I UTILIZAÇÃO DE PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS PARA TRATAMENTO DE ÁGUA DE MANANCIAIS DEGRADADOS.

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23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

I-005 - UTILIZAÇÃO DE PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS

PARA TRATAMENTO DE ÁGUA DE MANANCIAIS DEGRADADOS.

José Carlos Mierzwa(1)

Professor no Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica, doutor em Engenharia Sanitária pela EPUSP, mestre em Ciências pelo IPEN/CNEN-SP – USP, engenheiro químico formado pela Universidade de Mogi das Cruzes/SP, Coordenador do Projeto Membranas do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da EPUSP e Coordenador de Projetos do Centro Internacional de Referência em Reúso de Água.

Silvia Marta Castelo de Moura Carrara (2)

Engenheira civil formada pela Escola de Engenharia de São Carlos da USP, mestre em Saneamento pela UNICAMP e doutora em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola Politécnica da USP. Pesquisadora do Projeto Membranas do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP.

Mauricio Costa Cabral da Silva

Engenheiro civil com ênfase ambiental formado pela Universidade Anhembi Morumbi. Pesquisador do Projeto Membranas do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP.

Maurício Ferreira de Freitas Jardim

Bolsista CNPQ e aluno de engenharia na Universidade de São Paulo. Participa do programa de Iniciação científica no Projeto Membranas do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP.

Thiago Mattio

Bolsista CNPQ e aluno do curso de Engenharia na Universidade de São Paulo. Participa do programa de Iniciação científica no Projeto Membranas do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP.

Endereço(1): Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP. Av. Prof.

Almeida Prado, 83 - Butantã - São Paulo - SP - Brasil - CEP- 05508-900. Telefone: (11) 3091-5329, Fax: (11) 3091-5423. e-mail: mierzwa@usp.br

RESUMO

A ocupação desordenada de áreas de mananciais, principais fontes utilizadas para abastecimento humano, tem comprometido a qualidade das águas pelo lançamento de esgotos domésticos e águas residuárias industriais. Devido a este fato, pesquisadores têm alertado para a presença de desreguladores endócrinos (DEs) nas águas de mananciais, como hormônios sintéticos e alquilfenóis, dentre outros. O presente trabalho tem por objetivo verificar a presença e a remoção de micropoluentes nas águas do Reservatório Guarapiranga, o qual é utilizado como fonte de abastecimento público, utilizando processos de tratamento avançados, mais especificamente, os processos de separação por membranas. Os micropoluentes a serem estudados são considerados, por alguns pesquisadores, como DEs. O nonilfenol e o hormônio etinilestradiol foram os micropoluentes escolhidos e, por despertarem preocupação devido a sua toxicidade, está sendo monitorada a presença e a remoção de microcistinas da água, utilizando processos de ultrafiltração

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Nos estudos já realizados, a porcentagem de remoção de turbidez variou de 78% a 89%, com uma taxa de recuperação de água que variou de 79% a, praticamente, 90% em relação à vazão alimentada ao sistema,. Não foi detectada a presença de microcistinas na água bruta e nem no permeado, tendo sido obtidas concentrações menores do que 0,1 ppb (limite de detecção do método), já no concentrado foi obtida uma concentração média de 0,239 ppb de microcistinas. Com base nos resultados preliminares foi possível constatar que o processo de ultrafiltração testado demonstrou ter potencial de produção da água com qualidade requerida em termos de turbidez e de remoção de microcistinas da água bruta, , condições que dão subsídios para a implantação da unidade piloto a ser instalada na área do Reservatório Guarapiranga, a qual será utilizada para a obtenção de dados sobre a sua capacidade para remoção de outros contaminantes e desempenho em operação contínua.

PALAVRAS-CHAVE: Prosab, água de abastecimento, mananciais degradados, ultrafiltração,

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INTRODUÇÃO

Regiões com alto índice de urbanização vêm sofrendo com os problemas de escassez de água, resultado de uma demanda elevada e dos problemas de poluição dos recursos ainda disponíveis. Devido à ocupação desordenada dos espaços urbanos, inclusive áreas de mananciais, as principais fontes utilizadas para abastecimento humano passam a ter a sua qualidade comprometida, seja pelo lançamento de esgotos domésticos, industriais ou devido às cargas difusas. Isto por sua vez traz uma grande ameaça aos consumidores da água proveniente desses mananciais, principalmente devido à ampla gama de compostos químicos lançados e que não são removidos pelos processos normalmente utilizados para o tratamento da água.

O avanço tecnológico ocorrido ao longo das últimas décadas colocou no mercado processos alternativos de tratamento de água como, por exemplo, os processos de separação por membranas, que incluem a microfiltração, ultrafiltração, osmose reversa e eletrodiálise, os quais, até então, eram restritos a aplicações muito específicas, principalmente para produção de água com elevado grau de pureza utilizada na indústria farmacêutica, eletrônica e nuclear, ou dessalinização da água do mar para produção de água potável. Este fato foi resultado, principalmente, da ampliação da escala de produção, possibilitando que o custo de equipamentos baseado nesta tecnologia se tornasse competitivo com os sistemas tradicionalmente utilizados.

Desta forma, o desenvolvimento de uma pesquisa relacionada com processos de separação por membranas é de grande relevância para a avaliação do potencial de utilização dos mesmos para a produção de água potável, a partir de mananciais que apresentem problemas de qualidade resultantes da ação antrópica, que é um fato já consolidado em muitas regiões do país.

A partir do Edital nº 04 do Programa de Pesquisa em Saneamento Básico - PROSAB (MCT/FINEP-CT-HIDRO 01/2003), foi proposto um projeto de pesquisa para o tratamento de água a partir de mananciais degradados, intitulado Membranas, no qual será avaliada a eficiência dos processos de separação por membranas para a remoção de alguns micropoluentes presentes em manancial de abastecimento e o seu desempenho operacional.

OBJETIVOS

O presente trabalho tem por objetivo verificar a presença e a remoção de micropoluentes nas águas do Reservatório Guarapiranga, o qual é utilizado como fonte de abastecimento público, utilizando processos de tratamento avançados, mais especificamente, o processo de separação por ultrafiltração. Os micropoluentes a serem estudados são o nonilfenol e o hormônio etinilestradiol, que são considerados, por muitos pesquisadores, como desreguladores endócrinos, e, por despertarem preocupação devido a sua toxicidade, está sendo também monitorada a presença e a remoção de microcistinas na água.

CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROBLEMA DA ÁGUA NA REGIÃO METROPOLITANA DE SÃO PAULO

O Reservatório Guarapiranga foi construído na porção sudoeste da Região Metropolitana de São Paulo entre 1906 a 1908, tendo como objetivos principais a geração energia elétrica e a regularização da vazão do Rio Tietê. Em 1927, o Reservatório Guarapiranga passou a ser utilizado como manancial para abastecimento público da cidade de São Paulo. Atualmente, o reservatório contribui com cerca de 20% da água de abastecimento da Região Metropolitana de São Paulo (CETESB, 2003).

Segundo a CETESB (2003), é estimada a presença de aproximadamente 622 mil habitantes nos arredores do Reservatório Guarapiranga, muitos dos quais formaram invasões nas áreas mais próximas à represa. Com isso, desde o final da década de 60, o reservatório vem sofrendo um processo de degradação ambiental, fruto da urbanização intensificada da metrópole paulista e do lançamento indiscriminado de esgotos domésticos e industriais. A Tabela 1 apresenta a evolução dos valores de condutividade, turbidez, nitrito, nitrato, amônia, oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio, resíduo filtrável, fósforo total e coliformes termotolerantes, nos últimos anos.

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Tabela 1- Parâmetros sanitários determinados a partir de amostras de água do ponto de captação da SABESP no Reservatório do Guarapiranga.

Média Média Parâmetros Unidades 1992-2001 2001 2002 2003 Condutividade μS/cm 104 123 137 148 Turbidez UT 3,0 4,8 2,0 2,2 NO2 mg/L 0,045 0,09 0,11 0,15 NO3 mg/L 0,51 0,52 0,67 1,38 NH3 mg/L 0,14 0,15 0,30 0,21 OD mg/L 7,5 7,9 6,2 8,1 DBO5,20 mg/L 4,0 4,0 5,0 4,5 Res. Filtrável mg/L 58 84 88 102 Fósforo Total mg/L 0,062 0,077 0,055 0,115 Coliformes

Termotolerantes NMP/100 mL 6,20E+02 - 9,80E+01 4,70E+01

Fonte: CETESB, 2001, 2002, 2003, 2004.

Analisando os dados da Tabela 1, pode ser observado que, entre os anos de 2001 a 2003, as concentrações de alguns dos parâmetros analisados sofreram um acréscimo significativo, o que pode ser um indicativo da influência antrópica sobre o reservatório. De acordo com a CETESB (2002), em geral, valores de condutividade maiores do que 100 μS/cm indicam ambientes impactados.

Além dos contaminantes tradicionalmente considerados para a avaliação da qualidade da água, em mananciais utilizados para abastecimento, nos últimos anos, tem sido dada uma atenção especial por parte dos pesquisadores para uma classe de compostos que é causadora de disfunções endócrinas. Os desreguladores endócrinos (DE), que são substâncias exógenas, que podem causar efeitos nos processos de reprodução e desenvolvimento humano, como diminuição da fertilidade e hermafroditismo, podendo interferir na produção, lançamento, transporte, metabolismo, ligações, ações ou eliminações de hormônios naturais no corpo, responsáveis pela manutenção da homeostase e na regulação do processo de desenvolvimento (KAVILOCK et al, 1996).

ALDA & BARCELÓ (2000) reportaram que uma grande variedade de poluentes tem causado disfunções endócrinas em animais. Estes incluem os pesticidas, hidrocarbonetos aromáticos polinucleares, os ftalatos e algumas bifenilas policloradas, dioxinas, furanos, alquil fenóis, esteróides sintéticos e produtos naturais como fitoestrogênios. Todos são coletivamente referidos como DE. Segundo MENDES (2002), os desreguladores endócrinos são substâncias químicas capazes de causar disfunções no funcionamento normal no sistema endócrino e podem ser uma ameaça ao crescimento do Homem e de sua saúde por toda a vida.

TERNES et al (1999) verificaram a presença de estrogênios em esgotos sanitários de estações de tratamento da Alemanha, Canadá e Brasil. No esgoto bruto da estação de tratamento de esgotos da Penha, na cidade do Rio de Janeiro foram detectados os estrogênios naturais em concentrações médias de 0,021 μg/L e 0,040 μg/L, respectivamente. Foram verificadas remoções de 83% e 78% do 17β-estradiol e estrona, respectivamente, após o esgoto ter sido submetido ao tratamento por lodos ativados. Verificou-se a presença de diversos hormônios nos efluentes das estações de tratamento de esgotos investigadas, devido à remoção incompleta destes compostos após o tratamento realizado.

Segundo BILA & DEZOTTI (2003), a presença de fármacos residuais na água, como antibióticos e estrogênios pode causar efeitos adversos na saúde humana e de organismos presentes nas águas, como os peixes. Estes efeitos têm sido demonstrados em estudos que já descreveram a feminização de peixes machos expostos a estrogênios lançados nos rios através dos efluentes de ETEs.

Os estrogênios, em especial o estradiol, são responsáveis pelas características femininas, pelo controle do ciclo reprodutivo e gravidez, bem como influenciam na pele, nos ossos e no sistema cardiovascular e imunológico. Os hormônios naturais são mais potentes que os estrogênios sintéticos. As mulheres produzem mais estrogênios que os homens e a produção é menos abundante após o período da menopausa (TAPIERO et al, 2002).

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Os alquis fenóis são amplamente utilizados como matéria-prima na fabricação de surfactantes, presentes em uma ampla variedade de produtos utilizados nas residências como, por exemplo, os detergentes domésticos, sendo o nonilfenol um dos mais utilizados no mercado. Muitos estudos têm reportado a ocorrência de metabólitos de alquis fenóis no meio ambiente. Outros estudos também apontam que tais metabólitos são mais tóxicos do que as substâncias que os constituíram e possuem a habilidade de agir como os hormônios naturais, interagindo com o estrogênio receptor (YING et al, 2002).

MATERIAIS E MÉTODOS

Neste estudo preliminar foram utilizadas membranas de ultrafiltração na configuração enrolada em espiral, fabricada pela empresa Osmonics, modelo GK-4040F, cujo material é a polissulfona com capacidade para separação de moléculas orgânicas com peso molecular maior ou igual a 3.500 g/mol (peso molecular de corte). A pressão de operação na membrana pode de 483 kPA a 2.758 kPA, com uma taxa de produção de água, prevista pelo fabricante, variando de 12 a 26 L/h.m2 para uma faixa de pressão variando de 483 kPa a 681 kPa. A área de membrana por módulo é de 8,36 m2. Estão sendo utilizadas 2 membranas em série, em um único vaso de pressão. A unidade utilizada encontra-se instalada no Centro Internacional de Referência de Reúso de Água – CIRRA, localizado na Universidade de São Paulo e foi fornecida pela empresa Perenne.Equipamentos e Sistemas de Água Ltda.

A unidade piloto também dispõe de um sistema de pré-tratamento, constituído por um filtro tipo bolsa, para retenção de partículas de até 50 μm e um conjunto de filtros tipo cartucho, para retenção de partículas com até 5μm de diâmetro, cujo principal objetivo é assegurar que não ocorra entupimento dos canais de água de alimentação da membrana utilizada.

O monitoramento da água do Reservatório Guarapiranga foi realizado através da determinação dos seguintes parâmetros: turbidez, pH, condutividade elétrica, nitrogênio amoniacal, fósforo total e ortofosfato.

Todos estes ensaios foram determinados seguindo os procedimentos ditados pelo Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1998). A determinação de microcistinas na água foi feita pelo método Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA), cujos kits utilizados são da empresa Beacon Analytical Systems, Inc., representada no Brasil pela empresa All Quality. O hormônio etinilestradiol e o nonilfenol não foram determinados, devido a dificuldades na obtenção dos kits para análise pelo método ELISA para a matriz água. Na tabela 2 estão relacionados os equipamentos utilizados para a realização das análises.

Tabela 2 – Características dos equipamentos utilizados para a realização das análises

Tipo de análise Equipamento Fabricante

Microcistina Leitora de tiras Modelo

Quick Elisa

Drake Eletrônica Comércio Ltda

Turbidez Turbidímetro AP-2000 Policontrol Instrumentos Analíticos para Meio Ambiente

pH pH-metro INL-10 INATEC Equipamentos Analíticos Ltda

Condutividade elétrica Condutivímetro INL-30 INATEC Equipamentos Analíticos Ltda Fósforo total e ortofosfato Espectrofotômetro B-382 Micronal S/A

Amostras de água do Reservatório Guarapiranga foram coletadas e levadas ao CIRRA, onde foram feitas as análises para determinação dos parâmetros de controle., assim como para a realização dos ensaios na unidade piloto de ultrafiltração, cujos parâmetros de operação foram definidos na etapa de planejamento.

Antes do início do ensaio com a água do manancial foi feito um ensaio utilizando-se água da rede pública de abastecimento, visando obter a taxa de fluxo da membrana,, para comparação com o fluxo a ser obtido quando for feito o tratamento da água.

Durante a realização do ensaio na unidade piloto foram coletadas, em intervalos de tempo previamente estabelecidos, amostras do permeado e do concentrado para a análise de turbidez, pH e condutividade elétrica, ao mesmo tempo em que eram verificadas as condições de operação do sistema, destacando-se as pressões de entrada e saída nos filtros cartucho e vaso de pressão e vazões de permeado, concentrado e de recirculação. A

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figura 1 ilustra, esquematicamente, o arranjo utilizado nos ensaios, enquanto a figura 2 mostra uma foto da unidade piloto utilizada.

Tanque de Alimentação Sistema de Pré-filtração Tanque de Permeado Vaso de pressão Bomba de alta pressão Bomba de alimentação Recirculação Concentrado P e rm e a d o

Figura 1 – Esquema do arranjo utilizado nos ensaios por ultrafiltração

Figura 2 – Foto unidade ultrafiltração utilizada nos ensaios de laboratório

Após a realização dos ensaios e análise dos resultados, que ainda estão em andamento, serão avaliados os aspectos econômicos associados aos processos de separação por membranas em comparação com os sistemas atualmente utilizados para tratamento de água.

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RESULTADOS

A figura 3 apresenta os dados obtidos no ensaio para a determinação da taxa de fluxo utilizando-se água da companhia de abastecimento. A média para a taxa de fluxo de permeado foi de 35,3 L/h.m2, a uma pressão de 563,7 kPa e temperatura de 29 °C. 0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0 700,0 800,0 0 20 40 60 80 100 120

Tempo de operação (minutos)

Va

z

ã

o (

L

/h

)

Permeado Concentrado Alimentação

Figura 3 – Resultados do ensaio para a determinação da taxa de fluxo para a membrana de ultrafiltração

Pelos dados apresentados na figura 3 verifica-se que o sistema se manteve estável em relação à vazão de permeado e concentrado.

A Tabela 3 apresenta os valores de pH, condutividade elétrica, demanda bioquímica de oxigênio, concentração de nitrogênio e fósforo da água coletada na Represa Guarapiranga, junto ao ponto de captação da Sabesp, para a realização dos ensaios no CIRRA.

Tabela 3- Caracterização físico-química de amostras de água bruta da Represa Guarapiranga coletadas nos dias 15/2/2005 e 22/02/2005 para realização dos ensaios no CIRRA.

Amostra (Data) pH Tempera-tura (oC) Condutividad e (μS/cm) Turbidez (UT) Nitrogênio Amoniacal (mgN-NH3/L) Fósforo total (mgP-PO4/L) Ortofosfato (mgP-PO4/L) 1 (15/2/2005) 7,32 25 225 1,89 0,58 <0,08 <0,08 2 (22/2/2005) 7,27 25 133 2,16 0,91 <0,08 <0,08

Comparando-se os valores de condutividade da Tabela 1 com os da Tabela 2, verifica-se que o valor determinado na amostra 1 do dia 15/02 foi muito elevado, considerando-se que a média determinada em 2003 pela CETESB foi de 148 S/cm, (2004), sendo bem diferente das médias obtidas anteriormente.

A Figura 4 mostra a variação da turbidez e condutividade elétrica do permeado produzido a partir do processo de ultrafiltração da água da Represa Guarapiranga.

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0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 10: 50 11: 10 11: 30 11: 50 12: 20 13: 20 14:00 14; 40 15: 20 16: 00 16: 40 Hora Tu rb id e z ( N TU ) 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 C o ndu ti v ida de (μ S/c m ) Turbidez Condutividade

Figura 4- Valores de turbidez e condutividade da água do permeado produzido pelo processo de ultrafiltração.

Pela análise do gráfico da Figura 4, pode ser constatado que houve uma elevada remoção de turbidez, variando de 78% a 89%. Por outro lado, verifica-se que houve uma elevação da condutividade elétrica do permeado produzido ao longo do tempo.

A elevação da condutividade elétrica do permeado foi mais significativa a partir das 12:20 h, passando de 102,2 μS/cm para 118,0 μS/cm, fato esse que pode justificado pela redução da vazão do concentrado, que passou de 120 L/h para 65 L/h, que significa uma elevação na taxa de recuperação de água, conforme dados apresentados na figura 5. 0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0 0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tempo de operação (minutos)

Va z ã o ( L /h )

Permeado Concentrado Alimentação

Figura 5 – Variação das vazões de alimentação, permeado e concentrado na unidade de ultrafiltração ao longo do ensaio com água da Represa Guarapiranga.

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Pela análise dos dados apresentados na figura 5, verifica-se que a vazão de água produzida foi mantida constante ao longo do ensaio, o que é um bom indicativo para o desempenho da membrana. A taxa de recuperação de água atingiu um valor médio de quase 90%, bem como a taxa de fluxo de permeado, que esteve próxima ao valor de 28,2 L/h.m2a uma pressão de .451 kPa e temperatura de 27 °C. Esta taxa de fluxo, quando comparada com aquela obtida no ensaio com água limpa é bastante satisfatória, principalmente se for considerado que a pressão de operação da unidade, durante a realização do ensaio, foi menor.

Vale ressaltar que não houve introdução de produtos químicos para o tratamento da água, com isso, não houve produção de lodo, o que acontece no tratamento convencional de coagulação, floculação e sedimentação. A Figura 5 mostra que apesar da vazão do concentrado ter sido diminuída, a vazão do permeado praticamente não foi modificada. Com isso, houve redução da vazão do rejeito, ou seja, menor foi o volume de concentrado por unidade de tempo, não havendo alteração da quantidade de água tratada

Na análise de microcistinas da água bruta da Represa Guarapiranga pelo método ELISA foram obtidos valores médios (triplicata) menores do que 0,1 ppb. Na água tratada pelo processo de ultrafiltração também não foi detectada a presença de microcistinas, estando o resultado de triplicatas abaixo do limite de detecção do método (0,1 ppb). Por outro lado, no concentrado foi verificada a presença de microcistinas e a concentração obtida foi de 0,24 ppb, constatando-se que a mesma foi retida pela membrana. Contudo, cabe observar que a presença de microcistina no concentrado da unidade de ultrafiltração pode ser devida.as algas que foram retidas. Assim sendo, será necessário um estudo mais detalhado, em uma unidade piloto, sobre a remoção de microcistina e outros ccontaminantes orgânicos através do processo de ultrafiltração.

CONCLUSÕES

Pode ser concluído que água da Represa Guarapiranga apresenta qualidade comprometida, provavelmente, pelo lançamento indevido de esgotos domésticos e águas de drenagem pluvial. Ensaios iniciais, nos quais foi utilizado o processo de ultrafiltração, demonstraram o potencial de produção de água com qualidade requerida em termos de turbidez e de remoção de microcistinas da água bruta. No entanto, o processo de remoção de microcistinas deverá ser mais bem estudado, para verificar se houve retenção da molécula, ou então, das células de cianobactérias..

A vazão de água produzida pelo processo de ultrafiltração foi mantida constante ao longo do ensaio, constituindo um bom indicativo para o desempenho da membrana. A taxa de recuperação de água atingiu um valor médio de quase 90% e taxa de fluxo através da membrana esteve próxima ao valor de 28,2 L/h.m2, para uma pressão de 451 kPa, 20 % abaixo do valor obtido no ensaio com água tratada do sistema de abastecimento, ressaltando-se que a pressão de operação da unidade também foi 20% inferior.

Vale ressaltar que não houve introdução de produtos químicos para o tratamento da água, com isso, não houve produção de lodo, característica do sistema convencional de tratamento, pelos processos de coagulação, floculação e sedimentação.

Este estudo preliminar possibilitou constatar o potencial de utilização do processo de ultrafiltração para tratamento de água para abastecimento a partir de mananciais com a qualidade comprometida, dando subsídios para a continuidade ao projeto de pesquisa, através da instalação e operação de uma unidade piloto junto à Represa Guarapiranga, inclusive para a verificação da eficiência do sistema para a remoção de outros contaminantes orgânicos.

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