AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE FILTRO LENTO NO TRATAMENTO DE ÁGUA DA CHUVA NO CENTRO DE INTEGRAÇÃO LAR PARANÁ
Costa, Jamy Oliveira*; Belini, Aldria Diana*; Passig, Fernando Hermes** e Carvalho, Karina Querne de **
*Graduando de Engenharia Ambiental/UTFPR, Campo Mourão, Brasil
**Coordenação de Engenharia Ambiental/UTFPR, Campo Mourão, Brasil e-mail: jamyambiental@gmail.com
Resumo/Abstract
O objetivo deste artigo é avaliar a possibilidade de aproveitamento de água da chuva que é tratada por filtros lentos de areia e carvão e seu regime hidrodinâmico em uma instituição de ensino. Para isso foram realizadas determinações físico-químicas das amostras de água bruta e tratada pelos filtros de acordo com [1] e ensaios hidrodinâmicos de estímulo-resposta de acordo com [2].
The objective of this study is to evaluate the availability of reuse rain treated by slow filters of sand and activated carbon and their hydrodynamic regime in a tuition institution.
Physical-chemical determinations were carried out with raw and treated water samples by the filters according to [1] and hydrodynamic assays of stimulus-response according to [2].
Palavras-chave: Caracterização. Turbidez.
Tempo de Detenção Hidráulica. Fenômeno de Cauda. Granulometria.
Introdução
O uso de água da chuva é uma alternativa para melhor captação dos recursos hídricos para fins não potáveis e, é visto como um modelo de gerenciamento para conservação da água.
Essa reutilização pode ser uma grande aliada em instituições e centros de ensino que apresentam grandes áreas para captação de água e apresentam necessidades de utilizaççao destes recursos para fins não potáveis, como lavagem de pátios e pisos, rega de jardins e descartes em vasos sanitários. Portanto é uma saída para diminuir os custos com consumo de água do sistema de tratamento público.
Para aproveitamento de água da chuva é usual o descarte das águas da primeira chuva, para remoção de patógenos e elementos químicos, além da implantação de filtros para remoção de material particulado em suspensão.
A filtração lenta destaca-se dentre as diversas tecnologias de tratamento de água devido não requerer coagulação química, além de ser um sistema simples e econômico com relação à construção, operação e manutenção, sendo, portanto, indicada para locais que não possuam mão de obra especializada [3]; [4].
Além disso, esse tipo de sistema, potabiliza água de qualidade, sendo um método para
tratamento de água adotado em comunidades de pequeno porte e com águas de turbidez menor que 50 UNT [5], variando em filtro lento de fluxo ascendente e descendente.
Os filtros são classificados em lentos e rápidos, diferenciados pela taxa de operação e pelo método de limpeza. A filtração lenta promove a purificação da água por meio de maior ação biológica comparada à físico- química, com formação de uma camada superficial denominada de camada de Schmutzdecke. A camada de Schmutzdecke é uma camada heterogênea que consiste de bactérias, algas, protozoários, invertebrados e detritos, além de precipitados de ferro e manganês. Quando esses metais estão presentes na água do efluente [4] promovem remoção de partículas, principalmente na superfície do meio filtrante onde é formada [6].
Da mesma forma é importante conhecer o comportamento hidrodinâmico dessas unidades de tratamento da água. Para isso, estuda-se o tempo de detenção hidráulica (TDH) que é o tempo médio de permanência das moléculas de água em uma unidade de tratamento com alimentação de fluxo contínuo.
Segundo [7], o TDH é obtido pela relação volume útil (Vu) e vazão afluente (Qa).
Nesse ensaio, escolhe-se um traçador que apresente baixa e constante concentração na água, ausência de reação com compostos
presentes na água e facilidade na detecção e medição na água [7].
Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar a possibilidade de aproveitamento da água da chuva tratada por filtros de areia e carvão no Centro de Integração Lar, localizado na Rua Nossa Senhora Aparecida, 1141 – Jardim Pio XII, na cidade de Campo Mourão, Paraná.
Materiais e Métodos
O aparato experimental era composto de 2 filtros confeccionados em PVC com 10 mm de diâmetro, 50 cm de altura, 0,00785 m2 de área e 0,025 m3 de volume. O recheio dos filtros era composto de carvão ativado e areia. Os filtros foram alimentados com água da chuva coletada no Centro de Integração Lar Paraná operados com vazão de aproximadamente 3 L/h, taxa de aplicação superficial de 3,0 m3/m2.d e TDH de 1,2 h. A alimentação dos filtros foi feita através de bomba dosadora solenóide da marca Prominent, modelo Conb 1201 que recalcava a água da chuva de um reservatório de 220 L para os filtros.
Ensaios granulométricos da areia e do carvão foram realizados de acordo com a [8].
Para [7], a faixa granulométrica proposta é de 0,2 mm a 2 mm para a areia.
A coleta das amostras de água de chuva foi feita no Centro de Integração Lar Paraná, que é uma entidade filantrópica no qual são atendidas 346 crianças e adolescentes em diversos programas de educação e interação
com a sociedade, realizados trabalhos de orientação e envolvimento das famílias na educação e desenvolvimento de seus filhos.
Em sua estrutura encontram-se 4 blocos com berçário, lactário, fraldário, salas de aula, banheiros, cozinha, ginásio, biblioteca, dentre outras, totalizando 1835 m2 de cobertura.
A coleta das amostras foi realizada em intervalos de 0, 10, 30 e 60 minutos, diretamente da precipitação livre e dos telhados de um quiosque, corredor dos blocos de sala de aula e do ginásio.
A caracterização físico-química foi feita com determinação da temperatura, pH, turbidez, condutividade, Demanda Química de Oxigênio (DQO), concentração de sólidos totais (ST) e de sólidos suspensos totais (SST) em amostras de água da chuva (brutas e filtradas) de acordo com [1]. Alcalinidade total e concentração de ácidos voláteis foram realizadas segundo metodologia de [9] e [10], respectivamente. Todas as análises foram realizadas em duplicata.
O monitoramento diário da turbidez em amostas do afluente e efluente dos filtros foi realizado durante 135 dias.
Os ensaios de estímulo-resposta (em triplicata) tipo pulso com eosina Y como traçador foram realizados com massas de 0,4 g diluídas em 20 mL de água destilada. Cada ensaio durou 8 h com intervalos de coleta de amostras do efluente dos filtros de 10 min. O método colorimétrico de leitura de absorbância foi aplicado para determinação da
concentração do traçador nas amostras do efluente do filtro, com leituras dos comprimentos de ondas das amostras realizadas em espectrofotômetro Hach uv-vis, modelo DR/5000, com comprimento de onda de 516 nm.
O ajuste das curvas experimentais de distribuição do tempo de detenção hidráulica em função do tempo adimensional foi realizado com base nos modelos teóricos uniparamétricos de dispersão de pequena (PD) e de grande intensidade (GD) e de tanques de mistura completa em série (N-CSTR) de acordo com [2]. As curvas experimentais da variação de concentração do traçador ao longo do tempo (C x t), foram normalizadas (área sobre a curva igual a 1) de acordo com [2], resultando em curvas de distribuição do tempo de residência hidráulica (Eθ) em função do tempo adimensional (θ). Após a normalização, foi possível calcular a variância para cada ensaio (σθ2
).
Resultados
Segundo [11], a areia foi classificada como agregado miúdo (0,6 mm a 2,0 mm), com grãos caracterizados em torno de 1,18 mm, mediante cálculos do Diâmetro Máximo Característico (DMC) e de módulo de finura inferior a 2,4 (1,27), representando areia média. A porcentagem de massa retida foi obtida a partir da peneira de 2,4 mm para areia I, II e mista.
Para o filtro de carvão, a caracterização do meio filtrante, foi de Areia Média, com 65%
das partículas retidas nessa faixa, 20% como areia fina, 13% como areia grossa e 2% como pedregulho.
Um resumo dos resultados obtidos na caracterização físico-química das amostras de água da chuva no Centro de Integração Lar Paraná está apresentado na Tabela 1.
Os resultados do monitoramento da turbidez em amostras do afluente e efluente dos filtros são apresentadas na Figura 1.
Tabela 1: Resumo dos resultados experimentais obtidos nas campanhas de coleta das amostras de água da chuva para o Centro de Integração Lar Paraná
Precipitação Livre Corredor Telhado Cerâmico Ginásio
Parâmetros X DP Máx Mín X DP Máx Mín X DP Máx Mín x DP Máx Mín
Temperatura (oC) 21,3 0,14 21,4 21,2 21,05 0,07 21,10 21,0 22,0 - 22,0 22,0 24,0 - 24,0 24,0
pH 6,9 0,42 7,2 6,6 6,8 0,5 6,8 6,1 5,1 - 5,1 5,1 6,1 - 6,1 6,1
Turbidez (UNT) 16,1 3,82 18,8 13,4 24,6 12,9 33,7 12,2 33,1 - 33,1 33,1 14,2 - 14,2 14,2 Condutividade (S/cm2 26,95 8,98 33,3 20,6 57,5 17,3 69,8 41,4 95,3 - 95,3 95,3 17,4 - 17,4 17,4 Alcalinidade a bicarbonato (mgCaCO3/L) 6,95 3,32 9,3 4,6 7,0 1,2 7,8 6,0 7,6 - 7,6 7,6 4,5 - 4,5 4,5 Ácidos Voláteis (mgHAc/L) 23,1 1,41 24,1 22,1 24,4 1,5 25,5 23,4 25,7 - 25,7 25,7 23,0 - 23,0 23,0
DQO bruta (mg/L) <10,0 - - - 48,0 9,0 54,4 0,0 64,8 - 64,8 64,8 3,4 - 3,4 3,4
DQO filtrada (mg/L) <10,0 - - - <10,0 - - - <10,0 - - - <10,0 - - -
Sólidos Totais (mg/L) 36,15 5,02 39,7 32,6 68,6 2,5 70,0 58,8 66,3 - 66,3 66,3 25,1 - 25,1 25,1 Sólidos Totais Voláteis (mg/L) 20,7 1,98 22,1 19,3 38,6 5,0 42,1 30,5 39,9 - 39,9 39,9 19,3 - 19,3 19,3 Sólidos Totais Fixos (mg/L) 17,7 0,14 17,8 17,6 39,3 6,2 43,6 20,0 23,2 - 23,2 23,2 16,0 - 16,0 16,0 Sólidos Suspensos Totais (mg/L) 11,05 0,21 11,2 10,9 15,9 2,8 17,9 10,0 18,5 - 18,5 18,5 10,9 - 10,9 10,9 Sólidos Suspensos Voláteis (mg/L) 6,1 0,85 6,7 5,5 9,9 1,1 10,7 3,4 13,7 - 13,7 13,7 2,3 - 2,3 2,3 Sólidos Suspensos Fixos (mg/L) 3,25 1,48 4,3 2,2 6,5 1,0 7,2 3,0 12,4 - 12,4 12,4 4,6 - 4,6 4,6 x: média aritmética; DP: desvio padrão; Máx: valor máximo; Mín: valor mínimo.
0 20 40 60 80 100 120 140
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135
Turbidez (UNT)
Tempo (d)
Afluente Efluente
Figura 1. Resultados obtidos da turbidez em amostras do afluente e efluente dos filtros lento.
Foi possível notar que não houve remoção de turbidez até o 13º dia da partida do filtro, pois a turbidez foi de 56,1 UNT. A partir do 14º dia de operação dos filtros, houve início da remoção de 36,8 UNT para 15,7 UNT até o 30º dia de operação (57,3%), provavelmente devido à formação da camada de Schmutzdecke no meio filtrante.
A partir do 30º dia de operação, os filtros apresentaram estabilidade na remoção da turbidez de 15,7±2,0 UNT, independentemente das variações desse parâmetro nas amostras do afluente. Esse comportamento foi mantido até o 85º dia de operação, quando houve aumento da turbidez de 12,8 UNT para 67,7 UNT nas amostras do efluente do filtro.
Após a retrolavagem dos filtros com água no 90º dia de operação, foi possível observar tendência de recuperação da eficiência de remoção da turbidez a partir do 103º dia, que se manteve até o 118º dia.
A média da turbidez após passagem nos filtros de 29,0 ± 17,9 UNT foi superior a [12], que estabelece o limite de 1,0 UNT para águas tratadas por filtros lentos.
Este fato foi observado por [13] que obteve 14,8 UNT em filtro operado com taxa de filtração de 4 m3/m2.d,
Na Tabela 1 é possível notar que as características de água da chuva bruta estão fora do padrão de potabilidade [12], verificando assim a necessidade de um tratamento para se adequar aos valores
estabelecidos, no entando é possivel seu uso para fins não potáveis como lavagem de pátios, rega de jardins e descarte em sanitários.
Observou-se variação da turbidez pelo tipo de telhado e pelo tempo de precipitação, sendo que o telhado metálico apresentou melhores características do que os telhados ceramicos, e também verificou-se que os primeiros 10 min de precipitação apresentaram os piores resultados, por arrastarem os sólidos acumulados nos telhados.
Na avaliação do comportamento hidrodinâmico do filtro de areia (Figura 2) e de carvão (Figura 3), observou-se atraso na resposta do traçador no efluente pois os valores médios de TDH real obtidos foram superiores ao TDH teórico (1,2 h) e iguais a 2,4 h e 2,05 h, respectivamente. Esse atraso pode ter ocorrido devido a adsorção do traçador no meio filtrante. No ajuste dos dados experimentais, o modelo N-CSTR indicou de 2 a 3 (2,7 ± 0,6) filtros de areia e de 2 a 3 (2,3 ± 0,6) filtros de carvão.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Concentração Eosina Y (mg/L)
Tempo (h)
(a)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
EƟ
Ɵ
Figura 2 – Média da variação da concentração de eosina Y ao longo do tempo nas amostras de efluente do filtro de areia para os ensaios de estímulo-resposta.
Observa-se nas Figuras 2 e 3, o lento decaimento na concentração do traçador ao longo do tempo nos ensaios, indicando provavelmente o fenômeno de “cauda longa”
resultante da adsorção do traçador no meio filtrante. Também pode-se verificar o adiantamento do pico de concentração máxima do traçador, indicando a ocorrência de caminhos preferenciais nos filtros.
(a)
Figura 3 – Média da variação da concentração de eosina Y nas amostras do efluente do filtro de carvão ativado para os ensaios de estímulo- resposta.
As curvas médias de DTR obtidas com ajuste dos dados experimentais do filtro de areia e do filtro de carvão são apresentadas na Figuras 4 e 5, respectivamente.
(a)
Figura 4: Média das curvas de DTR obtidas experimentalmente ao longo do tempo para os ensaios de estímulo-resposta no filtro de carvão ativado.
(a)
Figura 5: Média das curvas de DTR obtidas experimentalmente ao longo do tempo para os ensaios de estímulo-resposta no filtro de areia.
Legenda: -- Dados experimentais; ▲- N- CSTR em série; - pequena dispersão;─
grande dispersão.
Pelas Figuras 4 e 5 nota-se que o modelo de dispersão de grande intensidade teve melhor ajuste aos dados experimentais nos ensaios realizados para ambos os filtros, apesar de inicialmente os ensaios não respeitarem suas premissas (D/uL< 0,01 e dispersão idêntica
dentro e fora do volume de controle).
Entretanto, isto não significa que o ajuste tenha sido satisfatório, pois, mesmo neste modelo, foi grande a dispersão em relação aos valores experimentais.
Discussão
Com as análises físico-químicas verificou- se redução dos valores obtidos da maioria dos parâmetros avaliados na caracterização da qualidade da água de chuva pelo tempo. No entanto é necessária realização de descarte da água coletada nos primeiros 10 minutos de precipitação para diminuir a concentração de poluentes localizados nos telhados que influenciam no aumento da turbidez e da concentração de ST.
O parâmetro turbidez resultou superior ao estabelecido pela [12]. No entanto os valores obtidos não são significativos em relação ao uso para fins não potáveis como lavagem de pisos e do pátio, rega dos jardins e descargas sanitárias do colégio.
A eficiência de remoção de turbidez foi de 77,6% até os filtros terem alcançado estabilidade no 30º dia de operação. Essa estabilidade se manteve até o 85º quando houve aumento da turbidez de 12,8 UNT para 67,7 UNT nas amostras do efluente deste filtro.
Foi realizada retrolavagem dos filtros que acarretou na recuperação a partir do 103º dia,
porém não atingiu a turbidez desejada de acordo com [12] com limite de 1,0 UNT.
Em relação os ensaios hidrodinâmicos notou-se que o modelo de dispersão de grande intensidade teve melhor ajuste aos dados experimentais nos ensaios realizados. Devido à elevada dispersão longitudinal encontrada no parâmetro D/uL nos modelos de dispersão de pequena e grande intensidade, ao valor do parâmetro N encontrado e ao melhor de ajuste dos dados experimentais pelo modelo de dispersão de pequena intensidade em relação aos demais modelos, pode-se afirmar que o regime de fluxo predominante no filtro de carvão e de areia foi de pequena dispersão.
Conclusão
As caracterizações da qualidade das amostras de água da chuva coletadas no Centro de Integração Lar Paraná demonstraram que a mesma pode ser utilizada para fins não potáveis. Foi possível observar que a água da chuva tem sua qualidade influenciada pela superfície de captação, uma vez que houve aumento em parâmetros como turbidez no telhado tipo cerâmica. A turbidez das amostras coletadas resultou superior aos limites estabelecidos de 5,0 UNT pela [8] e 1,0 UNT pela [12] para fins potáveis. Desta forma os telhados metálicos apresentaram melhores características para a captação da água que outros tipos de telhados, sendo possível o uso desta para diversos fins não potáveis.
É necessária a continuidade da pesquisa, para atingir carreiras de filtração mais longas para configurar o filtro lento como uma alternativa no tratamento de água da chuva.
Com os ensaios hidrodinâmicos foi possível concluir que os filtros de areia e de carvão ativado apresentaram comportamento similares ao modelo de escoamento de dispersão de pequena intensidade para os ensaios com eosina Y.
Além disso, foi verificado atraso da resposta da eosina Y nas amostras do efluente dos filtros em todos os ensaios, o que pode indicar adsorção deste traçador no interior dos filtros.
O fenômeno de cauda observado nas curvas obtidas é resultante da difusão dos traçadores e de sua lenta liberação no efluente dos filtros.
Agradecimentos
Os autores agradecem aos técnicos Msc.
Marcelo Nunes de Jesus e Msc. Kássia Ayumi Segawa do Amaral pelo apoio no desenvolvimento desse projeto de iniciação científica; A Sra. Cristiane Via da Rocha, diretora do Centro de Integração Lar Paraná, por ter cedido o espaço para realização desse trabalho; A UTFPR, câmpus Campo Mourão, por disponibilizar os recursos necessários para a realização do trabalho; A Fundação Araucária, ao SETI e ao Governo do Estado do Paraná pela concessão da bolsa de iniciação científica (modalidade Ações Afirmativas).
Referências
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