I-044 – COMPARAÇÃO ENTRE TURBIDEZ E DISTRIBUIÇÃO
DE TAMANHOS DE PARTÍCULAS
Valter Lúcio de Pádua(1)
Engenheiro Civil pela UFMG, mestre e doutor em Hidráulica e Saneamento pela EESC-USP, atualmente participa do programa de desenvolvimento científico regional do CNPq junto a UFC.
Luiz Di Bernardo
Professor Titular da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP).
Endereço(1): Universidade Federal do Ceará – Dep. de Engenharia Hidráulica e Ambiental Campus do Pici
-Bloco 713 - Pici - Fortaleza - CE - CEP: 60.451-970 - Brasil - Tel: (85) 288-9774 - e-mail: paduavl@ufc.br
RESUMO
Os resultados apresentados neste trabalho têm como base seis carreiras de filtração conduzidas numa instalação-piloto com escoamento contínuo composta por duas unidades de floculação mecanizadas com 32,8 L de volume útil, dois decantadores com escoamento vertical com 4 m de altura e 0,23 m de diâmetro interno e dois filtros de areia com 3,6 m de altura e 0,09 m de diâmetro interno. O afluente à instalação-piloto era a água coagulada no mecanismo da varredura com sulfato de alumínio. Durante cada carreira de filtração eram coletadas amostras da água bruta e do efluente dos dois decantadores e dos dois filtros, sendo feita uma série de amostragem no início de cada ensaio, outra aproximadamente no meio e a última imediatamente após ocorrer o transpasse de turbidez ou ser atingida a perda de carga máxima admitida para retenção de impurezas (2,0 m). Determinou-se a turbidez e o número de partículas com tamanhos de 2 a 350 µm das 90 amostras (3 coletas por carreira x 6 carreiras x 5 pontos amostrais). Foram obtidos coeficientes de correlação (R2) relativamente elevados (0,75 a 0,98) entre os valores da turbidez e a concentração volumétrica de partículas, assim como entre o número mais provável (NMP) de coliformes totais e a turbidez. Com base nos resultados, recomenda-se, sempre que possível, que os contadores de partículas sejam utilizados para avaliar o desempenho das unidades de filtração das ETAs e para indicar a qualidade da água, sem, contudo, abandonar a determinação da turbidez.
PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Água, Turbidez, Tamanho de Partículas. INTRODUÇÃO
A facilidade e a simplicidade de determinação da turbidez e o custo relativamente baixo dos equipamentos de medição desse parâmetro aliados à sua importância na avaliação da qualidade sanitária das águas contribuíram de modo decisivo para sua popularização nas ETAs
Tem-se observado que a legislação brasileira que estabelece o padrão de potabilidade de água para consumo humano torna-se cada vez mais restritiva quanto ao valor máximo permitido para a turbidez. Na Portaria 56/BSB, de 1977, era admitido até 5 uT, enquanto na Portaria 36/GM de 1990 ficou estabelecido 1,0 uT como o valor máximo na entrada do sistema de distribuição. Atualmente, na Portaria 1469 do Ministério da Saúde, publicada em 29/12/2000, é exigido que a turbidez da água filtrada ou desinfetada em ETAs com filtração rápida seja também inferior a 1,0 uT, mas é recomendado enfaticamente o estabelecimento da meta de obtenção de efluente filtrado com valores de turbidez inferiores a 0,5 uT em 95% dos dados mensais e exigido que nenhum valor seja superior a 5 uT. Tal recomendação visa assegurar a adequada eficiência de enterovirus, cistos de Giardia ssp e oocistos de Cryptosporidium sp. Quanto à filtração lenta, o valor máximo permitido de turbidez, segundo a Portaria 1469, é de 2,0 uT na água filtrada ou desinfetada. Em nenhuma hipótese é admitido valor superior a 5,0 uT seja na saída da ETA ou em qualquer ponto da rede de distribuição.
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Embora se reconheça a importância da turbidez na avaliação da qualidade da água, em complementação a outros indicadores físicos, químicos e biológicos, o incessante avanço tecnológico e o objetivo de garantir o fornecimento de água adequada do ponto de vista sanitário tem levado a alterações no padrão de potabilidade de água para consumo humano e ao desenvolvimento de novas técnicas de avaliação de sua qualidade. Neste contexto, o presente trabalho foi realizado com o objetivo de comparar a utilização dos valores de turbidez e distribuição de tamanhos de partículas na avaliação da qualidade da água, uma vez que o primeiro parâmetro já é tradicionalmente utilizado nas ETAs, enquanto a distribuição de tamanho de partículas não é referida no padrão de potabilidade vigente no Brasil.
TURBIDEZ E TAMANHO DE PARTÍCULAS
A remoção de material em suspensão em águas destinadas ao abastecimento público é um objetivo almejado não apenas por questões estéticas, mas também sanitárias. Em vista disso, a utilização de técnicas adequadas de determinação da presença de matéria em suspensão torna-se um fator relevante na avaliação do desempenho das ETAs. BRITO (1998) menciona que há alguns anos a medida da quantidade de sólidos suspensos presentes na água para abastecimento público era feita por meio da análise gravimétrica, que era considerado um procedimento confiável mas pouco prático devido ao tempo consumido na sua execução. Com o desenvolvimento da nefelometria e a constatação de que a turbidez podia ser determinada de modo simples, e os resultados interpretados com facilidade, a turbidez passou passou a ser o principal parâmetro utilizado na avaliação da presença de partículas em suspensão em águas de abastecimento.
O princípio de funcionamento dos turbidímetros baseia-se na emissão de um feixe luminoso e na detecção da luz refletida pelas partículas em suspensão, a qual é convertida em sinal elétrico e registrada no painel do equipamento. O detector que mede a dispersão da luz fica situado a um ângulo fixo em relação à incidência do feixe luminoso. Segundo BRITO (1998), quando este ângulo é de 90o, o instrumento é chamado de turbidímetro (ou nefelômetro). Portanto, a turbidez está relacionada basicamente com o índice de refração da luz dispersa pelas partículas presentes na água, índice esse que depende de fatores tais como natureza e tamanho da partícula e do ângulo de observação. A fonte de luz mais comum nos turbidímetros modernos é obtida por meio de lâmpadas de tungstênio, embora outras como lâmpadas de mercúrio, laser e diodos de emissão também sejam empregadas. Segundo COHEN e ROBECK (1967), partículas muito pequenas dispersam mais luz que as partículas maiores quando essa dispersão é registrada por detectores posicionados a ângulos inferiores a 90o, ocorrendo o inverso quando se tem ângulo reto. Assim, a comparação da turbidez da água em função do ângulo de posicionamento do detector pode fornecer informações qualitativas do tamanho das partículas. Contudo, a maioria dos instrumentos comerciais medem a turbidez a 90o.
Segundo DHARMAPPA et al. (1994), parâmetros como sólidos suspensos e turbidez não são adequados para caracterizar o afluente das ETAs, pois são muito grosseiros para representar a remoção de contaminantes específicos, tal como em distingüir a remoção de areia e silte da remoção de microrganismos. Os autores comentam que a determinação de sólidos suspensos, por exemplo, inclui todos os contaminantes com tamanho superior a 1 µm. As diferentes unidades que compõem uma ETA apresentam eficiências distintas de remoção de contaminantes em função do tamanho destes, ou seja, há remoção seletiva. Assim, segundo DHARMAPPA et al. (1994), parâmetros como sólidos suspensos e turbidez não podem ser usados sozinhos para estimar o desempenho de processos e operações unitárias das ETAs e, conseqüentemente, não são adequados ao projeto e à avaliação do sistema global.
BRITO (1998) comenta que com o passar do tempo observou-se que muitas águas que atendiam ao limite máximo de turbidez fixado em diferentes padrões de potabilidade ainda apresentavam microrganismos potencialmente nocivos ao ser humano, de modo que há necessidade de se pesquisar outros parâmetros que permitam monitoramento mais seguro da qualidade da água de consumo huamano. A utilização de contadores de partículas, apesar das limitações ainda inerentes à técnica, tem sido um avanço nesse sentido. Segundo BRITO (1998), a contagem de partículas tem tido boa aceitação por parte de entidades sanitárias
Cryptosporidium e o número de partículas remanescentes na água, assim como com a turbidez remanescente,
mas foi constatado que os turbidímetros são menos sensíveis do que os contadores para detectar pequenas mudanças na eficiência da filtração.
De acordo com VAN GELDER et al. (1998), as três principais técnicas utilizadas nos contadores de partículas presentes em água são a dispersão de luz, bloqueio de luz e zona de sensibilidade elétrica. Segundo BRITO (1998), a maioria dos contadores usados no monitoramento de água operam segundo o princípio de bloqueio de luz, no qual a amostra percorre um canal e passa por uma fenda cujas dimensões são conhecidas com precisão. “ Um raio de luz incide sobre o fluido em ângulo reto, transversal à direção do fluxo, e passa através da fenda, onde é recebido por um detector fotoelétrico. Sempre que uma partícula atravessar em sentido transversal ao raio luminoso, uma porção de luz é bloqueada, produzindo uma redução específica na quantidade de luz que alcança o fotodetector. A amplitude resultante do pulso de voltagem é proporcional ao tamanho da partícula, o qual é registrado como o diâmetro de um círculo de área eqivalente.” A autora menciona a realização de uma pesquisa em que a turbidez e o número de partículas foram medidos em vários pontos situados ao longo das unidades de tratamento de uma ETA, tendo-se constatado similaridades dos resultados produzidos pelas duas técnicas, não havendo, entretanto, boa correlação entre os valores encontrados, o que foi atribuído ao fato dos resultados obtidos pela técnica de dispersão de luz (turbidez) depender de fatores como forma da partícula, índice de refração e comprimento de onda da fonte de luz utilizada, enquanto a contagem de partículas é relativamente pouco afetada por estas variáveis.
Ao comparar contadores de partículas que utilizam como princípio a obstrução de luz e a zona de sensibilidade elétrica, VAN GELDER et al. (1998) observaram que o primeiro consistentemente detectou menos partículas menores (2 a 5 µm). LETTERMAN (2001) também comenta ter observado que vários contadores de partículas por obstrução de luz usados em suas pesquisas forneceram resultados inferiores aos valores obtidos por meio de métodos alternativos de contagem, tais como por zona de sensibilidade elétrica e microscopia. VAN GELDER et al. (1998) atribuem as discrepâncias à tecnologia dos equipamentos de medição, o que também é compartilhado por LETTERMAN (2001). Por outro lado, SOMMER (2000) apresenta opinião diferente e afirma que as discrepâncias são devidas à falta de uma suspensão-padrão que possa ser usada para medir e comparar o desempenho dos contadores, e sugere que tal suspensão seja usada pelos fabricantes para projetar e construir os instrumentos. Em outras palavras, SOMMER não atribui à tecnologia de construção dos equipamentos as diferenças observadas entre contadores, embora concorde que seja inconsistente comparar resultados de contadores com diferentes princípios de funcionamento. VAN GELDER et al. (1998) concluem que a grande variação nos resultados obtida por meio de diferentes contadores não diminui a importância destes equipamentos, que podem auxiliar em decisões operacionais para melhorar o desempenho das unidades de tratamento, mas mostra, contudo, que não se deve comparar os resultados de diferentes contadores de partículas. Em vista disso, os autores afirmam que atualmente não é recomendado o estabelecimento de padrões de qualidade de água baseados na contagem de partículas. Segundo autores como BEARD II e TANAKA (1977), embora os contadores de partículas sejam mais caros que os turbidímetros, e os operadores estejam mais habituados ao uso destes últimos, devido a maior sensibilidade dos contadores na determinação dos parâmetros operacionais, seu uso pode possibilitar a redução dos custos de operação das ETAs pela economia de produtos químicos, melhoria do desempenho das unidades de tratamento, com a conseqüente redução da freqüência de lavagem dos filtros, e possível diminuição do volume de lodo produzido.
CAMP (1964) observa que é o tamanho, a concentração e a capacidade de adesão dos flocos ao meio granular que afetam o desempenho de uma unidade de filtração, e não a capacidade de dispersar a luz. Ressalta-se que algumas partículas são desprovidas de cor e transparentes. A água adsorvida em flocos pode corresponder a cerca de 95% de seu peso, de modo que a determinação da concentração de sólidos secos também pode ser inadequada para medir o potencial de colmatação dos filtros. Em vista disso, a utilização de instalações-piloto ainda tem um papel relevante no estudo do desempenho de unidades em escala real.
TAMANHO DE PARTÍCULAS E TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO DE ÁGUA
A filtração lenta, a filtração direta e o tratamento de ciclo completo são as tecnologias mais comumente utilizadas no tratamento de água para consumo humano. Como critério geral, e tomando-se como referência unicamente a quantidade de partículas em suspensão presente na água, pode-se afirmar que a filtração lenta é adequada ao tratamento das águas de melhor qualidade, enquanto a tecnologia de ciclo completo destina-se àquelas que apresentam maior quantidade de impurezas. Assim, de modo geral, águas brutas com baixa turbidez podem ser tratadas de modo eficiente por meio da filtração lenta, enquanto águas com turbidez elevada devem ser tratadas em ETAs de ciclo completo, cabendo à filtração direta uma posição intermediária. Entretanto, no trabalho de autores como WIESNER et al. (1987), AMIRTHARAJAH (1988), MACKIE e BAI (1992), DHARMAPPA et al. (1994) e HARGESHEIMER et al. (1998), é mencionado que o tamanho das partículas presentes na água pode ser um parâmetro relevante na avaliação e previsão do desempenho de processos e operações unitárias de uma ETA, assim como na definição da tecnologia de tratamento.
Na Figura 1 tem-se a representação da relação entre a concentração de partículas, o diâmetro médio e tecnologias de tratamento que empregam coagulante. Observa-se que mesmo para águas brutas com baixa concentração de partículas pode ser necessário o projeto de unidades de floculação, pois tem-se observado que em geral partículas menores acarretam perda de carga mais elevada nos filtros do que partículas de maior tamanho, quando se considera a mesma concentração de material em suspensão. De acordo com simulações feitas por WIESNER et al. (1987), uma água com 10 mg/L de partículas com diâmetro médio de 3,82 µm pode ser tratada por filtração direta sem floculação por um custo inferior ao necessário para tratar uma água com metade daquela concentração, mas que contenha partículas cujo diâmetro médio é de 0,59 µm.
Figura 1: Tecnologia de tratamento com coagulação em função do tamanho e concentração das partículas presentes na água bruta (WIESNER et al., 1987)
A Figura 1 deve ser avaliada do ponto de vista qualitativo. Como comentado, observa-se que mesmo águas com baixa concentração de partículas podem precisar ser floculadas antes de ser encaminhadas às unidades de filtração. Tal fato encontra fundamento em trabalhos como o de AMIRTHARAJAH (1988), no qual é comentado que existe um tamanho crítico de partícula, da ordem de 1 µm para as condições usuais de filtros de areia utilizados em ETAs, para o qual ocorrem as condições mais desfavoráveis para a filtração em meio granular devido a ineficiência dos mecanismos de transporte em conduzir essas partículas até os grãos do meio filtrante. Para partículas menores que o tamanho crítico o transporte por difusão é eficiente, ao passo
floculadores aumentarem os custos de construção das ETAs, eles podem implicar na redução de custos operacionais em decorrência da possibilidade de aumento da duração das carreiras de filtração, além de facilitarem a produção de água com melhor qualidade. Desse modo, a distribuição do tamanho de partículas é considerado um parâmetro mais apropriado para o estudo dos processos e operações envolvidos no tratamento do que a turbidez. Sabe-se também que, para uma mesma concentração de matéria em suspensão, a desinfecção é mais eficiente quando se tem partículas de menor tamanho.
MATERIAIS E MÉTODOS
A investigação experimental foi realizada na instalação-piloto construída em acrílico transparente mostrada esquematicamente na Figura 2, a qual consta basicamente de duas unidades de floculação mecanizadas com duas câmaras em série com 16,4 L de volume útil cada, dois decantadores de escoamento vertical com 0,23 m de diâmetro interno e 4,0 m de altura, dois filtros de areia com 0,09 m de diâmetro interno e 3,6 m de altura, uma bomba centrífuga, um compressor de ar para lavagem dos filtros, sistema hidráulico composto por válvulas tubulações e rotâmetros, dois registradores diferenciais de pressão e cinco turbidímetros de escoamento contínuo. Deve-se ressaltar, contudo, que os resultados apresentados neste trabalho referem-se a medidas de turbidez realizadas em equipamentos de bancada a fim de uniformizar o modo de determinação desse parâmetro com o da contagem de partículas, uma vez que o contador utilizado na pesquisa não era de escoamento contínuo.
Na Tabela 1 são apresentadas características da areia do meio filtrante da instalação-piloto. O fundo dos filtros era constituído por uma placa de acrílico com 10 mm de espessura provida de orifícios com 6 mm de diâmetro. Sobre a placa existia uma tela de aço inoxidável com aberturas de 0,40 mm, de modo que não havia necessidade de camada suporte, pois essa abertura era menor que os menores grãos de areia do meio filtrante.
Tabela 1: Características da areia do meio filtrante
Coeficiente de desuniformidade 1,6 Tamanho do maior grão (mm) 1,41 Tamanho do menor grão (mm) 0,42
Espessura (m) 0,70
Tamanho efetivo (mm) 0,59
A água coagulada com sulfato de alumínio no mecanismo da varredura era bombeada da unidade de mistura rápida da Estação de Tratamento de Água de São Carlos (ETASC) para uma caixa de distribuição de vazões provida de orifícios sujeitos a carga constante, de onde era encaminhada às duas unidades de floculação da instalação-piloto. Eventualmente era utilizado polímero natural como auxiliar de floculação na ETASC. Na saída da segunda câmara de cada unidade de floculação da instalação-piloto, havia uma mangueira de poliuretano com 25 mm de diâmetro interno conectada 60 cm acima do flange existente na base dos decantadores.
O efluente de cada unidade de decantação era encaminhado às caixas de nível constante existentes na parte superior dos filtros, na base das quais havia orifícios com diâmetros de 4,5 mm sujeitos à carga hidráulica de 106 mm para que os filtros fossem operados com taxa de filtração média de 240 m3m-2d-1. O excesso de água decantada era encaminhado ao sistema de drenagem. Os filtros eram operados com taxa constante e carga hidráulica variável.
Durante a realização dos ensaios, a perda de carga devida à retenção de impurezas no meio filtrante foi determinada por meio de registradores diferenciais de pressão e também pela medida da elevação do nível de água no interior dos filtros.
Em todos os ensaios, os gradientes de velocidade médios da primeira e da segunda câmaras de floculação foram de 30 e 15 s-1, respectivamente. Os decantadores foram operados com taxa de escoamento superficial
média de 94 m3m-2d-1, enquanto a taxa nos filtros era de 240 m3m-2d-1. Foram conduzidas seis carreiras de filtração, totalizando 78 h de ensaio. Os critérios para encerramento da carreira de filtração foram baseados na perda de carga máxima devida a retenção de impurezas no filtro (limitada a 2,0 m) e na qualidade da água filtrada (turbidez máxima de 1,0 uT). Encerrada a carreira, os filtros eram retirados de operação e lavados com ar (taxa de 15 Ls-1m-2 por 3 min) e água (expansão de 30% do meio filtrante por 10 min).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nas Figuras 3 a 6 são apresentadas curvas que relacionam a turbidez das amostras coletadas e o volume de partículas presentes na água, calculado levando-se em consideração o diâmetro médio de cada faixa de tamanhos e o número de partículas correspondentes à faixa considerada. Observa-se, em todos os casos, que o coeficiente de correlação linear foi relativamente elevado (maior ou igual a 0,75).
Figura 3 – Relação entre a turbidez e o volume médio das partículas nas águas bruta, decantada e filtrada (2 a 350 µµm)
Águas bruta, decantada e filtrada
R2 = 0,98 0 50 100 150 200 250 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Concentração de partículas (cm3/L) Turbidez (uT)
Figura 4 – Relação entre a turbidez e o volumemédio das partículas na água bruta (2 a 350µµm)
Água bruta R2 = 0,96 0 50 100 150 200 250 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Concentração de partículas (cm3/L) Turbidez (uT)
Figura 5 – Relação entre a turbidez e o volume médio das partículas presentes na água decantada (2 a 350 µµm) Água decantada R2 = 0,75 0 5 10 15 20 25 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 Concentração de partículas (cm3/L) Turbidez (uT)
Figura 6 – Relação entre a turbidez e o volume médiodas partículas presentes na água filtrada (2a350µµm) Água filtrada R2 = 0,77 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 0,0005 0,001 0,0015 Concentração de partículas (cm3/L) Tubidez (uT)
Na Figura 7, observar a escala logarítmica no eixo das ordenadas, pode-se notar a correlação entre a turbidez e o número mais provável de coliformes totais por 100 mL determinado pelo método do substrato cromogênico, o que vem reforçar a importância de se produzir água com baixa turbidez nas ETAs visando diminuir os riscos sanitários da água distribuída à população.
Figura 7 – Relação entre turbidez e NMP de coliformes totais (águas bruta, decantada e filtrada)
y = 47,97x1,01 R2 = 0,8432 10 100 1000 10000 100000
Apesar dos coeficientes de correlação relativamente elevados entre a turbidez e a concentração de partículas, é conveniente frisar que a quantificação de partículas permite uma análise mais detalhada da qualidade da água, conforme ilustrado na Tabela 2, na qual se vê que apesar dos valores de turbidez das amostras das duas águas filtradas (F1 e F2) serem muito semelhantes (0,36 e 0,35 uT), aquela designada por F2 apresentou maior quantidade de partículas com tamanho superior a 48 µm, o que a torna menos segura do ponto de vista sanitário.
Tabela 1: Relação entre tamanho e número de partículas, turbidez, cor aparente e NMP de coliformes
Coleta Tamanho Número de partículas por mL
(µm) AB D1 D2 F1 F2 2 a 4 2420,0 4211,0 7198,0 913,53 249,14 4 a 8 6860,0 7018,0 8032,4 256,47 135,20 8 a 12 7502,1 2831,13 1825,7 31,933 21,866 01 12 a 16 4513,4 706,60 278,54 7,600 8,267 16 a 24 2408,0 232,54 86,997 7,867 6,867 24 a 36 227,74 21,400 27,466 4,067 5,333 36 a 48 44,533 3,266 3,467 2,200 4,133 48 a 350 28,200 3,067 4,400 1,133 6,467
Cor aparente (uC) 488 91 77 3 1
Turbidez (uT) 61,8 12,5 10,5 0,357 0,345
NMP coli totais/100 mL 5247 288 288 2,0 4,1
AB: água bruta, D1: decantador 1, D2: decantador 2, F1: filtro 1, F2: filtro2 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Embora no presente trabalho tenham sido obtidos coeficientes de correlação (R2) relativamente altos (0,75 a 0,98) entre a turbidez e a concentração de partículas calculada a partir do número e tamanho médio destas, assim como entre a turbidez e o NMP de coliformes totais, conclui-se que a distribuição de tamanhos de partículas é um parâmetro mais específico para ser utilizado como indicador de qualidade da água. Sabe-se que na água filtrada é preferível a existência de partículas de menor tamanho, para facilitar o processo de desinfecção, o que não pode ser avaliado com base apenas na turbidez. Entre as amostras coletadas, foram observados casos em que uma água filtrada apresentava menor turbidez que outra, mas possuía maior número de partículas com tamanho superior a 48 µm. Em função dos resultados obtidos, recomenda-se que, sempre que possível, sejam utilizados contadores de partículas para avaliar a qualidade da água produzida nas ETAs. Ressalta-se, contudo, que publicações técnicas têm demonstrado que há discrepâncias de resultados entre contadores de partículas que utilizam tecnologias diferentes, o que dificulta, no momento, o estabelecimento de valores padronizados deste parâmetro para o monitoramento da qualidade da água.
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