André da Silva Rodrigues Desempenho de um sis tema de filtração lent a de água em argila e xpandida e geo têxtil
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
André da Silva Rodrigues
Desempenho de um sistema de filtração
Dissertação de Mestrado
Mestrado Integrado em Engenharia Civil
Trabalho Efetuado sob a orientação do
Professor Doutor Júlio F. Ferreira da Silva
André da Silva Rodrigues
Desempenho de um sistema de filtração
lenta de água em argila expandida e geotêxtil
Universidade do Minho
AGRADECIMENTOS
A presente dissertação de mestrado assinala o desfecho de uma etapa relevante e longa do meu percurso académico e, assim, não posso deixar de agradecer a algumas pessoas e entidades que contribuíram de forma importante e essencial para o meu sucesso.
Primeiramente, ao Professor Doutor Júlio Fernando Ferreira da Silva, pela sua orientação ao longo da realização desta dissertação. O seu apoio e disponibilidade foi uma constante em todo o processo.
Ao Técnico de Laboratório de Hidráulica, João Rui Mendes Oliveira, pela sua cooperação em vários momentos importantes e pelo acompanhamento dos trabalhos experimentais. À ARGEX pela disponibilização da argila expandida utilizada neste estudo, pela brevidade de resposta quando solicitada e pelos dados disponibilizados, essenciais para a compreensão de alguns resultados obtidos.
Aos docentes do Mestrado de Engenharia Civil da Universidade do Minho, pela passagem de conhecimentos, essenciais para a conclusão do curso e para a vida profissional.
Aos meus amigos Diogo Sousa, Julien Domingues, João Gonçalves, Luís Freitas e Luís Silva, colegas de curso, pelo apoio, pela amizade e pelo incentivo em todo este trajeto e à Raquel Monteiro e Sara Ferreira, pela amizade.
Por fim, aos meus pais pelo esforço e dedicação, aos meus irmãos e à minha família, pelo apoio dado em todas as fases da minha vida.
RESUMO
A filtração lenta é um processo de tratamento de água com uma vasta aplicação desde há bastantes anos a esta parte. A presente dissertação destina-se a estudar o desempenho de um filtro lento de argila expandida com mantas geotêxtil, mais concretamente avaliar a variação de alguns parâmetros indicadores da qualidade da água, antes e após a filtração. A instalação experimental foi realizada no Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, em Azurém, Guimarães. Os parâmetros de qualidade da água medidos foram a turvação, o pH, a condutividade elétrica, a temperatura e o oxigénio dissolvido. A turvação da água foi conseguida pela adição de lodo ao sistema.
O caudal médio do filtro foi de cerca de 0,37 m3/h, variando entre 0,22 e 0,73 m3/h. A taxa
de filtração manteve-se entre 4,13 e 13,90 m/dia.
Relativamente à turvação medida, obteve-se eficiências de redução máximas superiores a 90%, mas a eficiência de redução mínima foi apenas 37%, aproximadamente. O maior pico de turvação da água recirculada foi cerca de 64 UNT, mantendo-se a média deste parâmetro em cerca de 8 UNT. Apesar da turvação elevada do tanque de água bruta, conseguiu-se obter um efluente com turvação média de 0,62 UNT e de mínimo 0,22 UNT.
Os valores médios do pH obtidos durante o estudo foram 9,89, tanto para a água filtrada como para a água recirculada.
Palavras-chave: filtração de água, biofiltração, argila expandida, filtração lenta com argila
ABSTRACT
The slow filtration is a water treatment process with a broad application since many years ago. The purpose of this dissertation is to study the performance of a slow filter made with expanded clay and geotextile, more specifically, to evaluate the variation of some water quality parameters, before and after filtration.
The experimental installation was installed in Azurém, Guimarães. Turbidity, pH, electrical conductivity, temperature and dissolved oxygen were the water quality parameters measured. The turbidity of water was achieved by the addition of mud to the system. The average flow was approximately 0,37 m3/h, ranging between 0,22 and 0,73 m3/h. The
filtration rate remained between 4,13 and 13,90 m/dia.
The maximum reduction of turbidity was higher than 90%, but the minimum was just about 37%. The higher turbidity of the raw water was about 64 NTU and the average of this parameter was, approximately, 8 NTU. Despite high turbidity in raw water tank, the turbidity effluent average was 0,62 NTU and the minimum was 0,22 NTU
In this study, the pH average was 9,89 in raw water and filtered water.
Keywords: water filtration, biofiltration, expanded clay, slow filtration with expanded clay,
ÍNDICE GERAL
1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1. Enquadramento e relevância do tema... 1
1.2. Objetivos ... 2
1.3. Estrutura da dissertação ... 2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 5
2.1 Caraterísticas da água bruta e a necessidade do tratamento da mesma para consumo humano ... 5
2.1.1 Definição e origem da Turvação ... 9
2.2 Filtração ... 11
2.2.1 Filtração lenta em areia ... 12
2.2.2 Filtração em argila expandida ... 17
2.2.3 Filtração com mantas ... 18
2.3 Operação e manutenção de filtros lentos de areia ... 19
2.3.1 Limpeza de filtros lentos ... 20
3. Procedimento Experimental ... 22
3.1 Introdução... 22
3.2 Argila Expandida... 22
3.3 Local de recolha da água bruta/lodo ... 29
3.3.1 Qualidade da água bruta/lodo ... 31
3.4 Equipamento de medição... 33
3.4.1 Medição da Turvação ... 34
3.4.3 Medição do pH ... 39
3.4.4 Medição do Oxigénio Dissolvido (OD) ... 40
3.4.5 Medição da Temperatura ... 41
3.5 Material Utilizado nos procedimentos experimentais ... 41
3.6 Tarefas Preliminares ... 42
3.6.1 Lavagem da argila expandida ... 43
3.6.2 Calibração dos equipamentos de medição ... 45
3.7 Instalação Experimental ... 47
3.8 Descrição dos trabalhos realizados ... 53
4. Resultados e discussão dos mesmos ... 59
4.1 Turvação ... 59
4.2 Parâmetros Físico – Químicos de Controlo... 65
4.2.1 Condutividade elétrica ... 65
4.2.2 pH ... 71
4.2.3 Oxigénio dissolvido ... 75
4.2.4 Temperatura ... 78
4.3 Caudal e taxa de filtração ... 81
5. Conclusões e desenvolvimentos futuros ... 85
5.1 Conclusões ... 85
5.2 Desenvolvimentos futuros ... 89
Bibliografia ... 91
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 – Impurezas geralmente presentes na água bruta proveniente de massas de água
superficiais (Di Bernardo et al., 1999). ... 6
Figura 2.2 – Dimensões das partículas presentes na água bruta e processos de tratamento eficazes para a remoção das mesmas (Levine et al., 1985). ... 11
Figura 2.3 – Timeline dos principais eventos relacionados com filtros lentos de areia (FLA) (Adaptado de Haig et al., 2011). ... 12
Figura 2.4 – Configuração geral de um filtro lento. ... 14
Figura 2.5 – Esquema de reposição da areia no filtro lento (Slow Sand Filtration, 1991). ... 21
Figura 3.1 – Sacos de 50 L de argila expandida 2-4 e 3-8. ... 22
Figura 3.2 – Argila expandida ARGEX. ... 23
Figura 3.3 – Argila expandida 0-2, 2-4 e 3-8. ... 29
Figura 3.4 – Local de recolha da água bruta/lodo e laboratório. ... 30
Figura 3.5 – Pequeno trecho da ribeira. ... 31
Figura 3.6 - Pequenos organismos presentes na água bruta da ribeira. ... 32
Figura 3.7 – Aspeto do lodo utilizado para as fases de turvação da água. ... 33
Figura 3.8 – HACH HQ 40d. ... 33
Figura 3.9 – Turbidímetro HACH 2100Q is e cubetas. ... 34
Figura 3.10 – Ecrã do turbidímetro HACH 2100Q is ... 36
Figura 3.11 – HYDROLAB MiniSonde 4a. ... 38
Figura 3.12 – HYDROLAB MiniSonde 5. ... 38
Figura 3.13 – Medidor multi-parâmetro HQ 40d e sonda CDC401 R... 39
Figura 3.14 – Medidor multi-parâmetro HQ 40d e sonda PHC301. ... 40
Figura 3.15 – Medidor multi-parâmetro HQ 40d e LDO R. ... 40
Figura 3.16 – Medidor multi-parâmetro HQ 40d e LDO... 41
Figura 3.17 – (a) Furos na parte inferior do saco; (b) Lavagem da argila com saco de pé. ... 43
Figura 3.18 – Saco de filtro... 44
Figura 3.19 – (a) ARGEX 0-2 antes da lavagem; (b) ARGEX 0-2 depois de lavada. ... 45
Figura 3.20 – Calibração da condutividade (Software Hydras 3LT). ... 46
Figura 3.21 – (a) Soluções para a calibração da condutividade (84 e 1413 μS/cm); (b) Calibração do pH da sonda MS5. ... 46
Figura 3.22 – Amostras de calibração de 10, 20, 100 e 800 UNT. ... 47
Figura 3.23 – Perfil do tanque (filtro de argila expandida). ... 48
Figura 3.24 – (a) Colocação da primeira camada; (b) Colocação da última camada; (c) Filtro de argila expandida depois da colocação das mantas geotêxtil. ... 49
Figura 3.25 – Argila expandida fazendo as mantas geotêxtil flutuar. ... 50
Figura 3.26 - Configuração final do filtro de argila expandida. ... 51
Figura 3.27 - Instalação experimental (Software SketchUp). ... 52
Figura 3.28 – Colher de lodo para a turvação da água. ... 54
Figura 3.29 – (a) Garrafão de água antes da turvação; (b) Garrafão de água turvada, depois de adicionado o lodo. ... 54
Figura 3.30 – Limpeza das células de amostra com ácido nítrico 65% e pipeta. ... 55
Figura A.1 – (a) Filtro de areia completo; (b) Filtro de areia sem camada de granulometria fina. ... 1
Figura A.2 – (a) Fundo do filtro com água e godo; (b) Fundo do filtro praticamente limpo. ... 2
Figura A.3 – Mantas geotêxtil antes da lavagem. ... 3
Figura A.4 – Manta geotêxtil depois da lavagem. ... 3
Figura A.5 – Mantas geotêxtil fixas à armadura de suporte. ... 4
Figura A.6 – (a) Tanque de água bruta antes da limpeza; (b) Tanque de água bruta depois da limpeza. ... 5
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1 – Alguns requisitos de qualidade das águas doces superficiais destinadas à produção de água para consumo humano (Adaptado do Dec. Lei nº 236/98 de 1 de Agosto).
... 7
Tabela 2.2 – Alguns valores paramétricos para a água destinada ao consumo humano (Adaptado do Dec. Lei nº 306/2007). ... 8
Tabela 2.3 - Alguns requisitos de qualidade da água para consumo humano (Adaptado do Dec. Lei nº 236/98). ... 8
Tabela 2.4 – Qualidade recomendável da água para filtração lenta (Di Bernardo et al., 1999). ... 8
Tabela 2.5 – Classificação de parâmetros das águas brutas superficiais (OPS/CEPIS, 2005). ... 9
Tabela 2.6 – Outros parâmetros indicadores da qualidade da água obtidos por Injai (2013) ... 15
Tabela 2.7 – Atividades de operação e manutenção de filtros lentos (Di Bernardo et al., 1999). ... 19
Tabela 3.1 – Caraterísticas Técnicas dos três tipos de ARGEX Filtrante (Adaptado de (ARGEX)) ... 24
Tabela 3.2 – Propriedades das argilas expandidas utilizadas (Adaptado de catálogos da ARGEX). ... 24
Tabela 3.3 – Composição química das argilas expandidas 0-2, 2-4 e 3-8 (Adaptado de catálogos da ARGEX)... 25
Tabela 3.4 – Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 0-2). ... 26
Tabela 3.5 – Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 2-4). ... 27
Tabela 3.6 – Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 3-8). ... 27
Tabela 3.7 – Resumo das frequências de medição para cada parâmetro de qualidade. ... 56
Tabela 4.1 – Alguns valores relevantes acerca dos dados totais da turvação da água recirculada/filtrada - Modo de leitura normal/média de sinal (Valores em UNT). ... 61
Tabela 4.2 – Valores médios diários de turvação e reduções percentuais de turvação. .... 62
Tabela 4.3 – Valores médios diários da condutividade e temperatura (sonda CDC401 R). ... 68
Tabela 4.4 – Valores médios diários da condutividade e temperatura do afluente e efluente (MS5 e MS4a) (Valores da condutividade em µS/cm e de temperatura em °C). ... 69
Tabela 4.5 – Valores médios diários do pH e temperatura (medidos com sensor PHC301).
... 73
Tabela 4.6 – Valores de pH e temperatura do filtro de areia. ... 75
Tabela 4.7 – Resumo dos valores mínimo, máximo e médio do oxigénio dissolvido. ... 76
Tabela 4.8 – Valores mínimos, máximos e médios da temperatura. ... 81
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 3.1 – Curva granulométrica da ARGEX 0-2. ... 28
Gráfico 3.2 – Curva granulométrica da ARGEX 2-4. ... 28
Gráfico 3.3 – Curva granulométrica da ARGEX 3-8. ... 29
Gráfico 4.1 - Variação da turvação da água filtrada e da água recirculada (modo de leitura normal). ... 59
Gráfico 4.2 - Valores médios diários de turvação da água filtrada e recirculada ... 64
Gráfico 4.3 – Valores médios diários da eficiência de remoção da turvação. ... 65
Gráfico 4.4 – Variação da condutividade elétrica e da temperatura ao longo do estudo (sonda CDC401 R). ... 66
Gráfico 4.5 - Tendência dos valores médios diários da condutividade e da temperatura (MS5 e MS4a). ... 70
Gráfico 4.6 - Variação do pH da água filtrada e da água recirculada. ... 71
Gráfico 4.7 - pH vs temperatura – linhas de tendência. ... 72
Gráfico 4.8 - Variação dos valores médios diários de pH e temperatura (medidos com sensor PHC301). ... 74
Gráfico 4.9 - Variação do oxigénio dissolvido e da temperatura (sonda LDO R)... 76
Gráfico 4.10 - Variação do oxigénio dissolvido e da temperatura (sonda LDO). ... 77
Gráfico 4.11 – Variação da temperatura da água filtrada (temperatura em °C). ... 78
Gráfico 4.12 – Variação da temperatura da água recirculada (temperatura em °C). ... 80
SIMBOLOGIA
� – Área de filtração (em planta) Di – Abertura do peneiro
� % - Eficiência de remoção da turvação, em percentagem Q – Caudal
S – Área
– Taxa de filtração
� – Tempo, em segundos, que demora a encher 1 litro, à saída do filtro de argila expandida � – Tempo, em segundos, que demora a encher 2 litros, à saída do filtro de argila expandida
�á � � �� �� � =� – Turvação da água recirculada no momento x, em UNT
�á � �� �� � =� – Turvação da água filtrada no momento x, em UNT
v – Velocidade de escoamento V – Volume
ABREVIATURAS
CAG – Carvão ativado granular CQO – Carência química de oxigénio ETA - Estação de Tratamento de Água OD – Oxigénio Dissolvido
RST - Rapidly Settling Turbidity
UNT – Unidade Nefelométricas de Turvação VMA – Valor máximo admissível
1.
INTRODUÇÃO
1.1.
Enquadramento e relevância do tema
Desde há alguns séculos a esta parte, existe um cuidado acerca da qualidade da água existente no planeta mas, com o desenvolvimento das civilizações, esta preocupação tornou-se cada vez mais essencial. É importante destacar que as mais variadas formas de vida existentes necessitam de água para sobreviver sendo que cerca de 75% do corpo humano é constituído por água. A água funciona no nosso corpo como um regulador de temperatura e como transporte de nutrientes, entre outros benefícios.
O acesso à água para consumo é, em muitos dos casos, difícil pois, nem toda a água disponível no planeta é facilmente tratada para os mais diversos consumos. Vários autores estimam que 97 % da água existente na Terra seja água salgada e apenas os restantes 3 % representem a água doce disponível sendo que grande parte se encontra sob a forma de gelo e apenas cerca de 0,3 % desta é diretamente aproveitável. A água que apresenta mais facilidades no tratamento para consumo humano é a água doce pois a água salgada tem de ser submetida a processos de tratamento complexos e de custo elevado. Em pleno século XXI e, apesar de todos os esforços, ainda existem milhões de pessoas que têm dificuldades em aceder a água tratada. Mesmo em cidades como o Dubai, devido ao rápido desenvolvimento, o acesso à água potável para consumo nem sempre é facilitado devido às condições climatéricas, estando-se a desenvolver esforços e novas técnicas para ultrapassar este desafio. Torna-se essencial o acesso a água potável para consumo.
Para o consumo humano há a necessidade de uma água pura e saudável, isto é, livre de matéria suspensa visível, cor, gosto e odor, de quaisquer organismos capazes de provocar enfermidades e de quaisquer substâncias orgânicas ou inorgânicas que possam produzir efeitos fisiológicos prejudiciais (Richter et al., 1991).
O tratamento da água para consumo é realizado nas Estações de Tratamento de Água (ETA) depois de esta ser captada de uma dada massa de água bruta. A escolha do conjunto de processos de tratamento é um sistema complexo que depende, em primeiro lugar, da qualidade da água bruta captada. Logicamente, massas de água de baixa qualidade, com concentrações elevadas de sólidos suspensos e bactérias por exemplo, terão de ser alvo de processos de tratamento mais complexos em relação a uma água de boa qualidade e
límpida. Um dos processos de tratamento que se utiliza nas ETA para tratar a água bruta é a filtração.
A filtração carateriza-se por um processo físico e biológico que pode ocorrer após outras etapas de tratamento mas pode funcionar, também, como a única etapa de tratamento que precede a desinfeção. A filtração pode se considerar como rápida ou lenta e pode conter vários tipos de materiais como meio filtrante, para além de poder ser uma etapa de tratamento mais eficaz com a inserção de carvão ativado granular, argila expandida ou mantas geotêxtil, por exemplo.
Este trabalho irá debruçar-se sobre o processo de filtração lenta em argila expandida que apresenta imensas vantagens quando aplicado de forma correta para tratar águas para consumo humano. Existem imensos estudos sobre a filtração lenta mas nunca é de mais perceber a evolução da remoção dos vários constituintes da água bruta e estudar novas potencialidades deste processo de tratamento.
1.2.
Objetivos
Neste trabalho de investigação pretende-se conhecer melhor as potencialidades da filtração lenta. Como já existem muitos trabalhos acerca da filtração lenta em areia, além deste meio filtrante, o objetivo passa por estudar este processo de tratamento com argila expandida como meio filtrante. Sendo assim, os principais objetivos que se pretendem atingir são:
Desenvolvimento de um modelo da variação dos parâmetros indicadores da qualidade da água pH, condutividade elétrica, oxigénio dissolvido (OD), temperatura e, principalmente, a turvação para o meio filtrante – argila expandida;
Avaliação da eficiência de remoção da turvação na filtração lenta em argila expandida; Avaliar a relação entre os vários parâmetros indicadores da qualidade da água em
estudo;
Comparação dos resultados obtidos com resultados anteriores.
É desejável que, no final deste estudo, este seja relevante para a perceção sobre a importância e as capacidades/vantagens que a filtração lenta em argila expandida pode oferecer.
Além deste capítulo introdutório, onde se apresenta uma introdução ao tema em estudo, os objetivos do estudo e a estrutura da dissertação, esta dissertação é constituída ainda por mais 4 capítulos – Revisão bibliográfica, Procedimento experimental, Resultados e discussões e, por ultimo, as conclusões e desenvolvimentos futuros.
No capítulo 2, revisão bibliográfica, apresenta-se uma pequena revisão do estado da arte onde se pode atentar em alguns estudos de filtração lenta e conclusões de outros autores. No capítulo 3, método experimental, são enumeradas as características da argila expandida, é feita a caraterização do local onde se recolheu água bruta e o lodo e é feita a listagem e caraterização dos vários equipamentos de medição utilizados na fase prática deste estudo. Ainda neste capítulo, também se enumeram os vários materiais usados neste trabalho, bem como as tarefas preliminares à operação do filtro. Por último, pode-se atentar à instalação experimental e faz-se a descrição da metodologia experimental de modo a recolher os dados necessários.
No capítulo 4, resultados e discussão dos mesmos, apresentam-se os dados recolhidos e medidos pelos diferentes equipamentos de medição. Estes dados são apresentados em forma de tabelas e gráficos sendo que a maior parte dos mesmos encontra-se em anexo. Neste capítulo é feita, ainda, uma análise à evolução dos parâmetros de qualidade da água medidos.
No capítulo 5, conclusões e recomendações, apresentam-se as principais conclusões da dissertação e sugestões para desenvolvimentos futuros.
2.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Caraterísticas da água bruta e a necessidade do tratamento da
mesma para consumo humano
Segundo Brito et al. (2010) a oferta de água doce bruta para consumo pode ter origem em águas subterrâneas ou massas de água superficiais. A escolha entre estas duas opções prende-se com dois aspetos importantes:
Dimensão da população servida;
Presença de aquíferos e das suas funções estratégicas em zonas sujeitas a secas.
De acordo com Coelho et al. (2002) e Brito et al. (2010) os constituintes prejudiciais à saúde presentes na água para abastecimento podem ser de origem natural ou de origem antropogénica como atividades industriais ou agrícolas. Ainda segundo Brito et al. (2010), devido à presença destes contaminantes, a água bruta pode não cumprir os requisitos legais, pelo que deve ser alvo de tratamento prévio antes de ser consumida.
As águas subterrâneas são geralmente isentas de microrganismos patogénicos e com menores teores de matéria orgânica, mas podem conter elevados teores em sais dissolvidos, ferro, manganês e nitratos. As de origem superficiais têm uma maior variedade e variabilidade de contaminantes químicos e biológicos, em alguns casos potencialmente patogénicos (Brito et al., 2010).
De acordo com Brito et al. (2010), a seleção do processo de tratamento é uma tarefa complexa já que depende de alguns aspetos como:
As caraterísticas da água bruta;
Os requisitos de qualidade e quantidade exigidos à água tratada; As condições físicas e económicas;
A flexibilização do tratamento com vista a alterações futuras e/ou ampliações; A importância da minimização do impacto ambiental (energia consumida e resíduos
produzidos durante os processos de tratamento); As caraterísticas dos sistemas de distribuição.
Segundo Di Bernardo et al. (1999), a água bruta proveniente de massas de água superficiais contêm, geralmente, material flutuante, material em suspensão como areia fina, silte ou argila e matéria orgânica natural, como se pode observar na Figura 2.1. Certos organismos prejudiciais à saúde pública como vírus ou bactérias também podem fazer parte destes mesmos corpos de água pelo que é essencial adotar um processo de tratamento eficaz.
Figura 2.1 – Impurezas geralmente presentes na água bruta proveniente de massas de água
superficiais (Di Bernardo et al., 1999).
De acordo com Richter et al. (1991), as impurezas em suspensão habitualmente presentes nas águas brutas são as algas e os protozoários que podem causar sabor, odor, cor ou turvação para além de resíduos industriais e domésticos. Além destas impurezas, a água bruta também apresenta impurezas no estado coloidal como bactérias e vírus que podem ser patogénicos além de substâncias de origem vegetal que provocam uma alteração de cor, acidez e sabor na água bem como sílica e argilas que originam um aumento de turvação da água. Os mesmos autores consideram, também, a presença de substâncias dissolvidas na água, que originam a alteração da qualidade da mesma.
Sendo assim, é importante assegurar que a água captada apresente qualidade e respeite as normas em vigor para que o processo de tratamento da mesma não seja interrompido, o que poderia trazer transtornos às populações bem como contratempos, principalmente nos custos, para as empresas gestoras das Estações de Tratamento de Água (ETA). O Dec. Lei nº 236/98 de 1 de Agosto estabelece normas, critérios e objetivos de qualidade com a finalidade de proteger o meio aquático e melhorar a qualidade das águas em função dos seus principais usos. No Anexo I do Decreto-Lei supracitado podem-se conhecer os parâmetros de qualidade que as águas doces superficiais destinadas à produção de água
destinadas à produção de água para consumo humano são classificadas nas categorias A1, A2 e A3, de acordo com as normas de qualidade fixadas no anexo I, a que correspondem esquemas de tratamento tipo distintos, definidos no anexo II, para as tornar aptas para consumo humano (Dec. Lei nº 236/98 de 1 de Agosto). As categorias ou classes a que correspondem tipos de tratamento das águas superficiais são:
Classe A1 – Tratamento físico e desinfeção;
Classe A2 – Tratamento físico e químico e desinfeção;
Classe A3 – Tratamento físico, químico de afinação e desinfeção.
Na tabela 2.1, pode-se atentar em alguns dos mais importantes parâmetros de qualidade da água superficial por classe de tratamento. É importante clarificar as siglas VMR e VMA que representam, respetivamente, o valor máximo recomendado e o valor máximo admissível de cada parâmetro.
Tabela 2.1 – Alguns requisitos de qualidade das águas doces superficiais destinadas à produção de água para consumo humano (Adaptado do Dec. Lei nº 236/98 de 1 de Agosto).
Parâmetro Classe A1 Classe A2 Classe A3 VMR VMA VMR VMA VMR VMA pH, 25 °C 6,5 – 8,5 - 5,5 – 9,0 - 5,5 – 9,0
Cor (mg/l) 10 20 50 100 50 200
Sólidos Suspensos Totais (SST) (mg/l) 25 - - - - - Temperatura (°C) 22 25 22 25 22 25 Condutividade (µS/cm) 1000 - 1000 - 1000 - Ferro dissolvido (mg/l Fe) 0,1 0,3 1 2 1 - Manganês (mg/l Mn) 0,05 - 0,1 - 1 - Pesticidas Totais (µg/l) - 1 - 2,5 - 5 Carência Química de Oxigénio (CQO)
(mg/l O2) - - - - 30 -
Oxigénio Dissolvido (OD)
(% de saturação de O2) 70 - 50 - 30 -
Carência Bioquímica de Oxigénio (CBO5) (mg/l O2) 3 - 5 - 7 -
Coliformes Totais (/100 ml) 50 - 5000 - 50000 - Coliformes Fecais ou Termotolerantes
(/100 ml) 20 - 2000 - 20000 - O Dec. Lei nº 236/98 de 1 de Agosto não estabelece, diretamente, qualquer restrição quanto à turvação da água bruta que será posteriormente tratada, fornecendo apenas valores limite para parâmetros que estão intimamente relacionados com a turvação da água como é o caso dos sólidos suspensos totais.
No que diz respeito à água para consumo, o Dec. Lei nº 306/2007 especifica os valores paramétricos para a água destinada ao consumo humano. Na tabela 2.2 podem ver-se alguns desses valores paramétricos.
Tabela 2.2 – Alguns valores paramétricos para a água destinada ao consumo humano (Adaptado do
Dec. Lei nº 306/2007).
Valor Paramétrico Cor mg/l (escala Pt-Co) 20
Turvação UNT 4,0
pH Escala de Sorensen 6,5 - 9,0 Condutividade µS/cm 2500
Ferro mg/l Fe 0,2
Manganês mg/l Mn 0,05
Por outro lado, segundo o Dec. Lei nº306/2007, no caso de águas superficiais, o valor paramétrico da turvação aquando da saída do tratamento deve ser de 1,0 UNT.
Este Dec. Lei é omisso em relação a outros parâmetros de qualidade da água para consumo, presentes no Dec. Lei nº 236/98, tal como se pode observar na tabela 2.3.
Tabela 2.3 - Alguns requisitos de qualidade da água para consumo humano (Adaptado do Dec. Lei nº 236/98).
VMR VMA Parâmetros físico-químicos Sólidos suspensos totais mg/l - 1500 Temperatura °C 12 25
De acordo com Di Bernardo et al. (1999), a água antes de entrar num filtro, deve apresentar as características que constam na tabela 2.4.
Tabela 2.4 – Qualidade recomendável da água para filtração lenta (Di Bernardo et al., 1999).
Caraterísticas da água (Di Bernardo, 1993) Cleasby (1991)
Turvação (UNT) 10 5
Cor verdadeira (uC) 5 -
Ferro (mg/l Fe) 1 0,3
Manganês (mg/l Mn) 0,2 0,05 Coliformes Totais (NMP/100ml) 1000 -
Na tabela 2.4, a cor é apresentada como unidades de cor e os coliformes totais são expressos como número mais provável por 100 mililitros.
Segundo OPS/CEPIS (2005), no caso de a poluição industrial da água bruta ser nula ou muito reduzida, os parâmetros de qualidade da água que se deve ter em conta são a turvação,
a cor e os coliformes fecais ou termotolerantes. Ainda de acordo com a mesma publicação, estes mesmos parâmetros das águas brutas superficiais podem ser classificados segundo um intervalo de valores específico como se pode verificar na tabela 2.5.
Tabela 2.5 – Classificação de parâmetros das águas brutas superficiais (OPS/CEPIS, 2005).
Baixo Intermédio Alto Turvação (UNT) < 10 10 – 20 20 – 70
Cor (mg/l) < 20 20 – 30 30 – 40 Coliformes fecais (/100 ml) < 500 500 – 10000 10000 – 20000
2.1.1 Definição e origem da Turvação
A turvação é um importante parâmetro visual da qualidade da água e será alvo de um estudo cuidadoso no decorrer desta dissertação.
Von Sperling (1996) concluiu que a turvação representa o grau de interferência da passagem da luz através da água sendo que os sólidos em suspensão de origem orgânica e inorgânica conferem uma aparência turva à água.
A turbidez é uma caraterística da água devida à presença de partículas suspensas na água com tamanho variando desde suspensões grosseiras aos coloides, dependendo do grau de turbulência. A presença dessas partículas provoca a dispersão e a adsorção da luz, dando à água uma aparência nebulosa, esteticamente indesejável e potencialmente perigosa (Richter
et al., 1991). Segundo Dantas (2004), a forma como a água interfere na transmissão da luz,
em amostras que contêm partículas em suspensão, está relacionada com as características das partículas (tamanho, forma e composição) e com o comprimento de onda da luz incidente.
Richter et al. (1991) concluíram que os aparelhos mais eficazes e mais utilizados que medem a turvação são os nefelómetros. Estes são aparelhos que medem a reflexão da luz incidente pelas partículas. O nefelómetro mais utilizado é o turbidímetro que mede a turvação da água em unidades nefelométricas de turvação (UNT). Em alguma bibliografia, a turvação pode estar expressa em NTU (Nephelometric Turbidity Units) ou em uT (Unidades de turvação).
De acordo com Campos (2006), a turvação deve-se à presença de partículas de rocha como argila, silte ou outros minerais além de algas e microrganismos que causam implicações
substanciais nos processos de tratamento da água para consumo humano, podendo afetar a segurança e a aceitação da água por parte dos consumidores finais.
Brito et al. (2010), contrariando a tabela 2.5, considera que uma água tem uma turvação alta quando o valor da turvação é 100 UNT ou superior.
Segundo Camplesi (2009), a turvação da água deve-se à presença de: Partículas coloidais;
Partículas em suspensão; Matéria orgânica (húmus);
Matéria inorgânica (óxidos), plâncton e algas; Outros organismos microscópicos.
O conhecimento acerca das dimensões das partículas presentes na água bruta, segundo Alcócer (1993), é de elevada importância pois águas com uma elevada quantidade de material fino dificilmente conseguirão ser alvo de tratamento eficaz apenas por filtração lenta. Na figura 2.2 pode-se atentar acerca da distribuição do tamanho das partículas bem como os processos de tratamento que são eficazes na remoção dessas partículas além das técnicas de determinação do tamanho das mesmas.
Figura 2.2 – Dimensões das partículas presentes na água bruta e processos de tratamento eficazes para a remoção das mesmas (Levine et al., 1985).
Segundo Di Bernardo et al. (2005), as massas de água superficiais podem apresentar variações significativas de turvação durante as diferentes épocas do ano. De acordo com Di Bernardo et al. (1999), nos países tropicais existem duas épocas do ano bem definidas – de estiagem e de chuva. Durante a estiagem, a qual representa a maior fração do ano, a água captada em massas de água localizadas em bacias hidrográficas sanitariamente protegidas apresenta, na maior parte dos casos, uma qualidade aceitável para que seja tratada eficientemente por filtração lenta e, posteriormente, desinfetada por meio de coloração. O problema nestes países, segundo os mesmos autores, ocorre em épocas de chuva onde as águas apresentam, habitualmente, maiores concentrações de microrganismos e de sólidos suspensos e, consequentemente, valores elevados de turvação o que faz com que a filtração lenta não se possa realizar convenientemente sendo necessário procurar outras formas de pré-tratamento.
2.2 Filtração
A filtração é uma operação unitária que tem como objetivo a remoção do material em suspensão que não foi removido durante a etapa de decantação (Rodrigo et al., 2007).
A filtração pode ser lenta ou rápida, dependendo da granulometria do material filtrante utilizado e da própria configuração da unidade de filtração (Rodrigo et al., 2007).
Segundo Di Bernardo et al. (1999), os filtros lentos operam com taxas de filtração normalmente inferiores a 6 m/dia. Por outro lado, no caso dos filtros rápidos, a taxa de filtração pode variar entre 150 e 600 m/dia. Moody et al. (2002) consideram que a taxa de filtração em filtros lentos deve ser mantida dentro de um intervalo de 2,4 a 7,2 m/dia para que a atividade biológica possa ocorrer de forma eficaz e para proporcionar tempo suficiente para que a água fique purificada.
2.2.1 Filtração lenta em areia
A filtração lenta em areia foi objeto de vários estudos realizados Devido a isto, é importante dar uma atenção especial sobre este tipo de filtração. Na figura 2.3, podem-se observar alguns eventos importantes relacionados com a filtração lenta em areia.
Figura 2.3 – Timeline dos principais eventos relacionados com filtros lentos de areia (FLA)
(Adaptado de Haig et al., 2011).
A filtração lenta tem sido usada no tratamento de água para abastecimento público desde o começo do século XIX e tem-se mostrado um sistema eficaz de tratamento, desde que projetado de forma apropriada e aplicado nas situações corretas (Di Bernardo et al., 1999). Ainda segundo os mesmos autores, a filtração lenta caiu um pouco em desuso devido à substituição tecnológica e à deterioração das massas de água devido à opção de um desenvolvimento económico baseado num modelo urbano industrial sem qualquer preocupação em assegurar a qualidade dos meios hídricos.
Segundo Camplesi (2009), a necessidade de se realizarem estudos acerca da filtração lenta em areia, prende-se com a necessidade de aperfeiçoar técnicas eficazes de tratamento de água para consumo humano sem coagulação química e, também, pelo facto de este tipo de filtração constituir uma alternativa sustentável para se aplicar em pequenas comunidades rurais.
A filtração lenta é um sistema de tratamento de água de operação simplificada que, em verdade, simula mecanismos naturais de depuração das águas, na sua percolação pelo subsolo, sendo que, nesse percurso, são removidos microrganismos, partículas e substâncias químicas (Camplesi, 2009).
Segundo Di Bernardo et al. (1999), a filtração lenta é um processo de tratamento que não necessita da adoção de coagulantes, trabalha com taxas de filtração baixas e usa um meio filtrante de granulometria fina.
No tratamento sem coagulação química, a filtração lenta e a cloração são os principais processos capazes de assegurar a produção de água com qualidade adequada ao consumo humano. Porém, a eficiência da filtração lenta pode ser comprometida, se a turbidez da água bruta for superior a 10 UNT. Neste caso, a pré-filtração possibilita a redução das impurezas da água antes da filtração lenta (Veras et al., 2008).
A eficiência da filtração lenta é substancialmente afetada pela turvação da água a ser tratada, pois tal parâmetro de qualidade reflete a quantidade de partículas pequenas presentes na água, às quais muitos microrganismos encontram-se aderidos (Di Bernardo et
al., 1999).
De acordo com Camplesi (2009) e Murtha et al. (2003), um filtro lento convencional é composto pelos seguintes elementos:
Camada de água sobrenadante;
Camada Schmutzdecke (camada superficial de finos e biofilme); Leito filtrante;
Camada suporte; Sistema de drenagem; Controlo de vazão.
Figura 2.4 – Configuração geral de um filtro lento.
A Schmutzdecke, é uma camada constituída por partículas inertes, matéria orgânica e diversas variedades de bactérias, algas, protozoários, metazoários, entre outros, além de precipitados de ferro e manganês quando se encontram dissolvidos no afluente e é formada a partir da retenção de partículas suspensas e adesão de microrganismos. A atividade de microrganismos no Schmutzdecke, no filtro lento, é um dos fatores chaves para se obter água de boa qualidade (Di Bernardo et al., 2005). Segundo Campos (2006) considera que o extenso período de retenção hidráulico da água acima da camada do leito filtrante de areia permite o desenvolvimento desta comunidade biológica.
Campos et al. (2002) estudaram a importância da camada Schmutzdecke para a atividade microbiológica dos filtros lentos. Durante este estudo, foi possível aos autores do mesmo, concluir que a acumulação de biomassa na Schmutzdecke é bastante variável, não apresentando quaisquer padrões específicos, quer temporal como espacialmente. Apesar deste facto, foi possível verificar que, durante a pesquisa, a quantidade de biomassa na camada do leito filtrante aumentou. Outra conclusão interessante neste trabalho é o facto de a Schmutzdecke ser responsável pela entrada de substratos de carbono para a camada de areia, que funciona como nutrientes para a atividade biológica que se desenvolve ao longo do leito filtrante.
Com o passar do tempo de operação, a Schmutzdecke dificulta o escoamento nos filtros e, consequentemente, o desempenho dos mesmos diminui temporariamente, sendo necessário que essa camada seja removida (Dizer et al., 2004).
De acordo com Di Bernardo et al. (1999), o desempenho dos filtros lentos na remoção de microrganismos depende de vários fatores como:
A taxa de filtração (remoção diminui com o aumento da taxa de filtração); A temperatura (menores temperaturas resultam em taxas de remoção menores); A espessura do meio filtrante (quanto mais espesso é o meio filtrante, geralmente, mais
eficiente é o processo);
O tamanho dos grãos de areia (maior granulometria resulta numa menor remoção); A idade da Schmutzedecke;
A maturidade microbiológica do meio filtrante.
Dos fatores mencionados acima, Bellamy et al. (1985) consideram que o mais importante é a maturidade microbiológica do meio filtrante.
Keijola et al. (1988) realizaram estudos em escala de laboratório e piloto e verificaram que a filtração lenta apresentou maior eficiência de remoção de toxinas em relação ao tratamento convencional mas a adsorção em carvão ativado mostrou ser ainda mais eficiente.
Injai (2013) utilizou os mesmos tanques de filtração lenta que seriam utilizados neste estudo mas com três granulometrias de areia (godo, areia grosseira e areia fina). Os resultados obtidos pelo autor são esclarecedores das vantagens da utilização deste tipo de sistema de tratamento de água. Relativamente ao parâmetro turvação, obteve uma remoção média durante o estudo de cerca de 77,99% sendo a máxima remoção deste parâmetro 98,12%. No que diz respeito à condutividade elétrica, este parâmetro apresentou um valor médio para a água filtrada igual a 93,39 μS/cm e 101,14 μS/cm para a água recirculada, existindo, assim, tendência para a condutividade elétrica diminuir durante a passagem pelo filtro. Outros parâmetros medidos por Injai (2013), neste mesmo estudo, encontram-se na tabela 2.6.
Tabela 2.6 – Outros parâmetros indicadores da qualidade da água obtidos por Injai (2013)
Valores Médios
Água Filtrada Água Recirculada
pH 6,80 7,01
Temperatura (°C) 23,12 23,09
OD (mg/L) 8,75 9,03
Camplesi (2009) avaliou a eficiência da remoção de vários parâmetros da qualidade da água quando tratada pela FiME (Filtração em múltiplas etapas) com duas taxas de filtração (3 e
6 m/dia). A autora concluiu que o aumento da taxa de filtração no FLA (Filtro lento de areia) afetou negativamente a remoção de turvação e cor aparente mas, por outro lado, houve um aumento da eficiência de remoção para os parâmetros coliformes e sólidos suspensos totais.
Camplesi (2009) concluiu, com base no seu trabalho, que o desempenho do sistema de FiME na remoção de turvação e sólidos suspensos totais foi bastante aceitável sendo superior a 90% tal como a remoção de cor aparente. A mesma autora concluiu ainda que o filtro lento de areia (FLA) e o filtro lento de areia com carvão ativado (FLAC) mostraram ser as unidades mais importantes do sistema FiME.
Ellis (1985) concluiu que é possível aumentar a taxa de filtração sem afetar a eficácia do processo se o pré-tratamento da água bruta e a desinfeção após a filtração lenta ocorrerem sem problemas.
Murtha et al. (2003) testaram filtros lentos de areia com diferentes taxas de filtração e dois sentidos de fluxo para aferir qual a eficácia de remoção dos parâmetros turvação, cor verdadeira, cor aparente, coliformes totais e Escherichia Coli (E. Coli). Os dois autores concluíram que as taxas de filtração não apresentaram uma influência significante na remoção dos vários parâmetros estudados. A filtração lenta apresentou uma elevada eficiência na remoção de sólidos coloidais e em suspensão, medidos pelo parâmetro turvação. Os valores efluentes da turvação apresentaram-se consistentemente inferiores a 1,0 UNT e quase totalmente inferiores a 2,0 UNT. Por outro lado, a remoção mediana de cor verdadeira variou para os filtros-piloto entre 35 e 52% sendo ligeiramente mais elevada para os filtros com menores taxas de filtração. A filtração lenta constitui-se como um processo com excelente índice de remoção de E. Coli, sendo frequente a completa remoção. Para ampliar a utilização da filtração lenta para águas de qualidade inferior à recomendada na Tabela 2, faz-se necessária a adoção de sistemas de pré-tratamento que permitam condicionar a qualidade da água bruta às limitações das unidades de filtração lenta (Di Bernardo et al., 1999).
O filtro lento pode se configurar como uma alternativa sustentável no tratamento de águas de abastecimento para comunidades de pequeno e médio portes, representando um potencial subutilizado de contribuição para a universalização do suprimento de água e melhoria dos indicadores sanitários e de saúde pública (Murtha et al., 2003).
2.2.2 Filtração em argila expandida
Ao contrário da filtração em areia, a filtração com material filtrante como argila expandida ainda não foi tão aprofundada pelo que se mostra de bastante valor todos os trabalhos acerca desta temática.
A argila expandida, denominada por agregados leves, são abundantemente utilizados na construção civil. Estes agregados têm como caraterísticas importantes a leveza, propriedades de isolante térmico, baixa absorção de água, inércia química e resistência à compressão considerável (Albuquerque, 2005).
Dordio et al. (2007) avaliaram a eficiência de adsorção de três compostos farmacêuticos ativos – ácido clofíbrico, ibuprofeno e diclofenac. Os três materiais utilizados foram argila expandida LECA de duas granulometrias diferentes e areia. A LECA revelou ser um material com uma elevada capacidade de adsorção destes compostos enquanto que a areia não exibiu qualquer capacidade de adsorção dos mesmos compostos. Concluíram, também, que a LECA de granulometria mais fina apresentou uma eficiência superior à LECA de granulometria maior.
Albuquerque (2005) estudou a eficiência de remoção de alguns contaminantes da água como o níquel e chumbo por parte de agregados leves de argila expandida, como leitos filtrantes. A argila expandida apresentou um desempenho superior ao CAG e à areia. Relativamente à remoção de turvação, a fração mais fina da argila expandida mostrou ser mais eficiente que a areia. A argila expandida também teve um comportamento mais satisfatório que o CAG, na remoção de metais pesados.
Karabelnik et al. (2012) estudaram um sistema de filtro compacto, com área de implantação reduzida, para o tratamento de águas residuais de uma família de 5 pessoas. A água residual foi recolhida em chuveiros, lavatórios, lavandaria e na cozinha e os materiais filtrantes usados foram argilas expandidas Filtralite e um subproduto industrial – cinzas de xisto betuminoso. O sistema filtralite (argila expandida) mostrou ser o mais eficiente na redução de CQO (83 – 88%) mas as cinzas de xisto betuminoso mostraram ser mais aconselhadas para a remoção de fósforo total. À saída do filtro do sistema Filtralite o pH da água foi 8,5 (Escala de Sorensen). Kasak et al. (2011), no mesmo estudo, concluiu, igualmente, uma
maior eficiência das cinzas de xisto betuminoso na remoção de fósforo total (até cerca de 95%).
2.2.3 Filtração com mantas
Londe (2002) no seu trabalho avaliou a eficiência de remoção de filtros lentos de areia juntamente com mantas sintéticas não tecidas, utilizando taxas de filtração de 3 e 6 m/dia. A autora chegou a resultados contrários ao estudo realizado por Camplesi (2009) pois verificou que, com o aumento da taxa de filtração, os parâmetros de qualidade turvação e cor apresentaram maior percentagem de remoção.
Paterniani et al. (2001) concluíram que, utilizando mantas sintéticas, é possível aumentar as taxas de filtração. O trabalho dos mesmos autores permitiu-lhes verificar que as taxas de filtração podem aumentar até cerca de 9 a 12 m/dia com a inclusão de mantas sintéticas. Segundo Di Bernardo et al. (2005), o facto de se juntar, na etapa da filtração lenta em areia, carvão ativado granular ou mantas sintéticas, favorece a remoção de matéria orgânica dissolvida na água bruta que é menos visível quando se utiliza um meio filtrante constituído apenas por areia. Os compostos orgânicos presentes na água originam odor e gosto na mesma e o carvão ativado granular consegue adsorver estes compostos além da remoção de produtos orgânicos sintéticos como pesticidas.
Veras et al. (2008) avaliaram um sistema FiME utilizando instalação piloto composta por duas unidades de pré-filtros dinâmicos em série, três linhas de pré-filtros de escoamento ascendente e quatro filtros lentos com diferentes meios filtrantes. Os quatro filtros lentos (FL) apresentavam diferentes configurações: FL1 – Apenas areia como meio filtrante; FL2 – Areia e duas mantas; FL3 – Carvão ativado granular (CAG) no meio da camada de areia; FL4 – CAG no meio da camada de areia e duas mantas. Os autores concluíram que, no que concerne à remoção de sólidos suspensos totais, os quatro filtros lentos não apresentaram diferenças significativas não sendo muito eficientes na remoção dos mesmos o que significa que o uso de mantas ou carvão ativado granular não interferiu na eficiência dos filtros. Por outro lado, os filtros 3 e 4 mostraram uma maior eficiência na remoção de coliformes totais e fecais em relação aos demais filtros o que sugere que o carvão ativado granular e as mantas ajudam a aumentar a eficiência de remoção de coliformes. No caso do ferro, todos os filtros lentos apresentaram elevadas percentagens de remoção. Quanto à remoção de turvação, os filtros 3 e 4 mostraram-se os mais eficientes.
2.3 Operação e manutenção de filtros lentos de areia
Na tabela seguinte podem-se observar as atividades diárias, periódicas e eventuais de operação e manutenção de filtros lentos.
Tabela 2.7 – Atividades de operação e manutenção de filtros lentos (Di Bernardo et al., 1999).
Atividades
Diárias Periódicas Eventuais Controlo e registo da vazão
afluente; Medição e registro da qualidade (turvação) da água filtrada; Remoção do material flutuante;
Medição e registo da perda de carga.
Limpeza das tubagens e da câmara de entrada; Limpeza entre carreiras
(câmaras de entrada e saída, e raspagem do topo do meio filtrante);
Execução de exames para determinação do NMP de coliformes totais e fecais.
Remoção do material granular, lavagem e recomposição das camadas filtrantes.
O controlo da vazão afluente ao filtro lento é fundamental pois, tanto a eficiência do filtro, principalmente no que toca à remoção de microrganismos patogênicos, como o desenvolvimento da perda de carga dependem da taxa de aplicação adotada (Di Bernardo
et al., 1999).
De acordo com Veras (1999), a perda de carga carateriza-se pela diferença entre o nível máximo da água sobre o leito filtrante e o de descarga da estrutura de saída. A mesma autora recomenda que deve haver um nível mínimo sobre o leito filtrante de areia para evitar perturbações na camada biológica.
A capacidade de remoção de impurezas no filtro lento depende do adequado amadurecimento do filtro, ou seja, do desenvolvimento da Schmutzdecke e da maturidade biológica do meio filtrante. Por esta razão, o início da operação do filtro lento caracteriza-se pela produção de água filtrada com qualidade insatisfatória. O período de amadurecimento do filtro pode variar de alguns dias até cerca de dois meses em função da qualidade da água e de fatores como o procedimento de limpeza adotado (Di Bernardo et
Durante o período de amadurecimento, além da turvação relativamente alta, a água filtrada geralmente apresenta um elevado número de microrganismos e desta forma a desinfeção pode ser comprometida. Com o passar dos dias observa-se a gradual melhora da qualidade da água produzida pelo filtro lento, de modo que o momento a partir do qual a água poderá ser encaminhada para a etapa final de desinfeção, e consequentemente fornecida para a população, dependerá do valor da turvação da água filtrada (Di Bernardo et al., 1999). Ainda segundo os mesmos autores, a qualidade bacteriológica é mais importante que a turvação, logo, é recomendável que a água filtrada apresente turvação menor que 5 UNT e valores de coliformes totais e fecais inferiores a 100 e 25 NMP/100 ml, respetivamente, para que a etapa de desinfeção ocorra corretamente.
Campos ( 2006) verificou que após o período de operação, que pode variar entre semanas a meses, devido à deposição de sólidos suspensos a área superficial do meio filtrante colmata. A deposição de partículas inertes e microrganismos, juntamente com o crescimento das populações biológicas, dá origem a uma resistência hidráulica superior que se manifesta como um aumento da perda de carga. A perda de carga final ocorre quando, com a máxima pressão sobre a areia e a válvula de saída totalmente aberta, já não é possível atingir a vazão de projeto. Neste caso, a limpeza do filtro é indispensável para restabelecer a taxa de filtração. É necessário remover cerca de 2-3 cm da parte superior do meio filtrante incluindo a Schmutzdecke.
2.3.1 Limpeza de filtros lentos
De acordo com Campos (2006), quando um filtro lento está colmatado é necessário proceder à remoção de cerca de 2 a 3 cm da parte superior do meio filtrante incluindo a
Schmutzdecke. Por outro lado, Veras et al. (2008) consideram que a operação de limpeza
consiste na raspagem de 1 a 3 cm da camada superior do leito filtrante e a areia deve ser encaminhada para fora dos filtros onde é lavada, seca, homogeneizada e guardada para reposição futura. Segundo Cullen et al. (1985), a operação de lavagem da areia não deve ultrapassar as 24 horas.
Campos (2006) concluiu que após sucessivas raspagens, a profundidade do camada filtrante de areia é reduzida para o seu nível mínimo e é necessário repor areia.
Finalizada a limpeza, para o filtro entrar em operação, é necessário que seja reposta água filtrada de outras unidades e no sentido ascensional para evitar a permanência de ar nos
filtro para maturar por um período de 1 a 3 dias, até que a comunidade biológica se estabeleça no filtro para que a filtração ocorra adequadamente e produza efluente de qualidade (Camplesi, 2009). Na figura 2.5, pode observar-se o esquema de reposição de areia nos filtros lentos segundo (Slow Sand Filtration, 1991).
3.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
3.1 Introdução
Neste capítulo apresentam-se as características das argilas expandidas ARGEX bem como o local da recolha da água bruta/lodo além dos equipamentos de medição utilizados. Ainda neste capítulo, descrevem-se as tarefas preliminares, a instalação experimental e a metodologia experimental adotada para este estudo.
3.2 Argila Expandida
A argila expandida utilizada neste trabalho experimental foi fornecida pela ARGEX. No filtro em causa optou-se por colocar três camadas de diferentes granulometrias, correspondentes às referências:
0-2: + Resistente; 2-4: + Resistente; 3-8: Enchimentos leves.
A utilização destas referências/granulometrias prende-se com o facto de serem aquelas que a ARGEX disponibilizou. As argilas expandidas ARGEX 2-4 e 3-8 foram disponibilizadas em sacos de 50 L, como se pode ver na figura 3.1.
Figura 3.1 – Sacos de 50 L de argila expandida 2-4 e 3-8.
A argila expandida ARGEX é produzida através do aquecimento de argila natural em fornos, a cerca de 1200 ºC. Devido à temperatura, formam-se gases que fazem com que a argila se expanda, criando um núcleo constituído por uma espuma cerâmica com micróporos que oferecem um maior volume mas, ao mesmo tempo, uma leveza ao material final. Os agregados formados apresentam um formato relativamente esférico (ARGEX).
Na figura 3.2, podem ver-se grãos de argila expandida onde se nota claramente o seu interior poroso e uma crosta exterior rígida e resistente.
Figura 3.2 – Argila expandida ARGEX.
Segundo a ARGEX, algumas das principais características destas argilas expandidas estão enumeradas a seguir:
Leveza e estabilidade do peso;
Resistência e estabilidade dimensional; Isolante térmico;
Isolante acústico; Resistência ao fogo;
Não inflamável, inodoro, eletricamente neutro e hipoalérgico; Baixo custo;
Fácil aplicação;
Inalterável com o tempo – Reutilizável; Produto 100% natural;
Não poluente – Ecológico.
São estas características, acima mencionadas, que permitem uma vasta aplicação das argilas expandidas. Estes agregados podem ser ligados a pasta de cimento para produzir betões leves mas de resistência mecânica elevada. A sua utilização em obras de reabilitação, que atualmente ocupam uma parcela significativa na construção civil em Portugal, pode trazer inúmeros benefícios quer na resistência, na estética ou no custo do material. Além destas
aplicações, as argilas expandidas da ARGEX podem ser utilizadas na regularização de pisos, na execução de lajes ou rebocos (ARGEX). A empresa oferece um produto apropriado para filtração – ARGEX Filtrante, composto por partículas cerâmicas de argila expandida resistentes e de porosidade elevada, propriedade importante durante a fase de filtração. Na tabela seguinte (tabela 3.1) constam as caraterísticas técnicas das três ARGEX Filtrante disponíveis no mercado.
Tabela 3.1 – Caraterísticas Técnicas dos três tipos de ARGEX Filtrante (Adaptado de (ARGEX))
Como referido anteriormente, o estudo foi realizado com as argilas com as referências 0-2, 2-4, 3-8 pelo simples facto de que eram estas as disponibilizadas pelo fabricante. Nas tabelas 3.2 e 3.3, constam algumas das propriedades das argilas expandidas, bem como a sua composição química, utilizadas como material filtrante, tendo em conta que a referência 0-2 é a menos grosseira e a 3-8 a argila expandida que apresenta uma granulometria maior. Na tabela 3.2 pode-se conhecer algumas propriedades importantes das argilas expandidas utilizadadas.
A composição química das argilas expandidas ARGEX podem ser vistas na tabela 3.3.
Tabela 3.3 – Composição química das argilas expandidas 0-2, 2-4 e 3-8 (Adaptado de catálogos da
ARGEX)
Composição Química
Sais de cloreto solúveis em água <0,004 Sulfatos solúveis em ácido <0,05
Enxofre total <0,04
Através do contacto com a empresa que forneceu as argilas expandidas, foi possível, também, saber os valores do pH das diferentes frações granulométricas. Sendo assim, as argilas expandidas 0-2, 2-4 e 3-8 apresentam, respetivamente, um pH de cerca de 10,30, 10,51 e 9,07. Estes dados foram bastante úteis para perceber os valores de pH da água filtrada que poderão ser observados mais à frente.
Atentando às caraterísticas das argilas expandidas, é possível retirar algumas conclusões. Pode-se dizer que, em termos de granulometria, a ARGEX Filtrante F é equivalente à ARGEX 2-4 e a baridade de ambas corrobora esta afirmação, no entanto, quando se atende à absorção de água, verifica-se que a ARGEX 2-4 absorve uma menor quantidade de água comparando com a ARGEX Filtrante F. Comparando as restantes argilas expandidas, verifica-se, novamente, que a ARGEX Filtrante absorve maior quantidade de água em relação às argilas expandidas usadas. Este facto significa que a ARGEX Filtrante F apresenta uma porosidade maior, fazendo com que seja mais indicada para filtração pois absorveria, também, mais partículas presentes na água. Por outro lado, sabe-se que as argilas mais grosseiras apresentam uma porosidade menor, sendo, assim, mais permeáveis, não absorvendo tanta quantidade de água tal como mostram os valores de absorção das tabelas 3.1 e 3.2.
Considerando os valores das resistências obtidos, constata-se que quanto mais grosseiro é o material, menor é a sua resistência ao esmagamento ou resistência mecânica. Estes valores parecem ter coerência pois, quanto maior a argila expandida, menos poros esta apresenta mas de tamanho maior quando se compara com as argilas mais finas. O facto de as argilas mais grosseiras terem menos poros mas maiores, significa que os grãos são mais instáveis e mais suscetíveis a deformações devido a carregamentos.
Atentando à densidade aparente das argilas expandidas, verifica-se que o seu valor é bastante reduzido quando comparada com a densidade aparente de outros materiais utilizados em Engenharia Civil como a areia. Até a água, líquido de referência, tem uma
densidade aparente mais elevada que a argila expandida, fazendo com que a argila expandida em água consiga flutuar. Este facto irá ser importante aquando da conceção do filtro de argila expandida e será mais aprofundado na secção 3.7.
Tendo em conta os valores da condutividade térmica, pode-se concluir que, para as argilas utilizadas, os valores são muito próximos, 0,11 - 0,14 W/m.ºC, embora, no caso da ARGEX 2-4, o seu valor real pode ser de cerca de 0,13 W/m.ºC, segundo outros catálogos. Estes valores são relativamente baixos, confirmando as propriedades de isolamento térmico que o material apresenta.
Quanto às caraterísticas químicas, estas não variam nas argilas expandidas ARGEX 0-2, 2-4 e 3-8 e apresentam valores bem aproximados aos obtidos na ARGEX Filtrante.
Para uma correta análise granulométrica, torna-se de elevado valor consultar as curvas granulométricas das argilas em causa. As curvas granulométricas não estavam disponíveis no sítio on-line da ARGEX pelo que, foram cedidas gentilmente depois de feito o pedido. Nas tabelas seguintes podem ver-se os dados que levaram à obtenção das curvas granulométricas das argilas.
Tabela 3.4 – Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 0-2).
ARGEX 0-2
Massa seca do provete – 285,6 g
di (mm) Retidos (g) Retidos (%) Retidos Acumulados (%) Passados Acumulados (%) 6,3 0,00 0,00 0,00 100,00 4,0 0,30 0,11 0,11 99,89 2,0 169,80 59,45 59,66 40,44 1,0 87,80 30,74 90,30 9,70 0,5 17,00 5,95 96,25 3,75 0,25 4,00 1,40 97,65 2,35 0,125 3,10 1,09 98,74 1,26 0,063 2,50 0,88 99,61 0,39
Tabela 3.5 – Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 2-4).
ARGEX 2-4
Massa seca do provete – 230,3 g
di (mm) Retidos (g) Retidos (%) Retidos Acumulados (%) Passados Acumulados (%)
12,5 0,0 0,00 0,00 100,00 8,0 22,9 9,94 9,94 90,06 6,3 125,9 54,67 64,61 35,39 4,0 77,5 33,65 98,26 1,74 2,0 2,3 1,00 99,26 0,74 1,0 0,0 0,00 99,26 0,74 0,5 0,0 0,00 99,26 0,74
Tabela 3.6 – Dados para desenhar a curva granulométrica (ARGEX 3-8).
ARGEX 3-8
Massa seca do provete – 166,4 g di (mm) Retidos (g) Retidos (%) Retidos Acumulados (%) Passados Acumulados (%) 16,0 0,0 0,00 0,00 100,00 12,5 8,6 5,17 5,17 94,83 8,0 131,0 78,73 83,89 14,30 6,3 24,3 14,60 98,50 1,50 4,0 1,3 0,78 99,28 0,72 2,0 0,0 0,00 99,28 0,72
É importante referir que a análise granulométrica das argilas expandidas ARGEX 2-4 e 3-8 foi feita no laboratório da ARGEX no dia 21/03-8/2014. Por outro lado, no caso da ARGEX 0-2, a análise granulométrica foi realizada a 11/09/2014. Apesar de estas argilas serem posteriores às argilas utilizadas como meio filtrante, podem-se aceitar estas análises granulométricas pois a empresa utiliza sempre os mesmos procedimentos de fabrico, garantindo uma uniformidade das características das argilas expandidas a longo prazo. O método de peneiração utilizado foi a peneiração a seco e, este, tal como a análise granulométrica seguiram os termos dispostos na norma Europeia NP EN 933-1:2000.
Nos gráficos 3.1, 3.2 e 3.3, pode-se atentar nas curvas granulométricas obtidas na fase de peneiração de amostras das argilas expandidas. Nota para o facto de o gráfico 3.1 se encontrar numa escala diferente dos gráficos 3.2 e 3.3.
Gráfico 3.1 – Curva granulométrica da ARGEX 0-2.
Gráfico 3.3 – Curva granulométrica da ARGEX 3-8.
Através da observação das curvas granulométricas em forma de um “S” aproximado, pode concluir-se que, sendo a curva da ARGEX 2-4 a curva mais vertical, significa que esta granulometria de argila expandida é a que foi melhor calibrada. Por outro lado, a argila mais fina apresenta uma curva mais suavizada que as restantes pelo que se pode afirmar que se trata da argila expandida menos calibrada.
Nas figuras abaixo, podem ver-se o aspeto das argilas expandidas que serviram de material filtrante e que permitiram a realização do trabalho experimental.
Figura 3.3 – Argila expandida 0-2, 2-4 e 3-8.
3.3 Local de recolha da água bruta/lodo
Para a realização deste estudo experimental optou-se por utilizar como água bruta, uma água recolhida diretamente num pequeno trecho fluvial perto do Campus de Azurém, da Universidade do Minho. Trata-se de uma pequena ribeira, adjacente ao Campus de Azurém e que desagua na ribeira de Couros.
Numa primeira tentativa de avaliar o funcionamento do filtro de argila expandida com uma água não tratada optou-se por recolher, cerca de 300 litros, da mesma com recurso a garrafões que depois seriam despejados no tanque de água bruta (descrito no capítulo 3.7). No mesmo local foi também recolhido lodo, mais tarde, para se proceder à turvação da água e, assim, obter picos de turvação elevados. Na figura 3.4 é visível o Campus de Azurém e, a vermelho, o local onde a água bruta foi recolhida. Para se ter uma ideia da distância entre este local e o local onde se encontrava o filtro, na mesma figura pode ver-se, representado a azul, o Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, local este onde foi realizada a parte prática deste estudo.
Figura 3.4 – Local de recolha da água bruta/lodo e laboratório.
A pequena ribeira flui de Nordeste para Sudoeste, em direção ao centro da cidade de Guimarães e, na zona de recolha, apresenta uma secção bastante irregular. Pela observação do local, a largura da secção desta ribeira não apresentará muito mais do que 1 metro. Este curso de água pode ser classificado como perene com caudal reduzido pois, nas estações de estiagem, em certos locais, a altura de água não será maior do que 5 centímetros, com um caudal muito diminuto. Na figura 3.5, pode observar-se o local onde foi recolhida a água bruta.
Figura 3.5 – Pequeno trecho da ribeira.
Na mesma figura pode verificar-se o perfil acidentado da secção, contendo bastantes pedras, além de outro tipo de objetos perto deste local. Também se consegue perceber que, devido à secção e ao caudal quase nulo, a velocidade de escoamento é muito baixa, fazendo com que a água esteja praticamente parada. Além destas caraterísticas, o mesmo curso de água, apresenta estreitamentos e quedas de água irregulares o que faz com que o estudo/modelação deste trecho seja de difícil execução e os resultados seriam sempre duvidosos.
3.3.1 Qualidade da água bruta/lodo
Verificou-se, pela observação no local, que a água bruta recolhida na ribeira apresentava caraterísticas físicas que não permitiam o seu consumo. Foi possível observar o nível excessivo de turvação e cor, além do odor que se fazia sentir pelo simples facto de se estar perto da ribeira. Foi fácil perceber, assim, que esta água bruta seria indicada para ser filtrada e para promover o amadurecimento do filtro. Através de medições feitas a duas amostras desta água chegou-se a valores de turvação superiores a 10,0 UNT e a valores médios de pH de cerca de 7,4. Também foi medido o valor da condutividade e obteve-se um valor de 363 μS/cm. Além destas caraterísticas, facilmente se observou que havia milhares de pequenos organismos (invertebrados bentónicos) de diferentes tamanhos (figura 3.6) que se encontravam junto das margens da ribeira, principalmente em zonas onde a água se encontrava parada.
