Comparação entre os meios filtrantes areia e nãotecido sintético na eficiência da filtração lenta para tratamento de água

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FLAVIA FERREIRA DE SOUZA DOS SANTOS

COMPARAÇÃO ENTRE OS MEIOS FILTRANTES

AREIA E NÃOTECIDO SINTÉTICO NA EFICIÊNCIA DA

FILTRAÇÃO LENTA PARA TRATAMENTO DE ÁGUA

Campinas

2015

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Agrícola

FLAVIA FERREIRA DE SOUZA DOS SANTOS

“COMPARAÇÃO ENTRE OS MEIOS FILTRANTES AREIA E

NÃOTECIDO SINTÉTICO NA EFICIÊNCIA DA FILTRAÇÃO

LENTA PARA TRATAMENTO DE ÁGUA”

Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Doutora em Engenharia Agrícola, na Área de Água e Solo.

Orientador: Prof. Dr. JOSÉ EUCLIDES STIPP PATERNIANI Co-orientador: Dr. TÚLIO ASSUNÇÃO PIRES RIBEIRO

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA FLAVIA FERREIRA DE SOUZA DOS SANTOS, E ORIENTADA PELO PROF. DR. JOSÉ EUCLIDES STIPP PATERNIANI.

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CAMPINAS 2015

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vii RESUMO

O nãotecido sintético é um material de fácil obtenção e baixo custo, cujo uso na filtração lenta juntamente com areia acarretou em resultados satisfatórios, em termos de qualidade de água produzida e facilidade de operação. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar o desempenho de um filtro lento com meio filtrante constituído exclusivamente por nãotecido sintético em diferentes espessuras e compará-lo ao desempenho de um filtro lento de areia tradicional. Construiu-se um sistema piloto de filtração em que os dois filtros lentos operavam em paralelo sob influência de três taxas de filtração (3, 6 e 9 m3.m-2.dia-1). No decorrer das carreiras de filtração foram monitorados a evolução da perda de carga de cada filtro, os parâmetros físico-químicos e bacteriológicos da água bruta e água tratada pelo filtro de areia e por cada uma das 12 espessuras (entre 1 e 40 cm) do filtro de nãotecido. O filtro lento de nãotecido proporcionou carreiras de longa duração, quando comparado ao filtro de areia, além de reduzir a frequência e a complexidade do processo de limpeza do filtro. A formação da schmutzdecke foi observada na camada superficial do filtro de nãotecido, o qual teve período de amadurecimento semelhante ao filtro de areia, aproximadamente 15 dias. O desempenho satisfatório do filtro lento de nãotecido abrangeu as três taxas de filtração avaliadas. Em termos de remoção de cor aparente e turbidez da água bruta, atendeu os padrões de potabilidade de água designados pela legislação vigente. E, em termos de remoção de bactérias heterotróficas, coliformes totais e E. coli, o filtro de nãotecido alcançou eficiência superior a 99,5%, estatisticamente similar ao filtro lento de areia. Os resultados obtidos indicam que a espessura ótima de nãotecido sintético para remoção de cor aparente e turbidez da água seria de 25 cm, e sugerem que a espessura de 15 cm de nãotecido seria suficiente para remoção de bactérias, com possibilidade de emprego de taxa de filtração considerada elevada para o tratamento por filtração lenta (9 m3.m-2.dia-1). Desta forma, concluiu-se que o meio filtrante constituído exclusivamente por nãotecido sintético de 25 cm de espessura tem potencial para substituir a areia no tratamento de água por filtração lenta, uma vez que obteve desempenho similar ao filtro lento de areia, além de simplificar os procedimentos operacionais e de manutenção do filtro.

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ix ABSTRACT

Non-woven synthetic fabric is an easily available and low-cost material which has brought satisfactory results in terms of both the quality of produced water and its operational value. The aim of this research is to assess the performance of a slow filter made up exclusively of non-woven synthetic fabrics of a number of different thicknesses and to compare it to that of a traditional sand filter. A pilot filtering system was built where the two slow filters operate in a parallel way under the influence of three filtering rates (3, 6 and 9 m3.m-2.d-1). Along the filtering runs the evolution of the headloss and the physical-chemical and bacteriological parameters of both raw water and water treated through the 12 thicknesses (ranging from 1 to 40 cm) of non-woven were monitored as well as that filtered through sand. The slow non-non-woven filter yielded long-term runs when compared to the sand filter, as well as reducing the frequency and complexity of the filter’s cleaning process. The formation of schmutzdecke was observed on the superficial layer of non-woven filter, a process which had a similar maturing period to that of the sand filter, approximately 15 days. The satisfactory performance of the slow non-woven synthetic fabric filter covered all three filtering rates. In terms of the removal of apparent color and turbidity of raw water it met the drinkability standards set by the existing legislation. In terms of the removal of heterotrophic bacteria, total coliform and E. coli the non-woven filter obtained an efficiency level above 99,5%, statistically similar to the slow sand filter. The results indicate the optimal thickness of non-woven synthetic fabric for apparent colour and turbidity removal to be 25 cm, and suggest that a 15cm thickness would be enough to remove, with the possibility of using filtering rates considered elevated by slow filtering treatment standards (9 m3.m-2.d-1). Therefore, it concludes that the filter medium constituted exclusively of 25-cm-thick non-woven synthetic fabric has the potential to substitute sand in slow-filtering water treatment once it has obtained similar performance to the slow sand filter.

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xi SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1. JUSTIFICATIVA ... 2 1.2. OBJETIVOS ... 2 1.2.1. Objetivo Geral ... 2 1.2.2. Objetivos Específicos ... 2 2. REVISÃO DE LITERATURA ... 4

2.1. Tratamento de água para comunidades pequenas e rurais ... 4

2.2. Filtração lenta ... 5

2.2.1. Mecanismos de remoção de impurezas ... 7

2.2.2. Parâmetros construtivos do filtro lento de areia ... 9

2.2.3. Limitações e avanços da filtração lenta em areia ... 10

2.3. Nãotecido sintético ... 11

2.3.1. Propriedades do nãotecido sintético ... 12

2.3.2. Utilização de nãotecidos sintéticos no tratamento de água... 13

3. METODOLOGIA ... 17

3.1. 1ª ETAPA: Caracterização da água bruta ... 18

3.2. 2ª ETAPA: Construção do sistema piloto de filtração ... 21

3.2.1. Construção do pré-filtro ascendente ... 21

3.2.2. Construção da caixa de distribuição ... 22

3.2.3. Construção do filtro lento de areia ... 23

3.2.4. Construção do filtro lento de nãotecido sintético ... 26

3.2.5. Construção do quadro piezométrico ... 28

3.3. 3ª ETAPA: Operação do sistema de filtração lenta ... 29

4. ANÁLISE DE DADOS ... 33

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 35

5.1. Caracterização da água bruta ... 35

5.1. Caracterização da areia ... 38

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5.3. Evolução da perda de carga e duração das carreiras de filtração... 43

5.4. Ensaios com taxa de filtração de 3 m3.m-2.dia-1 ... 48

5.4.1. Parâmetros físico-químicos – 3 m3.m-2.dia-1 ... 48

5.4.2. Parâmetros bacteriológicos – 3 m3.m-2.dia-1 ... 54

5.4.3. Comparação com o meio filtrante areia – 3 m3.m-2.dia-1 ... 68

5.4.4. Considerações finais – Ensaios com taxa de filtração de 3 m3.m-2.dia-1 ... 74

5.7. Comparação entre as taxas de filtração ... 118

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 124

6.1. Condições de ensaio: água bruta, meios filtrantes e operação ... 124

6.2. Espessuras do nãotecido sintético e qualidade da água tratada ... 125

6.3. Taxas de filtração e espessuras de nãotecido sintético ... 127

6.4. Parâmetros operacionais: recomendações ... 128

7. CONCLUSÕES ... 130

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 133

APÊNDICE A – Resultados dos parâmetros físico-químicos – Taxa de filtração de 3 m/dia .... 139

APÊNDICE B – Resultados dos parâmetros físico-químicos – Taxa de filtração de 6 m/dia .... 148

APÊNDICE C – Resultados dos parâmetros físico-químicos – Taxa de filtração de 9 m/dia .... 156

APÊNDICE D – Resultados dos parâmetros bacteriológicos – Taxa de filtração de 3 m/dia .... 163

APÊNDICE E – Resultados dos parâmetros bacteriológicos – Taxa de filtração de 6 m/dia ... 165

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APÊNDICE G – Análise estatística - ensaios com taxa de filtração de 3 m/dia ... 170 APÊNDICE H – Análise estatística - ensaios com taxa de filtração de 6 m/dia ... 174 APÊNDICE I – Análise estatística - ensaios com taxa de filtração de 9 m/dia ... 178

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Dedico ao amor de meus pais, Elza e Flávio. E aos meus amados sobrinhos, Rafaelli e Matheus.

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AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. José Euclides Stipp Paterniani por ter aceitado me orientar e por fazê-lo de forma tão dedicada, paciente e ética, com total apoio e incentivo.

Ao Prof. Dr. Tulio Assunção Pires Ribeiro pela co-orientação incentivadora e pelo total apoio e suporte no desenvolvimento prático desta pesquisa.

À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP pela bolsa de estudos concedida e pelo financiamento que permitiu o desenvolvimento do presente trabalho (Processo FAPESP No. 2011/09968-2).

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Ensino Superior - CAPES pela bolsa de estudos concedida.

Aos professores Dr. Ariovaldo José da Silva, Dra. Cassiana Maria Reganhan Coneglian, Dr. Denis Miguel Roston, Dr. Gerson Araújo de Medeiros e Dr. Marco Roberto Pires pelas sugestões apresentadas no exame de qualificação e defesa desta tese.

À Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP pela oportunidade e estrutura oferecidas. Aos docentes do Programa de Pós-Graduação e aos funcionários que contribuíram para o desenvolvimento desta pesquisa, especialmente Túlio A. P. Ribeiro, Giovani A. Brota, Gelson E. Silva e Rosa Helena Aguiar.

Ao Laboratório de Saneamento da Faculdade de Engenharia Civil da UNICAMP por permitir a realização de parte do procedimento experimental.

À Comissão de Pós-Graduação da FEAGRI pelo recurso financeiro concedido para a aquisição de material de consumo.

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À Ober S/A Indústria e Comércio pela doação da manta sintética não tecida.

Ao amigo Ézio Pereira da Costa Jr. e ao Prof. Dr. Marco Roberto Pires pelo auxílio concedido na construção do sistema de filtração. Às amigas Adriana Ribeiro Francisco e Camila Clementina Arantes, pelo grande apoio para a realização deste trabalho. E aos companheiros de pesquisa e toda equipe do laboratório, especialmente Samuel, Gabriela, Julyenne, Erika, Danielle, Monalisa e Ana Cristina pelo apoio e amparo em todas as ocasiões.

Aos meus preciosos familiares e amigos pela paciência, compreensão e apoio para a realização desse trabalho e pelos importantes momentos de descontração. Especialmente aos meus pais Elza e Flávio, sobrinhos Rafaelli e Matheus, e irmãos Rafael e Felipe; aos meus valiosos amigos de Limeira, incluindo as queridas Adhelaydes; ao tão querido Pedro Maguire e amigos da Vila Sta. Isabel; aos meus amigos do Maracatu Baque do Zé Limeira, queridos amigos da Biodanza e amigos do Coral Unicamp Zíper na Boca.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Fluxograma: Etapas da metodologia ... 18

Figura 2. Esquema de captação de água bruta ... 19

Figura 3. Caixa de distribuição: controle de vazão afluente aos filtros lentos ... 22

Figura 4. Curva granulométrica da areia utilizada no sistema de filtração ... 25

Figura 5. Filtro lento de nãotecido: pontos de amostragem ao longo da espessura do meio filtrante ... 26

Figura 6. Filtro lento de nãotecido sintético: etapas de preenchimento ... 27

Figura 7. Nãotecido sintético ... 27

Figura 8. Proteção dos filtros contra incidência de luz solar ... 29

Figura 9. Sistema piloto de filtração lenta ... 29

Figura 10. Curva granulométrica da areia grossa passada em peneira de 1 mm de abertura ... 39

Figura 11. Curva granulométrica da areia utilizada no sistema de filtração ... 41

Figura 12. Evolução da perda de carga... 44

Figura 13. Duração das carreiras de filtração para as diferentes taxas de filtração ... 45

Figura 14. Resultados dos parâmetros condutividade elétrica, OD e pH – 3 m3.m-2.dia-1 ... 48

Figura 15. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Dados de turbidez e cor aparente: 1º Ensaio – carreira 4 ... 49

Figura 18. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de turbidez e cor aparente para cada espessura de nãotecido e comparação com o VMP da Portaria Nº. 2914/11-MS ... 51

Figura 19. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de remoção de cor aparente e turbidez nas diferentes espessuras ... 52

Figura 20. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Quantificação de bactérias heterotróficas ... 56

Figura 21. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de bactérias heterotróficas para cada espessura de nãotecido ... 57

Figura 22. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de bactérias heterotróficas nas diferentes espessuras... 58

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Figura 24. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de coliformes totais para cada espessura de nãotecido... 61 Figura 25. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de coliformes totais nas diferentes espessuras ... 62 Figura 26. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Quantificação de Escherichia coli ... 64 Figura 27. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de Escherichia coli para cada espessura de nãotecido... 65 Figura 28. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de Escherichia coli nas diferentes espessuras ... 66 Figura 29. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Comparação entre espessura de 25 cm de nãotecido e areia: valores de turbidez da Carreira 7 – 2º ensaio. ... 68 Figura 30. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Comparação entre espessura de 20 cm de nãotecido e areia: valores de cor aparente da carreira 7 – 2º ensaio. ... 70 Figura 31. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Comparação entre espessura de 10 cm de nãotecido e areia: parâmetros bacteriológicos – carreira 8 ... 73 Figura 32. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 - Resultados dos parâmetros condutividade elétrica, OD e pH 75 Figura 33. Ensaios com taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Dados de turbidez e cor aparente: 1º Ensaio (carreira 9) ... 75 Figura 34. Ensaios com taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Dados de turbidez e cor aparente: 2º Ensaio (carreira 10) ... 76 Figura 35. Ensaios com taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Dados de turbidez e cor aparente: 3ª Ensaio (carreira 14) ... 76 Figura 36. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de turbidez e cor aparente ... 78 Figura 37. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de cor aparente e turbidez nas diferentes espessuras... 78 Figura 38. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Quantificação de contagem de bactérias heterotróficas ... 81 Figura 39. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de bactérias heterotróficas para cada espessura de nãotecido ... 82 Figura 40. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de bactérias heterotróficas nas diferentes espessuras... 83

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Figura 41. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Quantificação de coliformes totais ... 85 Figura 42. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de coliformes totais para cada espessura de nãotecido... 86 Figura 43. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de coliformes totais nas diferentes espessuras ... 86 Figura 44. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Quantificação de Escherichia coli ... 88 Figura 45. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de Escherichia coli para cada espessura de nãotecido... 89 Figura 46. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de Escherichia coli nas diferentes espessuras ... 90 Figura 47. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Comparação entre espessura de 25 cm de nãotecido e areia: valores de turbidez – carreira 14... 91 Figura 48. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Comparação entre espessura de 20 cm de nãotecido e areia: valores de cor aparente – carreira 9 ... 92 Figura 49. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Comparação entre espessura de 15 cm de nãotecido e areia: parâmetros bacteriológicos – carreira 9 ... 95 Figura 50. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 - Resultados dos parâmetros condutividade elétrica, OD e pH 96 Figura 51. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Dados de turbidez e cor aparente: 1º Ensaio (carreira 11) ... 97 Figura 52. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Dados de turbidez e cor aparente: 2º Ensaio (carreira 12) ... 97 Figura 53. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Dados de turbidez e cor aparente: 3º Ensaio (carreira 13) ... 98 Figura 54. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de turbidez e cor aparente ... 99 Figura 55. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de remoção de cor aparente e turbidez pelas diferentes espessuras ... 100 Figura 56. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Dados de contagem de bactérias heterotróficas... 102 Figura 57. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de bactérias heterotróficas... 104 Figura 58. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de bactérias heterotróficas nas diferentes espessuras... 105 Figura 59. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Dados de coliformes totais ... 106 Figura 60. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de coliformes totais para cada espessura de nãotecido... 107

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Figura 61. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de coliformes totais nas diferentes espessuras ... 108 Figura 62. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Dados de Escherichia coli ... 110 Figura 63. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Distribuição dos resultados de Escherichia coli para cada espessura de nãotecido... 111 Figura 64. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Medianas de eficiência de Escherichia coli nas diferentes espessuras ... 111 Figura 65. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Comparação entre espessura de 25 cm de nãotecido e areia: valores de turbidez – carreira 13... 113 Figura 66. Taxa 9 m3.m-2.dia-1 – Comparação entre espessura de 20 cm de nãotecido e areia: valores de cor aparente – carreira 13 ... 114 Figura 67. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Comparação entre espessura de 15 cm de nãotecido e areia: parâmetros bacteriológicos – carreira 13 ... 116 Figura 68. Resposta de remoção de turbidez em função das diferentes taxas de filtração e espessuras de nãotecido ... 118 Figura 69. Resposta de remoção de cor aparente em função das diferentes taxas de filtração e espessuras de nãotecido ... 119 Figura 70. Resposta de remoção de bactérias heterotróficas em função das diferentes taxas de filtração e espessuras de nãotecido ... 120 Figura 71. Resposta de remoção de coliformes totais em função das diferentes taxas de filtração e espessuras de nãotecido ... 121 Figura 72. Resposta de remoção de E. coli em função das diferentes taxas de filtração e espessuras de nãotecido ... 121 Figura 73. Medianas de eficiências alcançadas com cada taxa de filtração e espessura de 25 cm de nãotecido ... 122

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Parâmetros de projetos de construção de filtros lentos (Libânio, 2008) ... 9 Tabela 2. Parâmetros de qualidade de água e métodos utilizados ... 20 Tabela 3. Composição do meio granular do pré-filtro ascendente (adaptado de Di Bernardo et al., 1999) ... 21 Tabela 4. Altura h do orifício à lâmina d’água para as diferentes taxas de filtração ... 23 Tabela 5. Especificações dimensionais do filtro lento de areia (adaptado de Di Bernardo et al., 1999) ... 23 Tabela 6. Especificações do nãotecido sintético ... 28 Tabela 7. Descrição dos ensaios de filtração realizados ... 30 Tabela 8. Características da água bruta proveniente do reservatório do Campo Experimental da FEAGRI-UNICAMP ... 36 Tabela 9. Características da água bruta proveniente do lago da Divisão de Meio Ambiente da UNICAMP ... 36 Tabela 10. Interferência da temperatura nas características da água bruta ao longo dos ensaios . 38 Tabela 11. Ensaio granulométrico da areia grossa passada em peneira de 1 mm de abertura ... 39 Tabela 12. Ensaio granulométrico da areia grossa passada em peneira de 1 mm e 0,075 mm de abertura ... 40 Tabela 13. Propriedades do nãotecido sintético ... 42 Tabela 14. Duração da carreira de filtração para os diferentes meios filtrantes ... 43 Tabela 15. Equação exponencial de evolução da perda de carga para os filtros de nãotecido com carreiras interrompidas forçadamente ... 43 Tabela 16. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Valores de máximos, médios e mínimos de cor e turbidez da água bruta ... 54 Tabela 17. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Quantidades máxima, média é mínima de bactérias heterotróficas na água bruta ... 59 Tabela 18. Eficiências de remoção de coliformes totais pelas diferentes espessuras de nãotecido – 3 m3.m-2.dia-1 ... 62

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Tabela 19. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Quantidades máximas, médias e mínimas de coliformes totais na água bruta ... 63 Tabela 20. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 - Comparação do terceiro quartil das espessuras com mesmos valores de mediana para E. coli ... 66 Tabela 21. Eficiências de remoção de E. coli pelas diferentes espessuras de nãotecido - 3 m3.m

-2

.dia-1 ... 67 Tabela 22. Taxa de 3 m3.m-2.dia-1 – Quantidades máximas, médias e mínimas de E.coli na água bruta ... 67 Tabela 23. Eficiências de remoção de turbidez e cor aparente pelos diferentes filtros lentos – 3 m3.m-2.dia-1 ... 71 Tabela 24. Eficiências de remoção de bactérias pelos diferentes filtros lentos – 3 m3.m-2.dia-1 ... 71 Tabela 25. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Valores de máximos, médios e mínimos de cor e turbidez da água bruta ... 80 Tabela 26. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Quantidades máxima, média é mínima de bactérias heterotróficas na água bruta ... 84 Tabela 27. Eficiências de remoção de coliformes totais pelas diferentes espessuras de nãotecido – 6 m3.m-2.dia-1 ... 87 Tabela 28. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Quantidades máximas, médias e mínimas de coliformes totais na água bruta ... 87 Tabela 29. Eficiências de remoção de E. coli totais pelas diferentes espessuras de nãotecido – 6 m3.m-2.dia-1 ... 90 Tabela 30. Taxa de 6 m3.m-2.dia-1 – Quantidades máximas, médias e mínimas de E. coli na água bruta ... 91 Tabela 31. Eficiências de remoção de turbidez e cor aparente pelos diferentes filtros lentos – 6 m3.m-2.dia-1 ... 93 Tabela 32. Eficiências de remoção de bactérias pelos diferentes filtros lentos – 6 m3.m-2.dia-1 ... 94 Tabela 33. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Valores de máximos, médios e mínimos de cor e turbidez da água bruta ... 101 Tabela 34. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Quantidades máxima, média é mínima de bactérias heterotróficas na água bruta ... 105

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Tabela 35. Eficiências de remoção de coliformes totais pelas diferentes espessuras de nãotecido – 9 m3.m-2.dia-1 ... 108 Tabela 36. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Quantidades máximas, médias e mínimas de coliformes totais na água bruta ... 109 Tabela 37. Eficiências de remoção de E. coli totais pelas diferentes espessuras de nãotecido – 9 m3.m-2.dia-1. ... 112 Tabela 38. Taxa de 9 m3.m-2.dia-1 – Quantidades máximas, médias e mínimas de E. coli na água bruta ... 112 Tabela 39. Eficiências de remoção de turbidez e cor aparente pelos diferentes filtros lentos – 9 m3.m-2.dia-1 ... 114 Tabela 40. Eficiências de remoção de bactérias pelos diferentes filtros lentos – 9 m3.m-2.dia-1 . 115 Tabela 41. Resultados de temperatura – 3 m/dia ... 139 Tabela 42. Resultados de oxigênio dissolvido – 3 m/dia ... 140 Tabela 43. Resultados de pH – 3 m/dia ... 141 Tabela 44. Resultados de condutividade elétrica – 3 m/dia ... 142 Tabela 45. Resultados de cor aparente – 3 m/dia ... 143 Tabela 46. Resultados de turbidez – 3 m/dia ... 145 Tabela 47. Resultados de temperatura – 6 m/dia ... 148 Tabela 48. Resultados de oxigênio dissolvido - 6 m/dia ... 149 Tabela 49. Resultados de pH – 6 m/dia ... 150 Tabela 50. Resultados de condutividade elétrica – 6 m/dia ... 151 Tabela 51. Resultados de cor aparente – 6 m/dia ... 152 Tabela 52. Resultados de turbidez – 6 m/dia ... 154 Tabela 53. Resultados de temperatura - 9 m/dia ... 156 Tabela 54. Resultados de oxigênio dissolvido – 9 m/dia ... 157 Tabela 55. Resultados de pH – 9 m/dia ... 158 Tabela 56. Resultados de condutividade elétrica – 9 m/dia ... 159 Tabela 57. Resultados de cor aparente – 9 m/dia ... 159 Tabela 58. Resultados de turbidez – 9 m/dia ... 161 Tabela 59. Resultados de bactérias heterotróficas – 3 m/dia ... 163

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Tabela 60. Resultados de coliformes totais – 3 m/dia ... 163 Tabela 61. Resultados de Escherichia coli – 3 m/dia ... 164 Tabela 62. Resultados de bactérias heterotróficas – 6 m/dia ... 165 Tabela 63. Resultados de coliformes totais – 6 m/dia ... 166 Tabela 64. Resultados de Escherichia coli – 6 m/dia ... 167 Tabela 65. Resultados de bactérias heterotróficas – 9 m/dia ... 168 Tabela 66. Resultados de coliformes totais – 9 m/dia ... 168 Tabela 67. Resultados de Escherichia coli – 9 m/dia ... 169 Tabela 68. Teste de Normalidade entre espessuras de nãotecido – 3 m/dia ... 170 Tabela 69. Teste múltiplo de medianas entre espessuras de nãotecido – 3 m/dia ... 170 Tabela 70. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Turbidez – 3 m/dia ... 171 Tabela 71. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Cor Aparente – 3 m/dia ... 171 Tabela 72. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Bactérias Heterotróficas – 3 m/dia ... 172 Tabela 73. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Coliformes Totais – 3 m/dia 172 Tabela 74. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Escherichia coli – 3 m/dia ... 173 Tabela 75. Teste de Normalidade entre melhor espessura de nãotecido e areia – 3 m/dia ... 173 Tabela 76. Teste de comparação entre melhor espessura de nãotecido e areia – 3 m/dia ... 173 Tabela 77. Teste de Normalidade entre espessuras de nãotecido – 6 m/dia ... 174 Tabela 78. Teste múltiplo de medianas entre espessuras de nãotecido – 6 m/dia ... 174 Tabela 79. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Turbidez – 6 m/dia ... 175 Tabela 80. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Cor Aparente – 6 m/dia ... 175 Tabela 81. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Bactérias Heterotróficas – 6 m/dia ... 176 Tabela 82. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Coliformes Totais – 6 m/dia 176 Tabela 83. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Escherichia coli – 6 m/dia ... 177 Tabela 84. Teste de Normalidade entre melhor espessura de nãotecido e areia – 6 m/dia ... 177 Tabela 85. Teste de comparação entre melhor espessura de nãotecido e areia – 6 m/dia ... 177 Tabela 86. Teste de Normalidade entre espessuras de nãotecido – 9 m/dia ... 178 Tabela 87. Teste múltiplo de medianas entre espessuras de nãotecido – 9 m/dia ... 178

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xxvii

Tabela 88. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Turbidez – 9 m/dia ... 179 Tabela 89. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Cor Aparente – 9 m/dia ... 179 Tabela 90. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Bactérias Heterotróficas – 9 m/dia ... 180 Tabela 91. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Coliformes Totais – 9 m/dia 180 Tabela 92. Teste de comparação entre espessuras de nãotecido – Escherichia coli – 9 m/dia ... 181 Tabela 93. Teste de Normalidade entre melhor espessura de nãotecido e areia – 9 m/dia ... 181 Tabela 94. Teste de comparação entre melhor espessura de nãotecido e areia – 9 m/dia ... 182

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1 1. INTRODUÇÃO

Muitos mananciais brasileiros encontram-se em condições de qualidade de água inadequadas para o consumo humano. Assim, para garantir que a população seja abastecida com água em quantidade e qualidade apropriadas, diversas tecnologias de tratamento vêm sendo desenvolvidas ou aperfeiçoadas. A escolha da melhor alternativa tecnológica a ser empregada deve ser compatível com a qualidade da água do manancial e com questões culturais, sociais e econômicas da comunidade a ser abastecida, visando acessibilidade à água potável para a população. Dentro desse quadro há um déficit de acesso à água potável nas comunidades rurais, onde, muitas vezes, a água é consumida sem passar por qualquer tipo de tratamento, trazendo prejuízos à saúde da população.

A filtração lenta é uma tecnologia de tratamento caracterizada por baixa taxa de filtração que resulta em intenso desenvolvimento da atividade biológica, com excelente capacidade de remoção de impurezas e micro-organismos. É uma tecnologia de tratamento indicada para comunidades rurais e pequenas, por apresentar baixo custo e simplicidade nos processos de operação e manutenção, possibilitando a participação efetiva da população. Entretanto, essa tecnologia apresenta alguns fatores limitantes, tais como a qualidade da água bruta afluente ao sistema de filtração e o processo de limpeza dos filtros, que demanda rigorosa cautela para que o meio filtrante não seja descaracterizado, o que poderia afetar a eficiência do sistema. A baixa qualidade da água dos mananciais, inclusive em áreas rurais, tem inviabilizado o emprego dessa eficiente tecnologia de tratamento.

Para aperfeiçoar essa tecnologia e retomar o seu uso, pesquisadores sugerem o uso de material nãotecido sintético juntamente com o meio filtrante convencionalmente utilizado, a areia. O nãotecido sintético, quando utilizado no topo do meio filtrante, possibilita o emprego de maiores taxas de filtração, sem alterar a eficiência do filtro e sem diminuir as características da água filtrada, visto que possibilita a formação da camada biológica denominada schmutzdecke, principal responsável pela eficiência atribuída aos filtros lentos. Além dessas vantagens, o emprego do nãotecido sintético propicia aumento da duração da carreira de filtração, com diminuição da frequência de lavagem e simplificação deste processo.

Nesse contexto, surge uma contestação quanto à finalidade da areia em filtros lentos providos de nãotecidos sintéticos, uma vez que o material nãotecido é capaz de suportar a

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schmutzdecke. O presente trabalho levanta a hipótese de que a utilização de meio filtrante constituído exclusivamente por nãotecidos sintéticos na filtração lenta será tão eficiente quanto o uso convencional da areia, uma vez que o nãotecido propiciará o desenvolvimento da schmutzdecke, camada biológica que se forma na superfície do meio filtrante, principal responsável pela remoção de impurezas da água.

1.1. JUSTIFICATIVA

O presente trabalho apresenta-se como uma alternativa para expandir a acessibilidade à água potável às populações rurais e pequenas, de forma prática, simplificada, de baixo custo e eficiente. O nãotecido sintético, material proposto como meio filtrante alternativo à areia, tem sido utilizado na filtração lenta ou em outras técnicas de tratamento de água por diversos pesquisadores e os resultados obtidos são satisfatórios. Este é um material de fácil obtenção e de baixo custo, e, sendo sintético, pode ser reutilizado para outros fins, como insumo para materiais de construção civil, quando perder sua utilidade como meio filtrante. Por esta e tantas outras qualidades e vantagens quando atribuído à filtração lenta, o nãotecido foi escolhido para ser objeto de estudo como meio filtrante alternativo em substituição a areia convencionalmente utilizada, como um aperfeiçoamento de uma tecnologia antiga, eficiente e bastante difundida que teve seu uso inviabilizado por fatores limitantes que podem ser amenizados pelo uso deste material.

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. Objetivo Geral

O presente trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho de diferentes espessuras de nãotecido sintético como meio filtrante alternativo à areia na filtração lenta em termos de eficiência de remoção de micro-organismos e demais impurezas da água.

1.2.2. Objetivos Específicos

 Avaliar o desempenho do meio filtrante nãotecido sintético em comparação a areia em termos de parâmetros operacionais, como duração da carreira de filtração,

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complexidade de operação e manutenção (limpeza do meio filtrante).

 Avaliar o desempenho do meio filtrante nãotecido sintético em comparação a areia em termos de eficiência de remoção de micro-organismos, cor e turbidez da água, sob a influência de diferentes taxas de filtração (baixa, média e alta).

 Avaliar o desempenho do meio filtrante nãotecido sintético em comparação a areia em termos de período de amadurecimento do filtro (formação da schmutzdecke).

 Identificar uma espessura ou faixa de espessura ótima de nãotecido sintético capaz de produzir água com qualidade que atenda aos padrões de potabilidade designados pela Portaria nº 2914/2011 do Ministério da Saúde, após desinfecção.

 Estabelecer parâmetros operacionais que propiciem desempenho eficiente do filtro lento de nãotecido sintético.

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4 2. REVISÃO DE LITERATURA

2.1. Tratamento de água para comunidades pequenas e rurais

Um dos importantes aspectos do saneamento básico é a potabilidade da água para o abastecimento público, visando qualidade de vida e bem estar humano. Atualmente, enfrenta-se uma crescente piora da qualidade de água dos mananciais, tanto em áreas urbanas como em áreas rurais. O uso do solo devido atividades como as agroindustriais, os acentuados processos de urbanização, tem alterado as características naturais da água. Desta maneira, a garantia de produção de água para abastecimento que atenda os padrões de potabilidade, torna-se tarefa complexa que exige pessoal cada vez mais qualificado, recursos tecnológicos e laboratoriais avançados e de elevado custo (MENDES, 2006).

No Brasil, a Portaria No. 2914 de 2011 do Ministério da Saúde dispõe sobre os procedimentos de controle e de vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade. Esta legislação designa Valores Máximos Permitidos (VMP) de diversos parâmetros de qualidade de água, para que a potabilidade da mesma esteja garantida (BRASIL, 2011).

Diversas são as tecnologias que podem ser empregadas a fim de atender os padrões de potabilidade vigentes. A escolha da tecnologia a ser empregada no tratamento de água para consumo humano deve considerar fatores como as características da água bruta, disponibilidade de recursos técnicos e financeiros locais, manuseio e confiabilidade dos equipamentos, flexibilidade operacional, localização geográfica e características da comunidade local (AZEVEDO NETTO, 1966; Di BERNARDO et al., 1999; LIBÂNIO, 2008).

A sustentabilidade do sistema selecionado é dependente dos costumes e cultura da comunidade a ser beneficiada e do quadro de saúde da população, considerando-se a integração com políticas pública como saúde pública, planejamento urbano, ambiental e de recursos hídricos, saneamento e poluição (SCHULZ e OKUN, 1984; Di BERNARDO et al., 1999; Di BERNARDO e DANTAS, 2005).

As pequenas comunidades e comunidades rurais geralmente localizam-se nas regiões em que a deterioração da qualidade da água bruta manifesta-se de forma menos acentuada (LIBÂNIO, 2008). Entretanto, no Brasil, essas regiões nem sempre são atendidas pelos serviços de abastecimento de água, e muitas vazes, quando são contempladas, os sistemas funcionam de

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forma precária. Do total de famílias residentes no meio rural, menos da metade tem acesso ao serviço público de abastecimento de água (IBGE, 2012; BRASIL, 2012). Em comunidades com essas características, é apropriado recorrer a tecnologias que exijam menos suporte tecnológico e financeiro, como as quais dispensam mão-de-obra especializada, ou adição de produtos químicos custosos.

A tecnologia da filtração lenta é uma alternativa de tratamento de água com características que a torna propícia para ser empregada em comunidades pequenas e rurais, visto que esta tecnologia não requer atenção constante do operador, nem requer o uso de produtos químicos, como coagulantes e polímeros. A filtração lenta é uma tecnologia de custo reduzido, adequada para o tratamento de água bruta de boa qualidade, condizente com mananciais de áreas rurais. Adicionalmente, é uma tecnologia de grande eficácia para o controle de contaminantes microbiológicos (LOGSDON et al., 2002).

2.2. Filtração lenta

A filtração lenta é uma das mais antigas tecnologias de tratamento de água. A 1ª estação de tratamento de água por filtração lenta foi construída em 1829, no início do século XIX, por James Simpson, em Londres, para o abastecimento público (HUISMAN e WOOD, 1974).

A filtração lenta era considerada uma técnica para retenção dos sólidos suspensos da água e o seu potencial de remoção de bactérias patogênicas era desconhecido, até que, em 1892, ocorreu em Hamburgo, na Alemanha, um surto de cólera que colocou em evidência o potencial bacteriológico desta tecnologia (HUISMAN e WOOD, 1974; TWORT et al., 2002).

As cidades de Hamburgo e Altona utilizavam para seu abastecimento águas provenientes do rio Elba, o qual havia sido contaminado por esgoto, e passou a veicular a espécie bacteriana causadora de cólera (Vibrio cholerae). Hamburgo teve 8600 mortes pela doença, enquanto que em Altona, cidade que utilizava a tecnologia da filtração lenta para o tratamento de água, não houveram casos relatados. Este evento confirmou e difundiu a eficiência dessa tecnologia para remoção de organismos patogênicos (HUISMAN e WOOD, 1974; TWORT et al., 2002).

No Brasil, até meados do século XX, a filtração lenta foi empregada em algumas localidades, mas deixou de ser adotada a partir dos anos 70, devido a qualidade de água dos mananciais, cuja piora ao longo dos anos inviabilizou a adoção dessa tecnologia, e devido o

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surgimento de tecnologias mais complexas, tidas erroneamente como mais eficientes (HUISMAN e WOOD, 1974; Di BERNARDO et al., 1999; Di BERNARDO, e DANTAS, 2005).

A filtração lenta é um eficiente método de produção de água com satisfatória qualidade bacteriológica que dispensa o uso de produtos químicos, e requer quantidades marginais do agente desinfetante na água antes da distribuição (SCHOLZ, 2006). Essa tecnologia alcança níveis de remoção de coliformes, Escherischia coli e outros organismos patogênicos, na ordem de 2 a 4 logs, demonstra-se eficiente também para remoção de cistos de Giardia e oocistos de Cryptosporidium, além de remoção de vírus, matéria orgânica, cor e redução da turbidez para menos de 1 NTU (TWORT et al., 2002).

A simplicidade, os baixos custos de implantação e operação são algumas das principais vantagens da filtração lenta, quando comparada aos métodos mais sofisticados de tratamento de água. A planta de tratamento de água pode ser construída pela própria população local, de forma a reduzir os custos de projeto. A não utilização de coagulantes químicos reflete em poucas horas de trabalho diário para as atividades relacionadas à operação do filtro (LOGSDON et al., 2002).

A elevada eficiência do filtro de lento está relacionada á baixa taxa de filtração com que opera, entre 2 e 6 m3.m-2.dia-1, e com as configurações granulométricas da areia utilizada como meio filtrante. A sua eficiência está relacionada também aos processos biológicos que ocorrem em uma fina camada, rica em micro-organismos, que se forma pelo acúmulo de impurezas na superfície da areia, a schmtuzdecke (expressão alemã que significa ‘camada de sujeira’), e pelo acúmulo de impurezas entre os grãos de areia das camadas subjacentes (HUISMAN e WOOD, 1974; CAMPOS et al., 2002).

Atualmente, o interesse na filtração lenta vem sendo retomado, devido a sua eficiência na remoção de cistos e oocistos de protozoários como Giardia e Cryptosporidium, após o amadurecimento do filtro (TIMMS et al., 1995; HELLER et al., 2006). Heller et al. (2006) observaram remoção de Cryptosporidium acima de 99,9% pelo filtro lento de areia. Vale ressaltar que cisto e oocisto desses protozoários não são afetados pelo método de desinfecção convencionalmente utilizado, a cloração (SCHOLZ, 2006).

Estações de grande porte em Amsterdam e Zurique utilizam o filtro lento a jusante de filtros rápidos com o intuito de maximizar a remoção de oocistos e cistos de protozoários. Nesses

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casos são utilizadas taxas de filtração superiores às comumente utilizadas na tecnologia da filtração lenta (LIBÂNIO, 2008).

2.2.1. Mecanismos de remoção de impurezas

Huisman e Wood (1974) observaram uma analogia estabelecida entre o tratamento de água por filtração lenta e a percolação de águas naturais através do solo até os aquíferos, processo pelo qual a água adquire características adequadas às exigências estéticas e sanitárias. Porém, a filtração lenta requer adequado dimensionamento, operação e manutenção, para que os mecanismos físicos, químicos e principalmente biológicos não sejam afetados e para que a eficiência do processo seja garantida (BAUER et al., 2011; ELLIOTT et al., 2011; ELLIOTT et al., 2008; WEBER-SHIRK e CHAN, 2007).

De acordo com Twort e colaboradores (2002), no meio filtrante distinguem-se três zonas de purificação da água: (1) o revestimento da superfície pela schmutzdecke, (2) a zona autotrófica poucos milímetros abaixo da schmutzdecke e (3) a zona heterotrófica que se estende por aproximadamente 30 cm do leito.

No processo de filtração lenta, a remoção de partículas ocorre pela ação conjunta e simultânea de fatores físicos, químicos e biológicos. De acordo com Weber-Shirk e Dick (1997), os mecanismos físico-químicos são importantes para a remoção de partículas com diâmetro entre 0,75 e 10 µm. Já os mecanismos biológicos são mais importantes para a remoção de partículas com diâmetro inferior a 2 µm.

Em sistemas de filtração lenta em areia, a água bruta entra na unidade de filtração e permanece sobre o meio filtrante por um período de tempo definido como tempo de detenção, durante o qual ocorre sedimentação das partículas mais densas (HUISMAN e WOOD, 1974).

Na superfície do filtro, a luz solar favorece o crescimento de algas, que, no processo de fotossíntese, absorvem dióxido de carbono e produzem material celular e oxigênio. O oxigênio formado oxida as impurezas orgânicas sendo consumido pelos organismos aeróbios presentes (VIDOTTI e ROLLEMBERG, 2004).

A aglomeração de impurezas na superfície do meio filtrante forma a schmutzdecke. A água bruta passa por essa camada biológica antes de chegar ao meio filtrante e sofre ação

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intensiva de captura, digestão e degradação da matéria orgânica pelos micro-organismos presentes (AZEVEDO NETTO e HESPANOL, 1976).

No interior do filtro, o processo físico de coar e a adsorção retêm partículas suspensas que revestem a superfície dos grãos com a formação de uma camada biológica delgada de composição semelhante à schmutzdecke, porém com menor quantidade de algas e partículas (HAARHOFF e CLEASBY, 1991). Os produtos da oxidação da matéria orgânica pelas bactérias são levados pela água a profundidades maiores para serem utilizados pelos micro-organismos das camadas subjacentes e assim são decompostos gradativamente ao longo da profundidade do filtro, até que ocorra a mineralização das impurezas presentes na água (TWORT et al., 2002; CAMPOS et al., 2002; SCHOLZ, 2006).

No início do funcionamento do filtro, quando o meio filtrante ainda encontra-se limpo, a eficiência de remoção de impurezas é baixa, sendo, portanto, necessário um período de operação para a formação da schmutzdecke. Esse período caracteriza o período de amadurecimento do filtro. Estudos referentes ao período necessário para amadurecimento dos filtros foram realizados por diversos autores, tais como Bauer et al. (2011) e Calvo-Baldo et al. (2003).

O período de amadurecimento do filtro pode variar de acordo com as condições climáticas a qual o filtro está submetido, a qualidade da água bruta e a taxa de filtração adotada. Bauer et al. (2011) observaram que a atuação dos filtros foi estabilizada após 10 dias de filtração. Calvo-Baldo et al. (2003) notaram em seus experimentos que o filtro pode ser colonizado rapidamente pela comunidade microbiana em aproximadamente 7 dias de operação.

Estudos visando avaliar a distribuição espacial dos mecanismos de filtração lenta em areia foram realizados por Bauer et al. (2011), Brito et al. (2005), Murtha e Heller (2003) e Ellis e Aydin (1995). Os resultados encontrados por estes autores indicaram que a remoção da turbidez e cor ocorre até 10 a 15 cm iniciais do leito filtrante, e a remoção de coliformes totais e E. coli ocorre nos 30 cm iniciais do leito, assim definiram a espessura útil do filtro lento de areia entre 40 e 60 cm, com predominância dos mecanismos físicos de remoção aos 15 cm de profundidade do filtro e mecanismos biológicos aos 30 cm de profundidade.

Murtha e Heller (2003) observaram a ocorrência da schmutzdecke nos 5 cm iniciais do leito, com possibilidade de extensão à profundidades de até 40 cm, com atuação predominante

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nas camadas mais próximas à superfície, onde, de acordo com Huisman e Wood (1974), as condições são ótimas e há grande quantidade de alimento.

2.2.2. Parâmetros construtivos do filtro lento de areia

Libânio (2008) levantou parâmetros de projetos de construção de filtros lentos de areia recomendados por diferentes entidades. A Tabela 1 apresenta esses parâmetros.

Tabela 1. Parâmetros de projetos de construção de filtros lentos (Libânio, 2008) Fonte/Parâmetro Taxa de filtração (m3.m-2.dia-1) Espessura do meio filtrante (cm) Tamanho efetivo (mm) Coeficiente de desuniformidade Inicial Final NBR 12216 < 6,0 90 --- 0,25 – 0,35 < 3,0 OMS* 2,4 – 9,6 120 70 0,15 – 0,35 < 3,0**** CEPIS** 2,4 – 4,8 90 – 120 60 – 70 0,15 – 0,35 1,5 – 3,0 Comunidades

rurais nos EUA 2,4 – 4,8 80 – 90 50 – 60 0,15 – 0,30 < 5,0*** Padrão de 10

estados americanos 1,9 – 5,8 80 --- 0,30 – 0,45 < 2,5

*Organização Mundial da Saúde.

**Centro de Pesquisas em Ingeníeria Sanitaria (Lima). ***Preferivelmente < 3,0.

**** Preferivelmente < 2,0.

Durante o processo de filtração ocorre gradativo entupimento dos poros nas camadas superficiais do filtro, causando gradativo aumento da perda de carga no meio filtrante. Quando a perda de carga alcança predeterminado valor pré-estabelecido em projeto, entre 0,6 e 0,9 m, a operação do filtro deve ser interrompida para que seja feita a limpeza do meio filtrante. A limpeza consiste na drenagem da água e raspagem de 1 a 2 cm da camada superficial de areia, esse procedimento é repetido até que se alcance a espessura mínima de 0,4 a 0,5 m de areia. Quando essa espessura é alcançada o filtro é preenchido com areia até a espessura inicial, de forma que a areia remanescente no fundo seja colocada no topo e a areia limpa, com a qual será feito o preenchimento seja colocada na base do meio filtrante, pois a areia remanescente é rica em micro-organismo e facilitará a formação da schmutzdecke (DI BERNARDO et al., 1999; TWORT et al., 2002; SCHOLZ, 2006; HELLER e PÁDUA, 2010).

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2.2.3. Limitações e avanços da filtração lenta em areia

A filtração lenta limita-se ao tratamento de águas com baixo teor de sólidos, de partículas suspensas e dissolvidas e deve ser empregada nos casos em que a água bruta seja constantemente caracterizada por essa qualidade. As recomendações de diversos autores quanto a turbidez máxima da água bruta é delimitada entre 10 e 25 NTU para a operação eficiente do sistema e o limite de cor aparente é de 100 uC (HUISMAN e WOOD, 1974; CÁNEPAS, 1992; Di BERNARDO, 1993; GoNU/GoSS, 2009). A presença de impurezas em quantidade elevada e alta concentração de algas provocam a colmatação rápida do filtro, e torna mais frequente o processo de lavagem dos mesmos.

A limpeza dos filtros é um processo que desfavorece a simplicidade e o baixo custo do sistema, pois para a formação de nova camada biológica, é necessário que decorra o período de amadurecimento do filtro, que pode levar dias ou semanas para se realizar. Além disso, esse procedimento deve ser realizado com cautela para que não descaracterize a granulometria da areia. Este procedimento requer a instalação de uma unidade própria de lavagem e consome volume de água considerável, embora não se compare ao volume de água consumido na lavagem de filtros rápidos.

Com interesse em renovar a filtração lenta e visando ampliar o seu uso, pesquisadores vêm desenvolvendo estudos a fim de aprimorar sua instalação, operação e composição do meio filtrante.

Um dos avanços foi o desenvolvimento da técnica denominada Filtração em Múltiplas Etapas (FiME), que consiste na inserção de unidades de pré-filtração em pedregulho antecedendo o filtro lento, através das quais é feita a separação gradual do material em suspensão presente na água bruta, visando atenuar a sobrecarga dos filtros lentos (Di BERNARDO et al., 1999).

Outro avanço no âmbito da filtração lenta está relacionado à utilização de uma camada de material nãotecido sintético sobre a superfície do meio filtrante, a fim de aumentar a duração da carreira de filtração, facilitar os procedimentos de limpeza e possibilitar o emprego de taxas de filtração mais elevadas do que as comumente empregadas na filtração lenta.

A composição filamentosa dos nãotecidos sintéticos, permite maior quantidade de vazios, ou seja, maior porosidade, que está relacionada á menor perda de carga e, portanto, maior duração da carreira de filtração. Simultaneamente, esta estrutura filamentosa de elevada

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porosidade, consegue manter a superfície específica elevada, que está relacionada à maior superfície de contato com impurezas. À areia não se atribui esta qualidade, pois superfície específica e porosidade são propriedades inversamente proporcionais quando se trata de materiais granulares, ou seja, quanto maior a porosidade, menor será a superfície específica (PATERNIANI, 1991).

2.3. Nãotecido sintético

De acordo com a norma NBR-13370 da ABNT (2002), nãotecido é uma estrutura plana, flexível e porosa, constituída de fibras ou filamentos orientados aleatoriamente, consolidados por processo mecânico, por adesão, processo térmico ou combinações destes. Diferem das estruturas tecidas, pois estas são confeccionadas pelo entrelaçamento ordenado das fibras, formando, geralmente, um ângulo de 90°.

Os nãotecidos sintéticos são assim classificados devido ao material utilizado como matéria-prima. As fibras do nãotecido podem ser confeccionadas por material artificial, natural ou por material sintético que são poliéster, polipropileno, poliamida, polietileno e semelhantes.

Na maioria dos casos, as fibras representam a principal matéria-prima na fabricação dos nãotecidos, sendo que o produto final também pode ser constituído de compostos químicos, denominados ligantes, utilizados na consolidação das fibras. A utilização de selantes depende do processo de fabricação empregado. A agulhagem é um método de fabricação mecânico, pelo qual os filamentos são entrelaçados através da penetração alternada de muitas agulhas (ABINT, 2015). Este método é favorável para nãotecidos empregados no tratamento de água, pois não utiliza selantes.

Não há uma data estabelecida para o surgimento dos nãotecidos, o primeiro produto a apresentar uma textura parecida com o nãotecido surgiu no Egito, no ano 2400 a.C.. Porém, somente por volta de 1957, foi observada uma estrutura semelhante ao nãotecido, fabricada em equipamentos da indústria de papel utilizando outras fibras diferentes das naturais, incluindo o poliéster. A década de 60 marcou o lançamento do nãotecido no mercado, como matéria-prima industrial e como produto de consumo. Na década de 70, a indústria de nãotecido esteve em plena ascensão, com desenvolvimento de novas tecnologias de processos e novas matérias primas (ABINT, 2015).

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Nesse contexto, os usos e aplicações do nãotecido são bastante abrangentes. Seu uso agrícola pode ser observado em sombreamento e ambientação, ensacamento de frutos, cobertura de solos, forração de reservatórios, entre outros. Na engenharia civil são mais comumente denominados geossintéticos ou geotêxteis, utilizados na construção de barragens, drenagem, estabilização de solos, proteção de margens de rios e lagos, revestimento de canais, recapeamento, impermeabilização, reforço de concreto (KOERNER, 1994 e VERTEMATTI, 2004).

Dentro da indústria, o nãotecido é utilizado como material de polimento, sacos de lavagem, sistemas de filtração de ar, líquidos e gases; pode ser utilizado na confecção de entretelas, enchimentos, forros. No ramo automotivo, pode ser utilizado no revestimento dos bancos e tapetes (ABINT, 2015).

O nãotecido também está presente em descartáveis higiênicos, como fraldas, absorventes femininos, lenços umedecidos. No ramo médico-hospitalar, é utilizado em compressas, curativos e vestimentas de segurança. Nos produtos do lar é observado em persianas, carpetes, tapetes, estofados, móveis e revestimento de paredes (ABINT, 2015).

2.3.1. Propriedades do nãotecido sintético

As propriedades dos nãotecidos sintéticos estão relacionadas ao material e ao processo de confecção utilizado na fabricação do produto. As propriedades que caracterizam o nãotecido são gramatura (peso por unidade de área), espessura, composição, massa específica, superfície específica, porosidade e condutividade hidráulica. A condutividade hidráulica, a superfície específica e a porosidade são propriedades que influem na capacidade de filtração, retenção de partículas, e permeabilidade da água no nãotecido.

A porosidade de um nãotecido é a relação entre o volume de vazios (poros) e volume total do mesmo. Esta propriedade está relacionada com a habilidade do líquido passar através do nãotecido e pode ser calculada através de outras propriedades do material (KOERNER, 1994 e VERTEMATTI, 2004). Pode ser determinada através da relação entre a massa específica do nãotecido e dos materiais que o compõe, conforme a Equação 1 (DI BERNARDO, GRAHAM, PATERNIANI, 1990).

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13 f m o  



1 (1)

Onde, Ɛo = porosidade; ρm = massa específica do nãotecido (g/cm3); ρf = massa

específica do fio (g/cm3). A superfície específica representa a área das fibras por unidade de volume do nãotecido e pode ser calculada pela Equação 2 (DI BERNARDO, GRAHAM, PATERNIANI, 1990). 6 10 ) 1 ( 4     f O O d s  (2)

Onde, So = superfície específica (m2/m3); Ɛo = porosidade; df = diâmetro dos fios (µm).

A condutividade hidráulica é mensurada pelo coeficiente de permeabilidade, K, e pode ser determinada experimentalmente utilizando-se a equação de Darcy (Equação 3).

q = K * J (3)

Onde, q = velocidade de aproximação (mm/s); K = coeficiente de permeabilidade (mm/s); J = gradiente hidráulica. De acordo com Rollin et al (1982), há dois valores para o coeficiente de permeabilidade, K0 e K∞. K0 corresponde ao coeficiente do nãotecido virgem e K∞

corresponde ao nãotecido já utilizado, parcialmente entupido.

Rollin et al. (1982) destacaram a importância dos atributos hidráulicos e mecânicos dos nãotecidos nos processos de clarificação da água, eles notaram que os mecanismos de retenção de partículas pelos nãotecidos ocorrem por ações semelhantes às que ocorrem na filtração em areia: atração elétrica pela fibra, penetração e deposição nos filamentos da fibra e aglomeração.

2.3.2. Utilização de nãotecidos sintéticos no tratamento de água

No tratamento de água, o uso de nãotecido sintético é mais notável na tecnologia de filtração lenta. Na década de 80, foram iniciadas pesquisas envolvendo o uso de nãotecido sintético na filtração lenta em areia, trazendo resultados satisfatórios em termos de qualidade da água filtrada, facilidade de operação e custos envolvidos.

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Paterniani (1991) desenvolveu estudos com a utilização de nãotecidos no topo da camada de areia em filtros lentos. Os resultados demonstraram que o uso de nãotecidos permite que sejam adotas taxas de filtração mais elevadas que as convencionalmente utilizadas na filtração lenta, sem prejuízo para qualidade da água tratada, além de trazer como benefícios a redução da espessura da camada de areia, facilidade de limpeza e manutenção do filtro e aumento da duração das carreiras de filtração. Carreiras mais longas disponibilizam maior tempo para o amadurecimento do meio filtrante favorecendo a ação dos mecanismos físicos, químicos e biológicos do tratamento e diminuindo a frequência de lavagem do filtro, com consequente aumento da eficiência de tratamento.

A utilização de nãotecidos sintéticos no topo do leito filtrante simplifica o processo de limpeza dos filtros e reduz os custos relacionados a este procedimento, o qual responde pelo principal gasto com manutenção na filtração com areia. Os nãotecidos são facilmente retirados, lavados e recolocados no filtro após a secagem (DI BERNARDO et al., 1999).

Pádua e Di Bernardo (1998) observaram que as propriedades físicas do nãotecido também exercem influência na capacidade de retenção de impurezas e no desenvolvimento da perda de carga. Nãotecidos com maior superfície específica e menor porosidade retém mais impurezas, porém tem perda de carga mais acentuada. Nãotecidos mais porosos e com menor superfície específica apresentam menor perda de carga, contudo, é possível melhorar a eficiência da retenção de impurezas com o aumento da espessura deste material, devido o maior contato entre as impurezas contidas na água e as fibras do nãotecido. O nãotecido que obteve melhores resultados nos experimentos conduzidos por Pádua e Di Bernardo (1998) possui as seguintes características:

 superfície específica: 600 m3/m2

 porosidade: > 99%

 espessura: 44 mm.

O nãotecido com estas características apresentou facilidade de limpeza por jato de água, porém apresentou pequena resistência mecânica.

O uso de nãotecidos no topo do meio filtrante possibilita a redução da espessura da camada de areia na filtração lenta, e quando empregado na base do leito filtrante, possibilita a redução da camada suporte em aproximadamente 30 cm, com consequente redução do custo de

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implantação, tornando a tecnologia mais acessível a regiões menos desenvolvidas. Ademais, o uso de nãotecidos como camada suporte contribui para a diminuição da perda de carga, devido a elevada porosidade deste material e, consequentemente, prolonga a duração da carreira de filtração (FERRAZ e PATERNIANI, 2002).

Alguns pesquisadores estudaram o uso de nãotecidos em auxílio a processos diferenciados de tratamento como em estações de tratamento por filtração rápida ou no uso de Membrane Bioreactor (MBRs) para o tratamento de esgoto doméstico.

Pádua e Di Bernardo (1997) avaliaram o desempenho de nãotecidos sintéticos em estudos de tratabilidade de água quimicamente coagulada, visando avaliar o desempenho deste material em estações de tratamento de água com filtração rápida precedida por coagulação química. O nãotecido possibilitou reduzir o tempo de floculação e aumentar a velocidade de sedimentação.

Ren et al. (2010) utilizaram nãotecido de poliéster em substituição às membranas microporosas de elevado custo convencionalmente utilizadas em sistemas MBR. O nãotecido apresentou boa filtrabilidade, elevado potencial de tratamento de esgoto, operação simplificada além de custo reduzido, sendo uma solução atrativa para difundir o uso desta tecnologia em áreas rurais e de pequenas populações.

Chang et al. (2007) utilizaram o nãotecido como meio de separação sólido-líquido também em sistema de tratamento de esgoto por MBR, eles notaram que o nãotecido, embora apresentasse menor resistência à filtração do que as membranas microporosas, permitiu a formação de uma camada de lodo em sua superfície, a qual foi crucial para a eficiência do tratamento.

Roy, Auger e Chénier (1998) substituíram a areia e pedregulhos por nãotecidos sintéticos no processo de tratamento in situ de esgoto doméstico por filtros intermitentes. Foram utilizados nãotecidos com porosidade de 80%, formando uma camada filtrante de 90 cm de espessura; observou-se a possibilidade de operação com taxa de filtração de até 1,8 m3.m-2.dia-1, maiores do que as empregadas em sistemas padrões de tratamento de esgoto (0,2 a 0,6 m3/m2.dia), com produção de efluente com excelente qualidade em termos de sólidos suspensos, nitrogênio e Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO). Além disso, os nãotecidos atenuaram

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dois fatores limitantes do sistema de tratamento por filtros intermitentes, a disponibilidade e o transporte do meio filtrante.

Mulligan et al. (2009) avaliaram o uso de nãotecidos em processos de filtração de águas superficiais por flutuação com aplicação in situ (conduzidos em escala laboratorial), para a remoção de sólidos suspensos contaminados com metais pesados visando a reabilitação de mananciais superficiais. Em coluna de filtração foi utilizada uma fina camada de geotêxtil nãotecido variando de 0,5 a 1,4 mm de espessura, pela qual a água passava com fluxo ascendente por bombeamento de 10 l / min. Observou-se remoção superior a 98,9% de sólidos suspensos contaminados, eficiência de remoção de turbidez entre 93 e 98%, sendo a turbidez da água bruta de 20 a 120 NTU. O nível de remoção de metais pesados também foi superior a 98,9%, devido a aderência dos metais aos sólidos suspensos contidos na água.

Os nãotecidos sintéticos têm se demonstrado como uma ótima alternativa em termos de redução de custos e facilidade de operação de sistemas de tratamento de água ou esgoto. Entretanto, por ser um material sintético, pode levar a questionamentos quanto sua disposição final após perder a utilidade como meio filtrante.

Nesse contexto, Kazmierczak et al. (2003), propuseram a utilização de resíduos de nãotecidos sintéticos na indústria de construção civil, mais especificadamente na produção de componentes de gesso. O nãotecido sintético utilizado como reforço na matriz de gesso promoveu alta resistência mecânica ao impacto e à tração da flexão, alta capacidade de suporte de cargas suspensas, além de custo competitivo em relação aos materiais já existentes no mercado.

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17 3. METODOLOGIA

A parte experimental da presente pesquisa foi desenvolvida no Campo Experimental da Faculdade de Engenharia Agrícola – FEAGRI/UNICAMP, onde esteve instalado o sistema de filtração em escala piloto, e no Laboratório de Saneamento da Faculdade de Engenharia Agrícola – FEAGRI/UNICAMP, onde foram realizadas as análises de controle de qualidade da água. Eventualmente utilizou-se o Laboratório de Saneamento da Faculdade de Engenharia Civil – FEC/UNICAMP para a realização de parte das análises bacteriológicas.

O sistema de filtração foi constituído por uma unidade de pré-filtração ascendente, para conter os picos de turbidez, e por duas unidades de filtração lenta, as quais foram o objeto de pesquisa. As duas unidades operavam em paralelo, uma unidade possuía areia como meio filtrante e a outra continha o material nãotecido sintético, cujo desempenho foi comparado com a areia convencionalmente utilizada.

Em uma primeira etapa realizou-se a caracterização da água bruta com a finalidade de verificar se esta teria qualidade compatível com a tecnologia de tratamento a ser avaliada. Com base na caracterização da água bruta ficou estabelecido que o manancial escolhido para abastecer o sistema poderia ser utilizado, contudo, fez-se necessário a instalação de uma unidade de pré-tratamento, antecedendo os filtros lentos, com a finalidade de conter possíveis picos de turbidez.

Após a caracterização da água bruta e definição das unidades do sistema de filtração, iniciou-se a segunda etapa da pesquisa: a implantação do sistema piloto de filtração. Nesta etapa houve caracterização dos meios filtrantes avaliados (areia e nãotecido sintético) e construção das unidades de filtração e pré-filtração.

Na terceira etapa iniciou-se a operação do sistema de filtração com as taxas de filtração de 3, 6 e 9 m3.m-2.dia-1, com monitoramento diário da evolução da perda de carga e dos parâmetros de qualidade da água. A Figura 1 apresenta o fluxograma com as etapas da metodologia utilizada.

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Figura 1. Fluxograma: Etapas da metodologia

3.1. 1ª ETAPA: Caracterização da água bruta

A princípio, o sistema piloto de filtração lenta foi abastecido com água bruta captada no reservatório de água do Campo Experimental da FEAGRI/UNICAMP. Este reservatório é constituído por um tanque com as seguintes dimensões: área superficial de 432 m2 e aproximadamente 2,5 m de profundidade, abastecido com água proveniente de um pequeno lago natural.

Preliminarmente, a água bruta foi caracterizada em termos dos parâmetros cor aparente, turbidez, bactérias heterotróficas e do grupo coliformes, a fim de verificar a viabilidade de uso desta água no sistema de filtração lenta. Os resultados obtidos na caracterização levaram a concluir que seria necessário inserir uma unidade de pré-filtração no sistema dos filtros lentos.

No decorrer dos experimentos, foi observado que a unidade de pré-tratamento operou com eficiência máxima de 77% e média de 35%, para remoção de turbidez, e permitiu que a água afluente aos filtros tivesse qualidade condizente com a tecnologia proposta, com valores médios de cor e turbidez de aproximadamente 110 uC e 9 NTU, respectivamente. Entretanto, houve