Treatability tests to measure the presence of iron and manganese and their removal
from groundwater
M. O. Dantas1, E. P. C. C. Santos 1*, J. P Rezende1, L. C. Duque1,A. R. Gomes1
1Universidade Federal de São João Del Rei
*Autor Corresponsal: DTECH, Universidade Federal de São João Del Rei, rua Juvenal dos Santos, 222/404 – Bairro Luxemburgo, Belo Horizonte, MG. 303080-530. Brasil. E-mail: eliane.santos@ufsj.edu.br
ABSTRACT
In this work a study was carried out in order to test the presence of iron and manganese, apparent color and turbidity in groundwater and to appraise, by bench testing, the efficiency in lowering such standards. All samples were quantified before and after the treatability tests and analyses were performed observing the recommendations of the Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION, 2005). Jar test equipment was used to carry out treatability tests. These were the experiment guidelines: raw water was mixed at a 600 s-1velocity gradient and 10 minute mixing time. After that, the velocity gradient was reduced to 65 s-1 and the water was mixed for 20 more minutes and passed through a sand filter. Then filtered water samples were collected so as to measure the aforementioned standards. The results show that the maximum concentration of manganese found in raw water was 0.34 mg.L-1 and all iron concentration values were below 0.3 mg/L. Taking into account a significance level of 5%, there was no significate difference in reduction of apparent color and turbidity standards before and after tests. This result was confirmed by values of (p = 0.125139) for apparent color and of (p = 0.059422) for turbidity.
KeyWords: drinking water, groundwater, , iron and manganese removal, treatability test, water treatment
ENSAIOS DE TRATABILIDADE PARA AVALIAR A PRESENÇA DE FERRO E
MANGANÊS E SUA REMOÇÃO EM ÁGUAS SUBTERRÂNEAS
Resumo
No presente trabalho foi realizado um estudo para verificar a presença de ferro e manganês, cor aparente e turbidez em águas subterrâneas e para avaliar, por meio de ensaios em escala de bancada, a eficiência de redução desses parâmetros. Todas as amostras eram quantificadas antes e após os ensaios de tratabilidade e as análises seguiram as prescrições do Standard Methods
for the Examination of Water and Wastewater (AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION, 2005). Para realizar os ensaios
de tratabilidade, utilizou-se o equipamento Jar Test. Os parâmetros para a realização dos ensaios foi o seguinte: a água bruta era misturada com um gradiente de velocidade (Gmr) de 600 s-1 e um tempo de mistura (Tm) de 10 minutos. Após esse tempo, o
gradiente de velocidade era reduzido para 65s-1 e a água era misturada por mais 20 minutos e então filtrada em um filtro de areia.
Depois disso, coletavam-se as amostras de água filtrada para quantificar os parâmetros já citados. Diante dos resultados obtidos, pôde-se observar que a concentração máxima de manganês encontrada na água bruta foi de 0.34 mg.L-1 e os valores das
concentrações de ferro ficaram todos abaixo de 0.3 mg/L. Considerando um nível de significância de 5%, não houve diferença significativa na redução dos parâmetros de cor aparente e turbidez antes e após os ensaios. Esse resultado pôde ser confirmado pelos valores de (p = 0.125139) para cor aparente e de (p = 0.059422) para turbidez.
Palavras-chave: água para consumo humano, água subterrânea, ensaios de tratabilidade, remoção de ferro e manganês,
Introdução
A presença de ferro e o manganês na água podem ocasionar sabor amargo, coloração amarelada ou turva, além de manchar louças sanitárias e roupas durante a lavagem.
Quando esses metais estão presentes na água em concentração acima dos valores estabelecidos pelo padrão de potabilidade Brasileiro – Portaria nº 2.915/2011 do Ministério da Saúde – devem ser removidos, evitando, desta maneira, que a população rejeite uma água segura do ponto de vista microbiológico, embora apresente cor e odor, por uma água que tenha uma aparência melhor, mas, que possa estar contaminada.
Águas subterrâneas com concentrações elevadas de ferro e manganês quase não têm oxigênio dissolvido e têm elevada concentração de dióxido de carbono. A ausência de oxigênio dissolvido indica condições anaeróbias e o dióxido de carbono sugere oxidação por bactérias de matéria orgânica. Em condições anaeróbias, o ferro e o manganês tornam-se solúveis. Quando em contato com o oxigênio, são gradualmente oxidados por causa da mistura do oxigênio presente no ar com a água, ocasionando cor à água (SOMMERFELD, 1999).
A presença de ferro na água também pode ocasionar o surgimento de bactérias, denominadas ferrobactérias, principalmente dos gêneros Crenotrix e Gallionella. As ferrobactérias comumente se proliferam nos poços de água e nas redes de distribuição de água, conferindo cor, odor e sabor à água. Além disso, podem ocasionar a corrosão e a colmatação das tubulações (LIBÂNIO, 2005).
O manganês usualmente é encontrado em concentrações menores do que o ferro e costuma estar associado ao ferro, na forma reduzida mais estável. Sua oxidação torna-se então mais difícil, de modo que a simples aeração normalmente não é suficiente para sua remoção, sendo necessária a filtração.
Em diversas cidades de Minas Gerais/Brasil, principalmente em regiões do Quadrilátero Ferrífero, há relatos da presença de ferro e manganês na água coleta de poços subterrâneos e que são usadas para consumo humano. Moradores que vivem nessas regiões que usam águas subterrâneas tratadas e dependendo da cidade sem tratamento, muitas vezes, reclamam da qualidade queixando-se de sua cor.
No presente trabalho foi realizado um estudo com o objetivo de verificar a presença de ferro e manganês, cor aparente e turbidez em águas subterrâneas, na região do quadrilátero ferrífero, para avaliar por meio de ensaios em escala de bancada, a eficiência de redução desses parâmetros.
Metodologia
A metodologia foi divida em três partes. Na primeira, apresentam-se os equipamentos, materiais e produtos que foram utilizados na pesquisa. Na segunda, faz-se a caracterização da água bruta. Na terceira, descreve-se o procedimento experimental, o qual compreende: ensaio para a escolha da areia a ser utilizada durante os experimentos e ensaio de bancada para avaliar a redução de cor e turbidez, seguidos da medição dos parâmetros: cor aparente, turbidez, pH, alcalinidade, concentração de ferro e manganês.
Todo o experimento foi realizado no laboratório de Saneamento da Universidade Federal de São João Del Rei – Campus Alto Paraopeba / Ouro Branco, Minas Gerais.
Equipamentos e materiais utilizados nos experimentos
Os equipamentos utilizados na quantificação das amostras durante o estudo são apresentados na Tabela 1. Tabela 1. Equipamentos utilizados durante a pesquisa para quantificação das amostras.
Equipamentos Finalidade
Turbidímetro Digital Portátil Digimed-TU Para a quantificação da turbidez
pHmetro Digimed DN22 Para medir o pH
Espectrofotômetro Geahaka Modelo UIS 200G Para quantificar a cor, ferro e manganês
Balança Analítica Medição de massa para o preparo de todas as soluções necessárias à realização dos experimentos
Também foram utilizados: recipientes plásticos para coleta e armazenamento das amostras no campo, balões volumétricos de 100, 250 e 1000 mL, pipetas de 1, 2, 5, e 10 mL, funil, pêras, provetas, frascos Erlenmeyer, béqueres, frascos âmbar e reagentes para a realização das análises para quantificação dos parâmetros monitorados, quais sejam: cor aparente, turbidez, pH, alcalinidade, ferro e manganês.
Todas as análises seguiram as prescrições do Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION, 2005).
Os reagentes usados durante as análises para a avaliar a presença de ferro e manganês foram: ácido clorídrico, cloridrato de hidroxilamina, acetato de amônio, ácido acético glacial, fenantrolina monidratada, permanganato de potássio, ácido sulfúrico concentrado, sulfato ferroso amoniacal, alaranjado de metila, sulfato de mercúrio, ácido nítrico, ácido fosfórico 85%, nitrato de prata , oxalato de sódio, permanganato de potássio, bissulfito de sódio, nitrito de sódio.
Caracterização da água bruta
Para realização dos ensaios, coletavam-se amostras d’água de três poços subterrâneos da cidade de Congonhas/MG. Antes da caracterização da água bruta, as amostras eram misturadas em partes iguais. Após a mistura da água bruta, coletavam-se amostras, as quais quantificavam os parâmetros cor aparente, turbidez, concentração de ferro, concentração de manganês, pH e alcalinidade. Todas as análises foram feitas em triplicatas.
Procedimento experimental
O procedimento experimental foi dividido em duas partes: ensaio para a escolha da areia a ser usada nos experimentos e ensaio de bancada.
Escolha da areia a ser utilizada nos ensaios de bancada
A escolha da areia utilizada nos filtros fixados ao equipamento de Jar Test foi realizada por meio do ensaio de granulometria de acordo com a NBR NM 248-2003: Agregados – Determinação da composição granulométrica. A areia escolhida foi classificada como areia média, com a granulometria variando entre 0,3 a 1,2 mm.
Ensaios de bancada
Para realização dos ensaios de tratabilidade utilizou-se o equipamento de Jar Test. A esse equipamento foram adaptados filtros confeccionados em tubos de PVC, de ½” de diâmetro e 20 cm de comprimento, com um tubo de cobre de 4 mm, colocado na parte inferior para a saída da água filtrada. Os filtros (Figura 1) foram preenchidos com a areia selecionada. Eles tinham como finalidade filtrar a água bruta após ela ser misturada por cerca de 30 minutos. Todos os filtros de bancada utilizados no experimento receberam uma marca externa, para que a quantidade de areia neles inserida fosse a mesma.
Os parâmetros para a realização dos ensaios em bancada foram: gradiente de velocidade médio de 300 s-1, tempo de
mistura 10 minutos. Em seguida, o gradiente de velocidade médio foi reduzido para 65 s-1 e o tempo de mistura foi
de 20 minutos. Após esse período água era filtrada e então coletavam-se amostras para quantificação dos parâmetros cor aparente, pH, turbidez, concentração de ferro e de manganês e alcalinidade.
Depois de cada ensaio, a areia era retirada dos filtros de bancada e lavada para realização de novos testes. As análises foram realizadas semanalmente e, sempre, em triplicatas.
Para avaliar os dados obtidos durante o estudo foram utilizados os testes não paramétricos. As análises estatísticas foram feitas utilizando o programa Statistica 8. Para os testes de hipóteses, adotou-se o nível de significância (α) de 5%.
Aparato em PVC do filtros de bancada Filtro Equipamento de jar test
Figura 1. Equipamento de Jar test adaptado com o suporte de filtros para a investigação experimental
Resultados
Caracterização da água bruta
A Tabela 2 apresenta os dados dos valores máximos, médios e mínimos dos parâmetros pH, turbidez, cor aparente, concentrações de ferro e manganês e alcalinidade da água bruta.
Todos os valores das concentrações de ferro ficaram abaixo do que estabelece a Portaria nº 2914/2011 do Ministério da Saúde, que estabelece o padrão de potabilidade brasileiro, ou seja, o máximo de 0.3 mg/L de ferro.
Pode-se observar na Tabela 2 que os valores das concentrações de manganês e os valores de turbidez encontrados na água bruta ficaram acima do valor máximo permitido (VMP) pelo padrão de potabilidade brasileiro, que é de 0.1 mg/L e 1.0 uT em 95% das amostras. Isso demostra há necessidade de algum tipo de tratamento para a sua remoção.
Tabela 2. Parâmetros obtidos água bruta.
VALORES OBTIDOS ÁGUA BRUTA
Parâmetros Valor Médio Valor Máximo Valor Mínimo
pH 7.54 7.93 6.98
Turbidez (UT) 9.46 26.6 2.80
Ferro (mg . L-1) < 0.3 < 0.3 < 0.3
Manganês (mg . L-1) 0.33 0.37 0.27
Cor aparente (UC) 5.76 12.93 1.74
Alcalinidade (mg . L-1 CaCo
3) 15.20 16.50 7.70
Comparações entre a água bruta e a tratada
Comparando a água antes e depois dos ensaios de tratabilidade, pôde-se verificar que não houve diferença significativa, considerando um nível de significância de 5% na redução da cor aparente e da turbidez, conforme Figuras 2 e 3, respectivamente. Esse resultado pôde ser confirmado pelos valores de p = 0.125139 para cor aparente e de p = 0.059422 para turbidez.
Figura 2. Gráficos box-plot para avaliar se houve diferença significativa entre os valores de cor aparente da água bruta e da
tratada.
Todos valores de cor aparente, tanto da água bruta quanto da água tratada, ficaram abaixo de 15 uH (Figura 3). Esse valor é menor do que o valor estabelecido no padrão de potabilidade brasileiro. Contudo, embora na saída do tratamento a água não apresente cor aparente, quando há presença de ferro na água, essa pode adquirir cor devido à oxidação do ferro durante o percurso na rede de distribuição de água, chegando às residências com aparência turva. Pode-se perceber, por meio dos parâmetros obtidos no laboratório, que houve aproximadamente 22% de remoção da cor aparente e 31% de remoção da turbidez, comparando com os valores médios da água bruta após os ensaios de tratabilidade.
Com relação às concentrações de manganês, conforme pode ser observado na Figura 4, houve diferença significativa entre os valores obtida entre a água bruta e após os ensaios de tratabilidade, p = 0.025022.
Diante dos resultados obtidos, pôde-se notar que os valores das concentrações de manganês encontrados, tanto na água bruta quanto na água tratada, ficaram acima do valor máximo permitido (VMP) pelo padrão de potabilidade brasileiro, que é de 0.1 mg/L.
Figura 3. Gráficos box-plot para avaliar se houve diferença
Isto demonstra que o tratamento efetuado durante o estudo não foi eficiente proporcionar a redução das concentrações de manganês de maneira a atender a referida portaria.
Correlações entre os parâmetros
Como a turbidez é um parâmetro de monitoramento obrigatório no tratamento de água, decidiu-se avaliar se haveria alguma correlação entre os valores de turbidez da água tratada e os valores de manganês, bem como entre os valores de turbidez e cor aparente, utilizando-se o coeficiente de correlação não paramétrico de Spearman.
Conforme pode ser observado pelos valores de probabilidade (p), não houve correlação entre as concentrações de manganês e os valores de turbidez (p = 0.114336) e nem para as concentrações de manganês e os valores cor aparente (p = 0.107970). Também não houve correlação entre os valores de turbidez e de cor aparente (p = 0.886975).
Conclusão
Diante dos resultados obtidos, pôde-se notar que os valores das concentrações de manganês encontrados tanto na água bruta quanto na água tratada ficaram acima do valor máximo permitido (VMP) pelo padrão de potabilidade brasileiro, Portaria n°2914/2011 do Ministério da Saúde, que é de 0.1 mg/L. De acordo com a Portaria, os VMPs das concentrações de manganês podem chegar até 0.4 mg/L, desde que o manganês esteja complexado com produtos químicos comprovadamente de baixo risco à saúde humana. No presente trabalho não se adicionou qualquer produto químico à água.
A concentração média de manganês encontrada na água bruta foi de 0.33 mg/L.
Todos os valores das concentrações de ferro ficaram abaixo do que estabelece a Portaria, ou seja, o máximo de 0.3 mg/L de ferro.
Através da análise estatística verificou-se que não houve correlação entre as concentrações de manganês com os valores de turbidez e cor aparente. Também não houve correlação entre os valores de turbidez e de cor aparente. Todos valores de cor aparente tanto da água bruta quanto da água tratada ficaram abaixo de 15 uH. Esse valor é menor do que o valor do padrão organoléptico de potabilidade brasileiro, o que não garante a ausência de cor na residência, caso haja ferro na água.
O método utilizado para tratar a água não se mostrou eficaz na redução da turbidez e do manganês embora, neste último tenha diferença significativa na redução durante o tratamento. Porém, os valores das concentrações ficaram acima do recomenda pela Portaria n°2914/2011 do Ministério da Saúde.
Agradecimentos: CNPq pela bolsa de iniciação científica, Copasa/MG ajuda na coleta das amostras, Fapemig pela
ajuda na participação do congresso e Universidade Federal de São João Del Rei, instituição onde foi feita pesquisa.
Referências bibliográficas
APHA, AWWA, and WEF, (2005). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21 st ed. American Public Health Association, Washington, D.C.
BRASIL. Portaria nº 2914 de 12 de dezembro 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.
Libânio, M. (2005) Fundamentos de Qualidade e Tratamento de Água. Campinas: Átomo(2005). 444p.
Richter, Carlos A.; Azevedo Netto, José M. de. (2003) Tratamento de água: Tecnologia Atualizada. 5. Ed.São Paulo: E. Blücher Sommerfeld E. O.(1937) – Iron and manganese removal handbook – EUA: American Water Works Association, 1999. 158 p.
