Controle operacional e da qualidade da água em estações de tratamento em situações adversas. A importância do conhecimento dos parâmetros de funcionamento da ETA.
Rafael K. X. Bastos
Engenheiro Civil (UFJF), Especialização em Engenharia de Saúde Pública (ENSP, FIOCRUZ), PhD em Engenharia Sanitária (University of Leeds, UK). Professor Adjunto e Pesquisador do Depto. de Engenharia Civil, Universidade Federal de Viçosa, Chefe da Divisão de Água e Esgotos-UFV.
Renata Alves Perígolo
Engenharia Civil (UFV), Mestranda em Engenharia Sanitária (UnB).
Luís Eduardo do Nascimento
Bacharel em Química (UFV), Chefe do Serviço de Tratamento de Água –UFV.
1. RESUMO
Reporta-se um estudo de caso de uma elevação brusca da turbidez da água bruta, bem acima das séries históricas, e o comprometimento da água tratada. O problema foi resolvido com a interrupção da operação da ETA, o descarte da água, o ajuste dos parâmetros operacionais para a situação específica, a recarga da estação e o acompanhamento detalhado dos processos unitários e da qualidade água tratada.
O sucesso da referida operação, em grande parte, deveu-se ao pleno conhecimento dos parâmetros hidráulicos reais de controle dos processos unitários de tratamento.
Ressalta-se o papel da turbidez como parâmetro-chave de controle de qualidade da água, como indicador da qualidade microbiológica, e não meramente estética, da água.
2. INTRODUÇÃO/DESCRIÇÃO DOS OBJETIVOS.
O bom desempenho de uma Estação de Tratamento de Água (ETA) passa pelo conhecimento, o mais detalhado possível, de seus parâmetros operacionais (BASTOS et al, 2000) e, tanto mais isto é verdade, quanto mais desfavoráveis forem as condições de operação (ex.: infra-estrutura precária e, ou, alterações bruscas na qualidade da água bruta). Uma analogia possível seria com a condução de automóveis: se para dirigir com segurança, mesmo o mais moderno e equipado dos modelos, é necessário um mínimo
de conhecimento de mecânica, mais ainda quando se dirige um carro velho em pista molhada – aí é fundamental conhecer as “manhas” do veículo.
Por sua vez, o controle de qualidade da água deve ir além do mero monitoramento do
“que entra” e do “que sai” da ETA; requer o controle operacional e a avaliação de desempenho dos processos unitários de tratamento, fazendo das partes um todo. Neste sentido, o tradicional Jar-Test deve ser utilizado em todo o seu potencial, qual seja, simular a operação dos processos unitários e suas possíveis variações, principalmente em momentos de “excepcionalidade”.
Disto se trata neste artigo. A partir de um estudo de caso (operação de uma ETA com deficiências de infra-estrutura e em um momento de elevação brusca da turbidez da água bruta), sublinha-se a importância do domínio dos parâmetros reais de operação, de forma a garantir a produção sistemática de água de boa qualidade.
3. METODOLOGIA/DESENVOLVIMENTO DOS TRABALHOS
A ETA em questão é composta pelas seguintes unidades: floculação com seis câmaras e orifícios retangulares de passagem dispostos, alternadamente, nos bordos inferiores esquerdo e superiores direito, decantador circular com alimentação central e fluxo radial; dois filtros rápidos. A operação obedece, basicamente, duas rotinas distintas:
em períodos de chuvas, com vazão afluente de cerca de 60 L/s e tempo de operação médio de oito horas/dia; em períodos de estiagem, com redução gradual de vazões até cerca de 20L/s e aumento do tempo de operação até 24h/dia. A Estação é operada com rígido controle operacional, porém com sérias deficiências de infra-estrutura, tais como recalque estrutural do decantador, gerando fluxos preferenciais e zonas mortas, deterioração dos leitos filtrantes, obsolescência das bombas dosadoras.
Em trabalhos anteriores foram determinados os parâmetros teóricos e reais de funcionamento da ETA, tais como: tempos teóricos de detenção hidráulica, gradientes de velocidade, taxa de aplicação superficial do decantador; ensaios in loco, permitiram a calibração de vazões, a medição de lâminas, determinação de perdas de carga e, portanto, dos gradientes de velocidade no floculador, a determinação de distribuição de fluxos, e dos tempos reais de detenção hidráulica do floculador e decantador(ensaios com traçadores) (BASTOS et al, 2000). Os parâmetros reais de funcionamento da ETA orientam a realização diária do Jar-Test e a operação da ETA (Tabelas 1,2 e 3).Ensaios de laboratório utilizando águas com turbidez em torno de 60 UNT, indicaram os seguintes parâmetros ótimos para a ETA I: tempo de
floculação de 15 minutos, gradientes de floculação entre 60-20 s-1; taxa de aplicação de 30 m3/m2.dia para a obtenção de um efluente do decantador de 5 UNT.
Tabela 1. Parâmetros reais de floculação (ETA e JAR-TEST)
Vazão (L/s) Gradiente médio (s-1) Rotação (rpm) Tempo de floculação 58 36,85 49 28 min 52s 52 33,84 46 32 min 03s 45 26,67 39 36 min 32s 42 23,73 36 38 min 58s
38 20,37 33 42 min 46s 31 14,23 26 52 min 00 s 28 13,00 25 57 min 27s 22 8,74 19 72 min 48 s 19 6,72 16 84 min 07 s
Tabela 2: Gradientes de velocidade nas diversas unidades da ETA, Q=50 L/s
Unidade G (s-1)
Calha Parshall 2054
Calha Parshall/Floc. 1203
Floculador
Câmara 1 28,7
Câmara 2 25,2
Câmara 3 26,2
Câmara 4 26,5
Câmara 5 29,2
Câmara 6 18,0
Floculador/decantador . 15,5 Cortina de distribuição do decantador 27,0
Tabela 3. Características hidráulicas do decantador
Parâmetro Teórico Real
TDH (h) 4,10 2,75
Tx-(m3/m2.dia) 20 28
Vs (cm/min) 1,39 1,94
q (L/s.m) 0,98 1,3
Fluxo pistão (%) 50
Fluxo mistura completa (%) 50
Zonas mortas (%) 51
TDH: tempo de detenção hidráulica; Tx: taxa de aplicação superficial; q: vazão de coleta nos vertedores de saída; Vs: velocidade de sedimentação.
Via de regra, a turbidez da água bruta apresenta valores reduzidos, mesmo em períodos de chuvas e o tratamento, uma boa performance.(Figura 1 e Tabela 4).
0 10 20 30 40 50 60 70
Ago/01 Set/
01 Out
/01 Nov/01
Dez/01 Jan/02
Fev/02 Mar/02
Abr/02 Mai/02
Jun/02 Jul/02
Ago/02 Set/
02 Out
/02 Nov/02
Dez/02
Turbidez (UNT)
Figura1 . Turbidez da água bruta, 2001/2002
Tabela 4. Turbidez da água bruta, decantada, filtrada e tratada e eficiência de remoção de turbidez, 1999
Turbidez (UNT) Eficiência de remoção (%) Mês
Bruta Decantada Filtrada Decantação Filtração Janeiro 26,14 5,36 0,70 79,50 86,94 Fevereiro 9,00 3,04 0,40 66,22 86,84 Março 27,52 4,67 0,30 83,03 93,58 Abril 10,65 3,15 0,30 70,42 90,48 Maio 7,37 2,75 0,31 62,69 88,73 Junho 9,29 3,26 0,23 64,91 92,94 Julho 8,54 3,36 0,20 60,66 94,05 Agosto 6,35 2,39 0,25 62,36 89,54 Setembro 6,04 1,93 0,28 68,05 85,49 Outubro 10,26 2,17 0,35 79,14 83,64 Novembro 19,48 4,70 0,44 75,87 90,64 Dezembro 15,35 4,35 0,34 71,66 92,18
Entretanto, no início de janeiro de 2001, uma chuva torrencial provocou uma elevação brusca e inusitada da turbidez da água bruta (> 1.000 UNT), o que veio a demandar atenção dobrada no controle operacional, sob risco de comprometimento da qualidade da água distribuída
O acompanhamento do problema, em tempo real, incluiu a realização de sucessivos ensaios de Jar-Test, orientando as alterações de operação da ETA, simultaneamente ao monitoramento em escala real dos processos unitários de tratamento.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Com base nas informações apresentadas, pode-se inferir que o floculador encontra-se superdimensionado, apresentando folga considerável de tempo de floculação. Os gradientes de velocidade médios do floculador mostram-se adequados. De forma
análoga, o decantador encontra-se superdimensionado e, mesmo com a precária distribuição de fluxo (curto-circuito e zonas mortas), a taxa de aplicação real permanece próxima à ótima determinada. Entretanto, foram detectados grandes volumes de zona morta e a ocorrência significativa de curtos circuitos.
Apesar das falhas hidráulicas detectadas, tanto a decantação quanto a filtração revelam-se eficientes na remoção de turbidez. Isto sugere que pode haver uma certa folga nos parâmetros da decantação (velocidade de sedimentação), principalmente em época de estiagem.
Quando da elevação brusca da turbidez, uma primeira batelada de testes indicou que as mais diversas combinações de controle da coagulação (dose e concentração de sulfato, pH ), não eram suficientes para a obtenção de uma turbidez da água decantada tal que propiciasse uma filtração adequada. Confirmada a superação da capacidade operacional da ETA, optou-se pela interrupção do tratamento e descarte da água.
Em seguida, com a ETA fora de operação, procurou-se uma primeira aproximação para uma nova vazão de operação, sendo que, com base no conhecimento das características hidráulicas do decantador (ocorrência de significativos curtos-circuitos e zonas mortas - Tabela 3), sabia-se, a princípio, que seria necessário reduzir a taxa de aplicação superficial.
Por outro lado, os primeiros testes indicaram a necessidade de elevar consideravelmente a dosagem de sulfato, do usual de aproximadamente 12 mg/L para acima de 30mg/L. Uma nova batelada de Jar-Test foi então conduzida, em busca do melhor par de valores dose de sulfato x vazão, sendo esta última variável representada pelo tempo de coleta das amostras nos jarros à uma profundidade fixa (7 cm). Após os testes ilustrados na Tabela 5 (dentre vários), fixou-se a dosagem em 30 mg/L e uma vazão de 42 L/s, correspondente ao tempo de coleta de 6 minutos.
Tabela 5. Turbidez da água decantada em ensaio de Jar-Test * Dose de sulfato (mg/L) Tempo
(min.) 30 35 40 45 50 55
3,5 43,2 56,30 49,80 55,90 54,00 53,80 5 15,3 15,6 17,70 16,20 17,20 16,70
6 9,30 11,70 10,54 10,07 10,92 9,42
7 9,61 9,89 9,15 10,50 11,40 9,96
8 9,03 9,67 10,48 11,30 11,40 10,63 9 9,38 10,07 09,83 10,01 10,32 10,0
* água bruta - turbidez: 573 UNT; pH: 6,76
Dose de sulfato (mg/L) Tempo
(min.) 30 35 40 45 50 55
3,5 47,80 56,80 51,30 49,10 51,6 50,80 5 14,40 18,90 20,90 18,20 15,9 16,40
6 8,53 10,41 12,70 10,28 9,97 10,48
7 8,02 8,71 9,21 8,14 8,27 12,60
* água bruta - turbidez: 585 UNT; pH: 6,78
Apenas a título de explicitação, o tempo de 6 minutos de coleta da amostra em sedimentação no Jar-test, à uma profundidade fixa de 7 cm, corresponde à uma velocidade de sedimentação de 1,17 cm/min, ou uma taxa de aplicação superficial de 16,89 m3/m2.dia. Conhecida a área de decantador (214,86m2), a vazão a ser aduzida à ETA seria de 42 L/s, para a garantia da eficiência de sedimentação desejada, ou seja, a remoção de partículas com Vs ≥ 1,17 cm/min. Observe-se que tornou-se necessário reduzir a taxa de aplicação de 30 m3/m2.dia (Vs = 2,08 cm/min; tempo de coleta da amostra de 3,5 min) (taxa de aplicação ótima para 60 UNT, típica de época de chuvas) para cerca de 17 m3/m2.dia, ou seja, quase 50%, sendo esta a mesma ordem de grandeza de zonas mortas no decantador.
Na seqüência, e com base no conhecimento dos gradientes de velocidade e tempos de detenção hidráulica reais de floculação para as diversas vazões de possível operação da ETA (Tabelas 1 e 2), os ensaios iniciais foram confirmados com o emprego de novas velocidades de rotação e tempos de agitação no Jar-test (correspondentes à vazão de 42 L/s e respectivos tempos de detenção e gradientes nas diversas câmaras do floculador), mas variando-se o pH e as doses de sulfato. A esta altura, a turbidez da água bruta já havia caído para cerca de 370 UNT. (Tabela 6).
Tabela 6. Turbidez da água decantada em ensaio de Jar-Test * Dose de sulfato (mg/L)
22 24 26 28 30 32 21,7 11,9 15,2 13,5 17,4 16,2
* água bruta - turbidez: 369 UNT; pH: 6,69
20,0 14,0 18,0 17,0 23,0 21,0
* água bruta - turbidez: 370 UNT; pH: 6,62
Definida a rotina de operação (Q=42,0 L/s, dose sulfato= 24,0 mg/L, pH natural da água), foi dada nova partida na ETA, com controle freqüente dos efluentes dos processos unitários (floculador, decantador e filtros) e descarte da água até sua completa renovação e estabilização em valores de turbidez de acordo com o padrão de potabilidade. De maneira análoga, acompanhou-se de perto a operação da ETA, por meio de sucessivos ensaios de parâmetros ótimos de operação, até o retorno à normalidade, ou seja, aos valores mais usuais de turbidez de água bruta (Figura 2).
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ressalta-se como o pleno domínio dos parâmetros de funcionamento da ETA, orientou e facilitou a superação de uma situação de anormalidade, evitando a distribuição de água fora do padrão de potabilidade.
Entendendo a turbidez como um dos indicadores-chave da qualidade microbiológica da água (USEPA,1998), enfrentou-se o problema sem tergiversar: água fora do padrão é produto não-conforme e deve ser descartado. Cabe lembrar que na recém-publicada Portaria 1469, foi mantido o padrão de 1,0 UNT, porém com vistas a assegurar a adequada eficiência de remoção de vírus, Giardia lamblia e Cryptosporidium sp., recomenda-se, enfaticamente, como meta, a obtenção de efluente filtrado com valores de turbidez inferiores a 0,5 UT em 95% dos dados mensais, sendo que o limite máximo para qualquer amostra pontual deve ser 5,0 UT (MINISTÉRIO DA SAÚDE, 2000). É de se ressaltar que o banco de dados da Estação revela a ocorrência, em densidades significativas, de cistos de Giardia e oocistos de Cryptosporidium na água (BASTOS et al, 2001, ).
Por fim , vale lembrar que as estatísticas do setor saneamento revelam o quanto ainda há por avançar em termos de controle rotineiro da qualidade da água. Neste sentido, este trabalho contribui para destacar a propriedade, quando não a necessidade, de capacitação nos mais diversos níveis - do operacional ao gerencial- para o pleno domínio dos parâmetros de controle dos processos unitários de tratamento.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
2/01(09:00) 2/01(15:00) 4/01(11:00) 5/01(1:00) 5/01(5:00) 5/01(13:00) 6/01(10:00) 7/01(8:00) 7/01(14:00) 8/01(11:00) 9/01(16:00) 10/01(9:00) 10/01(16:00) 11/01(10:00) 12/01(8:00) 12/01(14:00) 15/01(8:00) 15/01(16:00) 16/01(15:00) 17/01(9:00) 18/01(8:00) 20/01(8:00) 21/01(8:00) 22/01(10:00) 23/01(9:00) 24/01(12:00) 25/01(8:00) 25/01(15:00) 26/01(9:00)
Data e horário
turbidez (UNT) lavagem
Figura 2- Turbidez da água filtrada- filtro 1 janeiro 2001
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BASTOS, R.K.X., VARGAS, L.C.; MOYSES, S.S; SILVA, H.C. Avaliação de desempenho de Estações de tratamento de água. Desvendando o real. In: CONGRESSO INTERAMERICANO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 27, 2000, Porto Alegre: AIDIS. Anais... Rio de Janeiro: Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, 2000. (CD-ROM).
BASTOS, R.K.X., BEVILACQUA, P.D, HELLER, L. et al. Abordagem epidemiológico- sanitária do tratamento e da qualidade parasitológica da água. Entre o desejável e o possível.. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 21, 2001, João Pessoa: ABES. Anais... Rio de Janeiro: Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, 2001. (CD-ROM).
MINISTÉRIO DA SAÚDE. Portaria no 1469, de 29 dez. 2000. Estabelece os procedimentos e responsabilidades relativos ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade, e dá outras providências. Diário Oficial, Brasília, 22 fev. 2001. Seção 1.
UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY. National primary drinking water regulations: interim enhanced surface water treatment; final rule. Part V (40 CFR, Parts 9, 141, and 142). Washington-DC, Federal Register, Rules and regulations, vol. 613 n. 241, Wedsneday, December 16, 1998, p.69479-69521.
