filtros de escoamento ascendente Inicialmente, a análise dos dados operacionais consistiu de inferir as variações, a partir da mediana, da turbidez da água filtrada durante os períodos amostrados, apresentadas nas figuras 1 e 2, respectivamente. Figuras 1 e 2 Mediana e distribuição dos valores de turbidez da água filtrada referentes aos períodos chuvoso e seco ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Da análise das figuras 1 e 2 depreende-se que a maior amplitude de variação da turbidez da água tratada, no que se refere ao 3º quartil no período seco, foi verificada na estação 5, cuja máxima foi de 25 ut. Da mesma, em mais de 25% das médias aritméticas diárias, efluiu água filtrada com turbidez superior a 5 ut, não atendendo às recomendações da Portaria 518. Nesta estação, no período chuvoso e apesar da pequena variação da turbidez da água filtrada, 25% dos dados foram superiores a 1 ut. Observa-se, na Tabela 1, que a estação 5 praticamente não apresenta sobrecarga (apenas 7,1% nos filtros) podendo, possivelmente, estar ocorrendo o traspasse devido ao mau estado do meio filtrante. Adicionalmente, a estação 11 também apresentou uma sobrecarga na ordem de 4% na unidade de filtração (filtros de dupla camada), todavia com turbidez da água filtrada inferior a 0,5 ut. Tal fato talvez seja decorrente principalmente da maior acurácia operacional da estação 11. A comparação das figuras 1 e 2 de mostra que no período chuvoso as limitações das unidades de tratamento operacionais, hidráulicas e de outra natureza tornam-se mais evidentes. Como não poderia deixar de ser, não há uma única estação que apresente bom desempenho no período chuvoso que não se manifeste também no período de estiagem. A partir das variações diárias da turbidez da água filtrada foi possível avaliar a eficiência de cada estação, no sentido de quanto tempo estas unidades produziram efluente filtrado com turbidez inferior a 1,0 ut; 0,5 ut e 0,3 ut, respectivamente. Os dois primeiros limites referem-se à mencionada Portaria 518/2004 e o limite de 0,3 ut é atualmente o valor máximo permissível nos EUA, com recomendação de 0,1 ut para maximizar remoção de protozoários. Mediante tal comparação conclui-se que, apesar da maioria das unidades de tratamento atender ao padrão de potabilidade brasileiro, são pouco significativos os resultados obtidos no que concerne ao intento de remoção de protozoários, quer para o limite 0,5 ut quer para 0,3 ut. Tais constatações evidenciam-se após análise dos gráficos das figuras 3 e 4. Eficiências das ETA's (Período Chuvoso) Eficiências das ETA's (Período Seco) 10 0, Eficiência (%) Eficiência (%) ,0 0 10,0 0 ETA'S ETA's Turbidez < 1,0 ut Turbidez < 0,5 ut Turbidez < 0,3 ut Turbidez < 1,0 ut Turbidez < 0,5 ut Turbidez < 0,3 ut Figura 3 e 4 Eficiências das estações segundo a turbidez da água filtrada para os períodos chuvoso e seco A partir da análise conjunta das figuras 1 a 4 vale destacar a excelente performance, inclusive para os padrões internacionais, das estações 2, 8 e 10. Deve-se registrar a boa performance da estação 9 por ser a única a apresentar sobrecarga na floculação, decantação e filtração. Em uma segunda fase, objetivando a comparação do desempenho das estações no que tange às etapas de coagulação, floculação e decantação, elaboraram-se diagramas de dispersão relacionando, para cada estação e período amostrado, a média aritmética da turbidez da água filtrada e a média geométrica da turbidez da água decantada para cada estação, conforme as figuras 5 e 6. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Período chuvoso Período seco 1,20 1,20 6 0,80 0,60 0,40 0, ,80 0,60 0,40 0, ,00 4,00 6,00 8, ,00 14,00 Turbidez decantada (ut) 2,00 4,00 6,00 8, ,00 14,00 Turbidez decantada (ut) Figura 5 e 6 Diagramas de dispersão referentes aos períodos chuvoso e seco A comparação do desempenho das estações durante o período chuvoso destaca a eficiência da unidade de filtração da estação 12 com velocidade de aproximação superior a 250 m/dia -, uma vez que à mesma afluiu água decantada com turbidez média de 13 ut e efluiu água filtrada com turbidez média inferior a 0,5 ut. No período seco a mesma estação continua a apresentar um bom desempenho, porém com uma significância menor que no período chuvoso, uma vez que a turbidez decantada que aflui ao filtro é da ordem de 2 ut. Vale ressaltar uma observação a respeito da estação 16, uma vez que devido à indisponibilidade de dados no período seco, não apresenta resultados consistentes a respeito desta comparação. Esta constatação reforça a importância da etapa de filtração, principalmente diante de limitações operacionais. Posteriormente a inserção de parâmetros hidráulicos na análise permitiu avaliar a, possível, influência da sobrecarga no desempenho das unidades. Desta forma, visando avaliar a conseqüência de maior aporte de partículas às unidades filtrantes decorrente da velocidade de sedimentação - foi elaborado o gráfico de dispersão apresentado na Figura 7. Procedimento similar foi realizado para os demais parâmetros hidráulicos inerentes ao tratamento. 3,00 2,50 2,00 1,50 6 0,50 1 ETA ,50 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 Velocidade de sedimentação (cm/min) Periodo chuvoso Periodo seco Figura 7 - Diagrama de dispersão para as variáveis velocidade de sedimentação e turbidez filtrada referente ao total dos dados amostrais A partir da Figura 7 percebe-se que não foi detectada no universo amostral relação causal entre as maiores velocidades de sedimentação e a perspectiva de traspasse através das unidades filtrantes, constatação testificada pela performance das estações 3 ainda que favorecida pela menor taxa de filtração -, 5 e 16. As três linhas verticais reportam-se aos limites estabelecidos pela ABNT no que concerne a velocidade de sedimentação máxima a ser adotada na ausência de ensaios em função da magnitude da vazão. Este parâmetro ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 apresenta limites de 1,74 cm/min (Q < 11,3 L/s), 2,43 cm/min (11,3 < Q < 113 L/s) e 2,78 cm/min (Q > 113 L/s). Outro parâmetro hidráulico que deve ser analisado refere-se ao tempo de floculação. De acordo com a Figura 8, pode-se concluir que apesar das estações 1 e 9, tanto no período seco quanto chuvoso, apresentarem tempo inferior ao preconizado pela ABNT, não houve prejuízo em relação aos seus desempenhos. 3,00 2,50 2,00 1,50 6 0, Tempo de Floculação (min) Período chuvoso Período seco Figura 8 - Diagrama de dispersão para as variáveis tempo de floculação e turbidez filtrada referente ao total dos dados amostrais Já as estações 5 e 16, apesar de apresentarem valores de tempo de floculação entre os limites preconizados pela ABNT, produziram efluente com turbidez maior que 1uT, isto provavelmente seja decorrente da não sedimentabilidade dos flocos no decantador ou ainda a um problema no filtro, que pode estar trabalhando com sobrecarga. Novamente, as linhas verticais representam os limites inferiores preconizados pela ABNT para unidades hidráulicas (20 min) e mecanizadas (30 min). Por fim, foram realizadas diversas análises de correlação entre as quais, turbidez da água decantada e filtrada, vazão afluente e turbidez da água decantada e filtrada. Não foram identificadas correlações significativas para nenhuma das estações amostradas, indicando que, de modo geral, não há nenhuma anomalia no desempenho das estações amostradas. CONCLUSÕES Apesar das limitações do tamanho do universo amostral e do fato da pesquisa não abarcar as características da água bruta, pode-se concluir: i) Os distintos modelos gerenciais dos sistemas de abastecimento de água companhia estadual e autarquias municipais não foram determinantes na performance das estações e que esta não está necessariamente relacionada à sobrecarga. Neste contexto o desempenho da estação 3 é paradigmático e corrobora os resultados obtidos na Pensylvannia. Em contrapartida, distintamente do que se verificou naquela amostragem de 75 estações, estações de maior porte não apresentaram melhor desempenho, pois os coeficientes de determinação (R 2 ) entre vazão afluente e turbidez média da água filtrada foram insignificantes. ii) Apesar de algumas controvérsias a turbidez filtrada ainda é considerado parâmetro dos mais relevantes como indicador da qualidade da água tratada. Nesta premissa, a recomendação da Portaria 518/2004, em termos da produção de água filtrada com turbidez inferior a 0,5 ut, ainda não é obedecida pela maioria significativa das estações amostradas, verificando-se, conforme mencionado, melhoria no período seco dos ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 anos considerados. Como atenuante à assertiva anterior, há o fato de em dois dos anos amostrados (2000 e 2002) vigia a Portaria 36/1990 na qual não constava esta recomendação. iii) A ausência de correlação entre a turbidez da água bruta e filtrada, nos dois períodos, constitui bom indicativo da performance do conjunto das estações amostradas. iv) Por fim, a avaliação das estações de tratamento no período chuvoso parece mais acurada ou, em outras palavras, quando aflui à unidade de tratamento água bruta de pior qualidade torna-se mais evidentes eventuais limitações operacionais ou de outra natureza. Desta forma, estudos similares podem-se fiar tão-somente nos dados operacionais do período chuvoso. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7