fime aguacontenidoalgas brandaocristina

O USO DA FILTRAÇÃO EM MÚLTIPLAS ETAPAS

NO TRATAMENTO DE ÁGUAS COM ELEVADO TEOR DE ALGAS

Cristina Celia S. Brandão1, Giovana K. Wiecheteck, Olga Maria T. de Mello,

Luiz Di Bernardo, Gerardo Galvis C., Luciana R.V. Veras

(1) Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Civil

Campus Universitário Darcy Ribeiro, 70910-900, Brasília – DF

Fone: (061) 348-2304, Fax: (061) 347-4743

Email: cbrandã[email protected].

Palavras Chave: FiME, Remoção de Algas, Pré-filtros de Pedregulho, Filtração Lenta

O USO DA FILTRAÇÃO EM MÚLTIPLAS ETAPAS

NO TRATAMENTO DE ÁGUAS COM ELEVADO TEOR DE ALGAS

Cristina Celia S. Brandão1, Giovana K. Wiecheteck, Olga Maria T. de Mello,

Luiz Di Bernardo, Gerardo Galvis C., Luciana R.V. Veras

1 - INTRODUÇÃO E OBJETIVOS

A filtração lenta é um processo de tratamento de água que vem sendo utilizado desde o

início do século XIX. Esse processo distingue-se da chamada filtração rápida pelo uso de meios

filtrantes com granulometrias mais finas, taxas de filtração geralmente inferiores a 6 m3/m2.dia

(0,25 m3/m2.h), e a não utilização de coagulante químico no condicionamento da água afluente aos

filtros.

Comparando-se com a filtração rápida, a filtração lenta oferece as seguintes vantagens: (i)

é de simples construção e operação (dispensa o uso de coagulante e da retro-lavagem); (ii) não

requer mão de obra especializada; (iii) tem baixo consumo de energia; (iv) é um sistema confiável

e produz água de boa qualidade, sendo particularmente eficiente na remoção de bactérias e vírus.

A principal desvantagem da filtração lenta está associada à necessidade de grandes áreas para

sua instalação, o que praticamente inviabiliza a sua adoção quando se trata de grandes centros

urbanos que demandam grandes vazões. Desta forma, a filtração lenta é considerada como sendo

um sistema simples, confiável e de baixo custo, sendo recomendado para o atendimento de

comunidades rurais e de cidades de pequeno e médio porte em países em desenvolvimento (EPA,

1992, Kawamura, 1991, Clarke et al., 1996).

Apesar do seu grande número de vantagens, a filtração lenta tem sua utilização limitada a

águas brutas que apresentam valores de cor verdadeira, algas e turbidez relativamente baixos. A

tabela abaixo apresenta os valores limites propostos por vários autores.

Tabela 1: Características da água bruta para o uso da filtração lenta (Galvis et al., 1997)

Valor Máximo recomendado segundo os Autores

Parâmetro de Qualidade Spencer e Collins Cleasby Di Bernardo

Turbidez (uT) 10 5 10

Algas 2x105 Ind/L 5 µg clorofila a/L 2,5x105 Ind/L

Cor Verdadeira (uC) 25 5

Ferro Total (mg/L) 1 0,3 2

Manganês (mg/L) 0,05 0,2

Coliformes Fecais (NMP/100 mL) 200

Como uma resposta a esta limitação da filtração lenta surge a tecnologia da Filtração em

Múltiplas Etapas (FiME). Esta seqüência de tratamento envolve a utilização de pré-filtro dinâmico

de pedregulho seguido de pré-filtro de pedregulho de escoamento horizontal ou vertical

(ascendente ou descendente) e a filtração lenta como barreira microbiológica. O conceito da

filtração em múltiplas etapas se origina, portanto, da busca de opções de acondicionamento ou

pré-tratamento para fontes superficiais de água cuja qualidade não é compatível com o uso da

filtração lenta, e que apresentem, ao mesmo tempo, eficiência de remoção, níveis de

complexidade técnica e custos de manutenção compatíveis com a própria filtração lenta (Visscher

et al., 1996).

A FiME vem sendo estudada em diversos países, com destaque, na América Latina, para

a Colômbia e Brasil. Essas unidades de pré-tratamento, usados de forma individual ou combinada,

têm se mostrado capazes de estender a aplicação da filtração lenta a águas com valores de

turbidez de cerca de 100 NTU e de coliformes fecais da ordem de106 UFC/100 ml, além de serem

capazes de absorver picos de até 500 NTU (Cleasby, 1991, Di Bernardo, 1993, Clarke et al. 1996,

Galvis et al., 1996, Vargas et al., 1996, entre outros). Entretanto, poucos são os estudos

reportados na literatura que avaliam o uso das unidades de pré-filtração no tratamento de águas

de reservatórios e lagos sujeitos a florescimento de algas (e.g.: Di Bernardo e Rocha, 1990,

Saidam e Butler, 1996).

Neste contexto, o presente trabalho foi orientado para investigar o potencial de uso da

FiME no tratamento de águas com presença significativa algas. A presença de algas na água

bruta e/ou tratada pode levar a uma série de problemas, tais como: rápida obstrução das camadas

superiores dos filtros lentos, levando ao aumento da frequência de limpeza e a redução da

capacidade de produção de água tratada (Di Bernardo, 1993); sabor e odor (Hayes e

Greene,1984); formação de Thrialometanos (Morris e Baum,1978); corrosão no sistema de

abastecimento (Hayes e Greene, 1984); liberação de toxinas, com efeitos que podem variar de

desordens intestinais e hepáticas a danos orgânicos, disfunção neuro-muscular, cancer e morte

(como no recente caso de pacientes de hemodiálise em Caruaru-PE, Azevedo, 1996).

2 - MATERIAIS E MÉTODOS

O trabalho foi desenvolvido utilizando-se a instalação piloto de FiME localizada às margens

do Lago Paranoá (Brasília-DF, Brasil), de onde foi captada a água objeto de estudo. Esse lago é

corpo receptor dos esgotos tratados por duas ETEs e apresenta níveis elevados de algas

cianofíceas durante todo o ano.

A instalação-piloto é composta de um pré-filtro dinâmico (PFD) que alimenta dois pré-filtros

de fluxo ascendente, sendo um dotado de quatro camadas sobrepostas (PFA1) e o outro de cinco

camadas sobrepostas (PFA2). Cada pré-filtro alimenta, respectivamente, um filtro lento (FL1 e

FL2). A figura 1 mostra um diagrama esquemático da instalação , enquanto o Anexo I apresenta o

esquema de cada unidade componente do sistema e as características granulométricas dos meios

filtrantes.

Extravasor

Caixa de dist.

Quadro Piezométrico

Quadro Piezométrico

ÁGUA BRUTA

(LAGO PARANOÁ)

PONTOS DE AMOSTRAGEMDESCARTE

“By pass”

Nível 1 (cota 99,45)



FL-2FL-1

PFA-2 PFA-1

PFD

Caixa dedistribuição

Caixa dedistribuição

Figura 1 – Diagrama esquemático da instalação piloto de FiME

As taxas de filtração utilizadas em cada carreira de filtração são apresentadas na tabela 2.

A instalação-piloto foi operada continuamente, e três carreiras de filtração foram realizadas.

As taxas de filtração adotadas são apresentadas na Tabela 2.

Tabela 2 - Taxas de filtração usadas em cada unidade

Unidade Taxa de Filtração (m3/m2.dia)

1a Carreira 2a Carreira 3a Carreira

Pré-filtro dinâmico 36 36 36

Pré-filtros ascendentes 1 e 2 18 12 18

Filtros lentos 1 e 2 6 3 3

Durante cada carreira de filtração amostras eram coletadas no afluente e no efluente de

cada unidade. Diversos parâmetros de qualidade de água foram analisados destacando-se: pH;

Turbidez; Temperatura; Algas (Clorofila-a, e biomassa algal); Coliformes Totais e Fecais. As

freqüências de amostragem para cada parâmetro variaram de diária a semanal.

Além dos parâmetros de qualidade da água, a perda de carga nos pré-filtros ascendentes e

nos filtros lentos era monitorada diariamente.

3 – RESULTADOS E CONCLUSÕES

Durante o período de realização dos experimentos, de agosto de 1997 a março de 1998, a

água bruta proveniente do Lago Paranoá apresentou-se com um valor médio de turbidez de 8,6 ±

2,5 uT e 33,7 ± 13,8 µg de clorofila-a por litro. O valor de turbidez pode ser considerado baixo

enquanto o teor de clorofila-a é característico de águas de lagos eutróficos. De acordo com Palmer

(1959 apud. Di Bernardo 1993) um corpo de água pode ser considerado eutrófico quando

apresenta valores de clorofila-a superiores a 10 µg/l.

A dive rsidade de espécies de algas no Lago Paranoá é considerada baixa e predomina,

de forma significativa, uma cianofícea filamentosa classificada como Cylindrospermopsi raciborskii,

que constitui 99% da biomassa algal (Altafin et al., 1995). A predominância dessa espécie vem

sendo continuamente confirmada no programa de monitoramento limnológico realizado pela

CAESB no Lago Paranoá (Cavalcanti, 1996).

A avaliação da performance de cada unidade do sistema de tratamento, bem como o

sistema como um todo, foi feita com base na qualidade da água produzida e no desenvolvimento

da perda de carga. Como já mencionado, vários parâmetros de qualidade foram analisados,

entretanto este trabalho se deterá mais na análise dos resultados obtidos com relação à turbidez e

concentração de algas (expressa como clorofila-a). As Tabelas 3, 4 e 5 apresentam um resumo

dos dados obtidos nas três carreiras de filtração realizadas.

Tabela 3 - Resumo do comportamento das unidades componentes do sistema

durante a 1a carreira de filtração.

1a CARREIRA

Turbidez Clorofila-aUnidades

do sistema

Taxa de

filtração

(m3/m2.d)

Período

de fun.

(dias)

Perda de

carga

(cm)

(uT) %rem (µg/l) %rem

AB - - - 8,16 - 39,59 -

PFD 36 20 - 5,42 32,5 29,78 25,4

PFA-1 18 20 0,5 3,75 30,6 23,09 21,2

PFA-2 18 20 2,6 2,93 44,9 16,50 44,2

FL-1 6 7 e 7 105 e 30,7 1,01 72,8 1,66 93,5

FL-2 6 7 e 7 85 e 62,4 1,12 60,2 1,44 91,3



2a CARREIRA


do sistema

Taxa de

filtração

(m3/m2.d)

Período de

fun.

(dias)

Perda de

carga (cm) (uT) %rem (µg/l) %rem

AB - - - 8,70 - 31,20 -

PFD 36 57 - 4,17 48,9 18,52 41,4

PFA-1 12 57 12 2,13 50,6 11,19 41,2

PFA-2 12 57 37 1,55 64,5 6,75 64,4

FL-1 3 19 100 0,63 71,1 2,06 81,0

FL-2 3 36 100 0,48 56,7 0,73 81,7



3a CARREIRA


do sistema

Taxa de

filtração

(m3/m2.d)

Período de

fun.

(dias)

Perda de

carga (cm) (uT) %rem (µg/l) %rem

AB - - - 8,67 - 34,24 -

PFD 36 55 - 3,31 60,8 15,73 52,2

PFA-1 18 55 0,3 2,08 39,3 13,57 15,5

PFA-2 18 55 1,4 1,74 50,0 11,34 31,3

FL-1 3 34 8,4 0,50 65,4 0,80 97,2

FL-2 3 34 8,7 0,42 62,6 0,74 97,9

As Figuras 2, 3, 4 e 5 mostram a variação da turbidez e da clorofila-a nas diversas etapas

do tratamento durante a segunda e a terceira carreiras de filtração. A figura 6 apresenta a curva de

correlação obtida para os parâmetros clorofila-a e quantificação de fitoplâncton (biomassa algal).

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Tempo (dias)

Tu

rbid

ez (

NT

U)

AB PFD PFA-1 PFA-2 FL-1 FL-2

Figura 2: Variação da turbidez nas diversas etapas da FiME ao longo da 2a carreira de filtração

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60Tempo (dias)

Clo

rofi

la-a

(u

g/L

)


Figura 3: Variação dos teores de algas (clorofila-a) nas diversas etapas da FiME

ao longo da 2a carreira de filtração

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Tempo (dias)

Tu

rbid

ez (

UT

N)

AB PFD PFA1 PFA2 FL1 FL2

Figura 4: Variação da turbidez nas diversas etapas da FiME ao longo da 3a carreira de filtração

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Tempo (dias)

Clo

rofi

la-a

(u

g/l)


Figura 5: Variação dos teores de algas (clorofila-a) nas diversas etapas da FiME

ao longo da 3a carreira de filtração

y = 0,6835x - 0,9889

R2 = 0,9316

-10

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 50 60

Clorofila-a (ug/l)

Fit

op

lan

cto

n (

mg

/l)

Figura 6 – Curva de correlação entre valores de clorofila-a e quantificação de fitoplâncton

nas amostras coletas no sistema tratamento

Dos resultados obtidos pôde-se verificar que a tecnologia de filtração em múltiplas etapas

(FiME), constituído por pré-filtro dinâmico, pré-filtro com escoamento ascendente em camadas e

filtro lento, apresenta grande potencial de aplicação também no tratamento de águas com

elevadas concentrações de algas e com eficiências de remoção similares às reportadas para

águas com turbidez de até 100 NTU (Galvis et al., 1997, Visscher et al., 1996, Cleasby, 1991)

A unidade de pré-filtração dinâmica apresentou uma maior capacidade de absorver as

variações de turbidez da água bruta do que as variações nos teores de clorofila-a. Verificou-se

uma tendência de maior eficiência de remoção, tanto de turbidez quanto de clorofila-a, quando a

água bruta apresentou maiores valores dessas características.

Muito embora se tenha trabalhado com água bruta com valores de turbidez relativamente

baixos e sem apresentar "picos", o desempenho do pré-filtro dinâmico mostrou-se, em média,

comparável com desempenho atribuído a essa unidade na literatura (Galvis et al., 1997).

O pré-filtro ascendente com 5 camadas, com camada de topo com granulometria mais

fina, apresentou-se mais eficiente que o pré-filtro ascendente com 4 camadas, tanto na remoção

de turbidez quanto na remoção de clorofila-a, sendo que, esse melhor desempenho foi mais

evidente quando tratou-se da remoção de clorofila-a (ver Figura 7). Destaca-se assim a

importância da seleção cuidadosa deste parâmetro de projeto em função das características da

água a ser tratada, ou seja, da caracterização detalhada das impurezas presentes (turbidez,

sólidos em suspensão e sua distribuição de tamanho, algas e suas espécies, etc).

O aumento da taxa de filtração de 12m3/m2.dia para 18 m3/m2.dia influenciou,

negativamente, na eficiência de remoção dos pré-filtros com escoamento ascendente, como pode

ser visto com mais clareza na Figura 7. O impacto da variação foi mais evidente na remoção de

algas (clorofila-a) do que na remoção de turbidez, sendo que o PFA-2 (5 camadas, granulometria

de topo mais fina) sofreu maior influência que o PFA-1 (4 camadas). Porém o fato de que durante

a terceira carreira o PFD obteve melhor desempenho, produzindo efluente de melhor qualidade,

também pode ter contribuído para esse comportamento pois, de uma forma geral, a literatura

mostra que o desempenho dos pré filtros-ascendentes cai com a melhora da qualidade da água

afluente a essas unidades. Torna-se necessária, a partir dessa constatação, a análise do

comportamento das unidades de pré-filtração ascendente operando com taxas diferenciadas,

porém com afluentes de mesma qualidade, para ser possível uma conclusão mais definitiva com

relação aos fatores que influenciaram no comportamento diferenciado dessas unidades.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% d

e re

mo

ção

PFD PFA1 PFA2

Turbidez (2a) Turbidez (3a) Clorofila-a (2a) Clorofila-a (3a)

Figura 7 – Eficiência média de remoção de turbidez e clorofila-a no pré-tratamento

As unidades de pré-filtração apresentaram, em todas as carreiras, desempenho crescente

nos primeiros dias de funcionamento, indicando a existência de um “período de amadurecimento”

com impacto na remoção de impurezas, particularmente, de algas.

Esse fato pode ter implicações no procedimento operacional das estações de FiME

quando aplicados ao tratamento de água com elevadas concentrações de algas, uma vez que,

para garantir carreiras de filtração mais longas nos filtros lentos, essas unidades talvez devam ser

colocadas em operação somente após vencido o período de amadurecimento do sistema de pré-

tratamento. Tal procedimento é diferenciado do que é sugerido pelos estudos da aplicação dessa

tecnologia no tratamento de água com teores do sólidos elevados, onde recomenda-se que, no

início de operação, o afluente à instalação seja encaminhado diretamente ao filtro lento com o

objetivo de se minimizar o “período de amadurecimento” do filtro lento e evitar a penetração

excessiva das partículas menores na camada de areia. (Di Bernardo, 1993).

A qualidade da água tratada produzida nos pré-filtros, avaliada através dos parâmetros

turbidez e clorofila-a, não influenciou, de forma significativa, a qualidade da água efluente dos

filtros lentos, porém, teve reflexos consideráveis na duração da carreira de filtração.

Os filtros lentos apresentaram um comportamento típico com relação à existência de um

período inicial caracterizado pela formação da superfície de coesão ou “Schmutzdecke” que

contribui significativamente para a retenção das impurezas.

A alta correlação encontrada entre as quantificações de fitoplâncton e as medidas de

clorofila-a, mostrou a viabilidade de se considerar o teor de clorofila-a como uma boa medida

indireta da concentração de algas, porém deve-se ressaltar, mais uma vez, que a diversidade de

espécies de algas no Lago Paranoá é considerada baixa e predomina, de forma significativa, uma

cianofícea filamentosa classificada como Cylindrospermopsi raciborskii o que contribuiu para essa

alta correlação.

O potencial da FiME no tratamento de águas com teores de turbidez de até 100 UTN já vem

sendo demonstrado por diversos autores (Cleasby, 1991, Di Bernardo, 1993, Clarke et al. 1996,

Galvis et al., 1996, Vargas et al., 1996). Com os resultados do presente trabalho observa-se que,

sob condições otimizadas, esta tecnologia pode ser usada também no tratamento de águas

sujeitas a floração de algas. Este potencial, juntamente com a simplicidade operacional e de

manutenção que a FiME oferece, faz desta tecnologia uma opção de tratamento viável e segura

em países da da América Latina e pode se constituir na solução dos problemas de abastecimento

em diversas localidades brasileiras.

AGRADECIMENTO

Os autores agradecem o apoio da FINEP, CNPq, CAPES e RHAE/MCT através do financiamento

do PROSAB - Programa de Pesquisa em Saneamento Básico que vem permitindo o

desenvolvimento deste trabalho.

REFERÊNCIAS

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Sociedade Brasileira de Toxicologia, 83-86.

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filtration utilising gravel prefilters and fabric enhanced slow sand filters, Third International Slow

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CLEASBY, J.L. (1991) Source water quality and pretreatment options for slow sand filters. In:

LOGSDON, G.S. (ed.), Slow Sand Filtration, ASCE, New York, 227p.

DI BERNARDO, L. (1993) Métodos e Técnicas de Tratamento de Água, ABES, Rio de Janeiro, V.

I e II.

DI BERNARDO, L. e ROCHA, O. (1990) Remoção de algas em pré-filtro de fluxo ascendente com

meio granular de pedregulho e areia grossa, IV Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitária

e Ambiental, Belo Horizonte, Brasil.

EPA (1992) Small Community Water and Wastewater Treatment , Summary Report, EPA, EUA,

92p.

GALVIS, G., LATORRE, J. , OCHOA, A.E. e VISSHER, J.T. (1996) Comparison of horizontal and

upflow roughing filtration, Third International Slow Sand/Alternative Biofiltration Conference,

Inglaterra, pp. 342-348.

GALVIS, G., LATORRE, J. e VISSHER, J.T. (1997) Filtración en múltiples etapas - tecnología

innovativa para el tratamiento de agua, Anais do Seminário Internacional sobre Filtração em

Múltiplas Etapas para Tratamento de Águas de abastecimento, São Carlos, 8 a 10 de dezembro

de 1997.

HAYES, C. R. E GREENE, L. A.(1984). The evaluation of eutrophication impact in public water

supply reservoirs in East Anglia, Wat. Pollut. Control.

KAWAMURA, S. (1991) Integrated Design of Water Treatment Facilities, John Wyley, EUA, 658p.

MORRIS, J. C. E BAUM, B. (1978). Precursors and mechanismos of haloform formation in the

chlorination of water supplies. In: Jolley et al. (eds) Water Chlorination: Environmental Impact and

Health Effects, Vol. 2, Ann Arbor, EUA.

SAIDAM, M.Y. e BUTLER D. (1996) Algae removal by horizontal flowrock filters, Third International

Slow Sand / Alternative Biofiltration Conference, Inglaterra, pp. 327-339.

VARGAS, F. V. , GALVIS, C. A., MERCEDES, H. G. M. e LATORRE M. (1996). Univalle, CINARA.

Filtracion en múltiples etapas: selección de tecnología considerando riesgo sanitario, eficiencia y

costos. In Conferencia Internacional mejoramento de la Calidad del Agua- Santiago de Cali,

Colombia.

VISSCHER, J. T., GALVIS, G. e LATORRE, J. (1996). Filtracion en multiples etapas-FiME:bondades e limitaciones. In: Conferencia Internacional Mejoramiento de la Calidad del Agua,Santiago de Cali, Colombia.

ANEXO IDETALHES DA UNIDADES COMPONENTES DA INSTALAÇÃO PILOTO

COMPOSIÇÃO DO MEIO FILTRANTE

Subcamada Espessura (m) Faixa Granulométrica (mm)

superior 0,20 6,4 - 12,7

intermediária 0,20 12,7 - 19,0

inferior 0,40 19,0 - 25,4

COMPOSIÇÃO DO MEIO FILTRANTE


PFA1 PFA2 PFA1 PFA2

Superior 0,30 1,4 - 3,2

Intermed. superior 0,40 0,30 3,2 - 6,4 3,2 - 6,4

Intermediária 0,40 0,30 7,9 - 12,7 9,6 - 15,9

Intermed. inferior 0,40 0,30 15,9 - 25,4 19,0 - 25,4

Inferior 0,30 0,30 31,4 - 50,0 31,4 - 50,0

COMPOSIÇÃO DA CAMADA SUPORTE


superior 0,075 1,41 - 3,2

intermediária 1 0,075 3,2 - 6,4

intermediária 2 0,075 7,9 - 12,7

intermediária 3 0,075 15,9 - 25,4

inferior 0,075 31,4 - 50,0

AREIA DO MEIO FILTRANTE: 0,08 - 1,00 mm

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