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OBSERVAÇÕES GERAIS SOBRE TRATAMENTO DE ÁGUA PARA CONSUMO HUMANO (Sistemas Hidráulicos de Saneamento) Parte 1 ROGÉRIO PINHEIRO MAGALHÃES CARVALHO 2 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho ÍNDICE 1. ASPECTOS INICIAIS SOBRE O ESTUDO DA ÁGUA------------------------------------ 5 1.1. A ÁGUA NA NATUREZA ----------------------------------------------------------------------------- 5 1.2. O CICLO HIDROLÓGICO ---------------------------------------------------------------------------- 8 1.2.1. Chuvas --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12 1.2.2. Águas superficiais ------------------------------------------------------------------------------------------- 13 1.2.3. Mananciais Subterrâneos --------------------------------------------------------------------------------- 14 1.3. A IMPORTÂNCIA DOS PRINCIPIOS DE TRATAMENTO --------------------------------- 16 1.4. O DESENVOLVIMENTO DOS SERVIÇOS DE ÁGUA E DE ESGOTO ----------------- 18 1.5. O PAPEL DOS ENGENHEIROS E DOS CIENTISTAS ------------------------------------- 19 1.6. GUIA DE ESTUDO ----------------------------------------------------------------------------------- 22 2. IMPORTÂNCIA SANITÁRIA E ECONÔMICA DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA -------------------------------------------------------------------- 26 2.1. RELAÇÃO ENTRE A QUALIDADE DA ÁGUA E A SAÚDE PÚBLICA ---------------- 28 2.1.1. Amebíase ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 30 2.1.1.1. Como se contrai amebíase ------------------------------------------------------------------------- 31 2.1.1.2. O que causa a amebíase ---------------------------------------------------------------------------- 31 2.1.1.3. Como evitar a amebíase----------------------------------------------------------------------------- 32 2.1.2. Giardíase e Criptosporidíase ----------------------------------------------------------------------------- 32 2.1.2.1. Como se contrai a giardíase e criptosporidíase ----------------------------------------------- 32 2.1.2.2. O que causa a giardíase e a criptosporidíase -------------------------------------------------- 33 2.1.2.3. Como evitar a giardíase e a criptosporidíase --------------------------------------------------- 33 2.1.3. Gastroenterite ------------------------------------------------------------------------------------------------ 33 2.1.3.1. Onde acontece a gostroenterite ------------------------------------------------------------------- 33 2.1.3.2. O que causa a gostroenterite ----------------------------------------------------------------------- 33 2.1.3.3. Como evitar a gostroenterite ----------------------------------------------------------------------- 33 2.1.4. Febres Tifóide e Paratifóide ------------------------------------------------------------------------------ 33 2.1.4.1. Como se contraem as febres tifóide e paratifóide --------------------------------------------- 34 2.1.4.2. O que causa as febres tifóide e paratifóide ----------------------------------------------------- 34 2.1.4.3. Como evitar as febres tifóide e paratifóide ------------------------------------------------------ 34 2.1.5. Hepatite Infecciosa ------------------------------------------------------------------------------------------ 35 2.1.5.1. Como se contrai a hepatite infecciosa ----------------------------------------------------------- 35 2.1.5.2. O que causa a hepatite infecciosa ---------------------------------------------------------------- 35 2.1.5.3. Como evitar a hepatite infecciosa ----------------------------------------------------------------- 35 2.1.6. Cólera ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 2.1.6.1. como se contrai a cólera----------------------------------------------------------------------------- 36 2.1.6.2. O que causa a cólera --------------------------------------------------------------------------------- 36 2.1.6.3. Como tratar a cólera ---------------------------------------------------------------------------------- 37 2.1.6.4. Como evitar a cólera --------------------------------------------------------------------------------- 37 2.1.7. Verminoses --------------------------------------------------------------------------------------------------- 37 2.1.8. Esquistossomose (Xistosa) ------------------------------------------------------------------------------- 37 2.1.8.1. Como se contrai a esquistossomose ------------------------------------------------------------- 38 2.1.8.2. Como evitar a esquistossomose ------------------------------------------------------------------- 38 2.1.9. Ascaridíase (Lombrigas) ----------------------------------------------------------------------------------- 39 2.1.9.1. Como se contrai a ascaridíase --------------------------------------------------------------------- 39 2.1.9.2. O que causa a ascaridíase -------------------------------------------------------------------------- 40 2.1.9.3. Como tratar a ascaridíase --------------------------------------------------------------------------- 40 2.1.9.4. Como evitar a ascaridíase -------------------------------------------------------------------------- 41 2.1.10. Teníase (Solitária) ----------------------------------------------------------------------------------------- 41 2.1.10.1. Como se contrai a teníase ------------------------------------------------------------------------- 41 2.1.10.2. O que causa a teníase ----------------------------------------------------------------------------- 42 2.1.10.3. Como evitar a teníase ------------------------------------------------------------------------------ 42 3 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho 2.1.11. Oxiuríase ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 42 2.1.11.1. Como se Contrai a Oxiuríase --------------------------------------------------------------------- 42 2.1.11.2. O que causa a oxiuríase --------------------------------------------------------------------------- 43 2.1.11.3. Tratamento contra a oxiuríase -------------------------------------------------------------------- 43 2.1.12. Ancilostomíase (Amarelão) ------------------------------------------------------------------------------ 44 2.1.12.1. Como se contrai a ancilostomíase -------------------------------------------------------------- 44 2.1.12.2. O que causa a ancilostomíase ------------------------------------------------------------------- 44 2.1.12.3. Como tratar a ancilostomíase -------------------------------------------------------------------- 45 2.1.12.4. Como evitar a ancilostomíase -------------------------------------------------------------------- 45 2.2. GUIA DE ESTUDO ----------------------------------------------------------------------------------- 46 3. CRITÉRIOS DE QUALIDADE DA ÁGUA --------------------------------------------------- 53 3.1. LENÇOIS FREÁTICOS ----------------------------------------------------------------------------- 53 3.2. ÁGUAS SUPERFICIAIS ---------------------------------------------------------------------------- 56 3.3. LAGOS E RESERVATÓRIOS --------------------------------------------------------------------- 57 3.4. ÁGUA DO MAR --------------------------------------------------------------------------------------- 59 3.5. ÁGUAS RESIDUÁRIAS ----------------------------------------------------------------------------- 59 3.6. CARACTERÍSTICAS DA ÁGUA ------------------------------------------------------------------ 60 3.6.1. Características Físicas da Água -------------------------------------------------------------------------62 3.6.1.1. Temperatura. ------------------------------------------------------------------------------------------- 62 3.6.1.2. Cor -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 62 3.6.1.3. Turbidez ------------------------------------------------------------------------------------------------- 62 3.6.1.4. Sabor e odor -------------------------------------------------------------------------------------------- 63 3.6.2. Características Químicas ---------------------------------------------------------------------------------- 63 3.6.2.1. pH --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 63 3.6.2.2. Dureza --------------------------------------------------------------------------------------------------- 64 3.6.2.3. Salinidade ----------------------------------------------------------------------------------------------- 64 3.6.2.4. Agressividade ------------------------------------------------------------------------------------------ 64 3.6.2.5. Ferro e Manganês ------------------------------------------------------------------------------------- 64 3.6.2.6. Alcalinidade --------------------------------------------------------------------------------------------- 65 3.6.2.7. Compostos de Nitrogênio --------------------------------------------------------------------------- 65 3.6.2.8. Fosforo --------------------------------------------------------------------------------------------------- 66 3.6.2.9. Cloretos -------------------------------------------------------------------------------------------------- 67 3.6.2.10. Fluoretos ----------------------------------------------------------------------------------------------- 67 3.6.2.11. Compostos tóxicos ---------------------------------------------------------------------------------- 67 3.6.2.12. Oxigênio dissolvido ---------------------------------------------------------------------------------- 67 3.6.2.13. Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) ----------------------------------------------------- 68 3.6.2.14. Detergentes ------------------------------------------------------------------------------------------- 68 3.6.2.15. Vertígios Orgânicos --------------------------------------------------------------------------------- 69 3.6.3. Características Biológicas --------------------------------------------------------------------------------- 69 3.6.3.1. Tipos de micro-organismos ------------------------------------------------------------------------- 69 3.6.3.1.1. Vírus ------------------------------------------------------------------------------------------------ 70 3.6.3.1.2. Bactérias ------------------------------------------------------------------------------------------ 70 3.6.3.1.3. Fungos --------------------------------------------------------------------------------------------- 71 3.6.3.1.4. Actinomicetos ------------------------------------------------------------------------------------ 72 3.6.3.1.5. Algas. ----------------------------------------------------------------------------------------------- 73 3.6.3.1.6. Protozoários -------------------------------------------------------------------------------------- 74 3.6.3.1.7. Outros tipos de organismos------------------------------------------------------------------- 75 3.6.3.2. Os micro-organismos patogênicos ---------------------------------------------------------------- 76 3.7. CIANOBACTÉRIAS E CIANOTOXINAS ------------------------------------------------------- 77 Figura 3.8 – Vista panorâmica de uma lagoa com floração de cianobactérias---------------- 78 Figura 3.9 – Gêneros de cianobactérias potencialmente nocivas -------------------------------- 80 3.7.1. Remoção de Cianotoxinas pelo Processo de Oxidação ------------------------------------------- 82 3.7.2. Subprodutos da Oxidação com Cloro ------------------------------------------------------------------ 83 4 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho 3.8. NORMA DE POTABILIDADE DA ÁGUA ------------------------------------------------------- 88 3.8.1. Condição Bacteriológica ----------------------------------------------------------------------------------- 92 3.8.2. Condição das Substâncias Químicas ------------------------------------------------------------------ 92 3.8.3. Condição das Cianotoxinas ------------------------------------------------------------------------------- 95 3.8.4. Condição das Substâncias Radioativas --------------------------------------------------------------- 95 3.8.5. Padrão de Aceitação Organoléptico -------------------------------------------------------------------- 95 3.9. PADRÕES DE QUALIDADE DA ÁGUA -------------------------------------------------------- 96 3.9.1. Classificação das Águas ----------------------------------------------------------------------------------- 97 3.10. TENDÊNCIAS E DESAFIOS NO TRATAMENTO DE ÁGUA ---------------------------- 99 3.11. GUIA DE ESTUDO ------------------------------------------------------------------------------- 102 4. COLETA DE AMOSTRAS DE ÁGUA ------------------------------------------------------- 122 4.1. PLANEJAMENTO ---------------------------------------------------------------------------------- 122 4.2. CUIDADO NA OBTENÇÃO DE AMOSTRAS ----------------------------------------------- 123 4.3. COLETA DE AMOSTRA DE ÁGUA EM POÇO RASO ----------------------------------- 123 4.4. COLETA DE AMOSTRA EM MANANCIAIS SUPERFICIAIS --------------------------- 124 4.5. AMOSTRAS PARA ANÁLISE FÍSICO-QUÍMICA ------------------------------------------ 124 4.6. AMOSTRAS PARA EXAMES BACTERIOLÓGICOS ------------------------------------- 126 4.6.1. Cuidados na Amostragem para Análise Bacteriológica ------------------------------------------ 126 4.7. FICHA DE COLETA-------------------------------------------------------------------------------- 127 4.8. GUIA DE ESTUDO --------------------------------------------------------------------------------- 127 5 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho 1. ASPECTOS INICIAIS SOBRE O ESTUDO DA ÁGUA A água é o recurso natural mais importante do mundo, pois sem ela a vida não pode existir e a maioria das indústrias não pode funcionar. Embora uma pessoa possa sobreviver vários dias sem comida, a ausência de água em apenas alguns dias pode ser fatal. A existência de uma fonte segura e confiável de água é uma condição prévia essencial para o estabelecimento de uma população em um determinado local. Na ausência de tal fonte, um estilo de vida nômade torna-se necessário e a populações são obrigadas a passar de uma área para outra, particularmente quando a demanda por água excede a sua disponibilidade. Portanto não é surpreendente que as fontes de água são muitas vezes vigiadas e, ao longo dos anos, muitos conflitos ocorreram sobre o direito de acesso à água. A história mostra muitas ocasiões em que o desenvolvimento agrícola causou interferência com o abastecimento de água de cidades, ocorrendo conflito entre agricultores e comunidades em numerosas partes do mundo. Outros conflitos em relação ao abastecimento de água podem ocorrer devido aos efeitos de dejetos humanos e industriais lançados no meio ambiente. Logo, isso significa que a importância da água como recurso natural exige uma gestão cuidadosa, pois, embora a natureza tenha grande capacidade de recuperação dos danos ambientais, as crescentes demandas sobre os recursos hídricos exigem profissionalismo e conhecimento sobre o ciclo da água, para fins de garantir a manutenção da sua qualidade e quantidade. 1.1. A ÁGUA NA NATUREZA A água é a única substância que tem a propriedade de passar pelos estadossólido, líquido e gasoso nas condições de temperatura e pressão dominantes na superfície da Terra. À pressão normal, solidifica-se a zero grau centígrado (0ºC) para constituir o gelo e entra em ebulição a 100 graus (100ºC), para formar vapor d’água. A densidade da água varia com a temperatura, sendo máxima a 4ºC, quando atinge o valor unitário estabelecido para efeito de comparação com as densidades de outras substâncias. À medida que a temperatura diminui, abaixo de 4ºC, a densidade também diminui, até atingir 0,99987 a zero grau (0ºC). Por outro lado, quanto maior for a temperatura da água, acima de 4ºC, menor é a sua densidade, atingindo o valor mínimo de 0,958 a 100ºC. A formação de vapor d’água processa-se a qualquer temperatura, em quantidade inversamente proporcional à pressão e à umidade relativa do ar e diretamente proporcional à área de contato com a atmosfera e à velocidade do vento. A água tem a propriedade de dissolver com facilidade uma grande quantidade de substâncias, o que lhe valeu o título de solvente universal. Essa capacidade é 6 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho tanto mais acentuada quanto mais elevadas forem a sua temperatura e pressão, razão pela qual as águas termais são altamente mineralizadas. A água era obtida como substância simples até o fim do século XVIII, quando foi obtida em laboratório pela combustão do hidrogênio. Atualmente, a literatura técnica costuma defini-la como substância composta, resultante da combinação de dois átomos de hidrogênio com um átomo de oxigênio (H2O). Na realidade, sabe-se que a água é uma substância complexa. Nela existem átomos de hidrogênio e oxigênio, combinados de vários modos para constituir moléculas, algumas das quais se apresentam associadas A água geralmente contém impurezas, mesmo quando sofre, em laboratório, três destilações sucessivas, devido à sua grande capacidade de dissolução. Na natureza, o momento em a água está mais isenta de substâncias dissolvidas é quanto ela se encontra em estado gasoso. Mesmo nas altas camadas atmosféricas, onde existe em pequenas partículas, ela contém, dissolvidos, nitrogênio, oxigênio e outros gases, além de partículas de poeira, embora em pequena quantidade. Quando a água precipita sob a forma de chuva, vai captando maior quantidade de gases, poeiras e outras impurezas existentes no ar, tais como pólen e micro-organismos. As impurezas em suspensão, dissolvidas ou em estado coloidal, aumentam quando a água escoa pelo solo. Nos oceanos e mares, a água já se apresenta com teor mais elevado de substâncias dissolvidas, destacando-se o cloreto de sódio, o conhecido sal de cozinha. A água é a substância simples mais abundante no planeta Terra e pode ser encontrada tanto no estado líquido, gasoso ou sólido na atmosfera, sobre ou sob a superfície terrestre, nos oceanos, mares, rios e lagos. Ela é também o constituinte inorgânico mais presente na matéria viva: cerca de 60% do peso do homem é constituído de água e em certos animais aquáticos esta porcentagem alcança 98%. Cientistas estimam que o nosso planeta tenha três quartos de sua massa só de água (1,36 x 1018 m3, ou seja, 1 trilhão e 360 bilhões de quilômetros cúbicos, com 1,5 x 1012 metros cúbicos em estado livre no planeta. Os mares e os oceanos contêm cerca de 97,4 % de toda essa massa, formada pela água salgada. 2 % da água total está estocada sob a forma de neve ou gelo, no topo das grandes cadeias de montanhas ou nas zonas polares. Assim, apenas cerca de 0,6% do total encontra-se disponível como água doce nos aquíferos subterrâneos, os rios e lagos superficiais (0,01%) e na atmosfera na forma de vapor d’água (0,001%). A maior parte das águas subterrâneas encontra-se em condições inadequadas ao consumo ou em profundezas que inviabilizam sua exploração. Diante desta situação, é de importância fundamental para o futuro da humanidade, e sua própria sobrevivência, que se valorize a preservação dos recursos hídricos do planeta em suas condições naturais. 7 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho Os valores de distribuição da água sobre a superfície terrestre podem apresentar pequena variação, mas em geral, os valores estão na mesma proporção. A Figura 1.1 apresenta uma possibilidade de distribuição da água sobre o planeta. Figura 1.1 – Distribuição da água na Terra. O aumento da população mundial, a poluição provocada pelas atividades humanas, o consumo excessivo e o alto grau de desperdício de água contribuem para reduzir ainda mais a disponibilidade para uso humano. A população mundial aumentou três vezes durante o século XX. Nesse mesmo período, o volume de água utilizado aumentou aproximadamente nove vezes, ou seja, o crescimento populacional e o consumo desenfreado tornam-se cada vez mais incompatíveis com a quantidade de água disponível. Garantir e manter um suprimento adequado de água é um dos fatores essenciais no desenvolvimento dos assentamentos humanos. As primeiras comunidades estavam principalmente preocupadas com a quantidade de água disponível. No entanto, o aumento da população exerceu mais pressão sobre fontes superfícieais, resultando em contaminação da água com esgoto, resíduos agrícolas e industriais, o que levou a uma deterioração da qualidade da água em muitas outras fontes (superficiais e subterrâneas). Ao mesmo tempo, as normas de qualidade da água se tornaram mais rigorosas, as capacidades analíticas para detectar contaminantes tornaram-se mais sensíveis e o público tornou-se mais exigente em relação à qualidade da água. Assim, a qualidade de uma fonte de água não pode ser negligenciada no desenvolvimento do suprimento de água. Na Água salgada (97,30%) Gelo (2,15%) Água doce superficial (0,60%) Água subterrânea (98,5%) Rios e lagos (1,5%) 8 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho verdade, a maioria das fontes de água exige alguma forma de tratamento antes do uso potável. O tratamento de água pode ser definido como o processamento de água para alcançar uma qualidade que atenda às metas especificadas ou padrões definidos pelo usuário final, por meio de suas agências reguladoras. Assim, o foco principal deste livro são os princípios do tratamento para a produção de água potável. No entanto, o tratamento de água abrange uma gama muito maior de problemas e usos finais, incluindo unidade de tratamento caseira e instalações para tratamento de água industrial com uma grande variedade de requisitos de qualidade que depende da indústria específica. Os processos de tratamento de água também são aplicáveis à remediação de águas subterrâneas contaminadas e tratamento de águas residuárias, quando estas águas devem ser recicladas para novas utilizações. 1.2. O CICLO HIDROLÓGICO Pode-se dizer que no meio científico há um impasse em considerar se a água é um recurso finito ou infinito. Isso pode ser interpretado de várias fomas, contudo, o que não se pode negar é que em muitas partes do mundo há crescentes pressões de demanda sobre os recursos hídricos. Em tais circunstâncias, a utilização de fontes adicionais superficiais e subterrâneas constitui uma solução de curto prazo, mas não é uma alternativa a longo prazo. A terra e sua atmosfera circundante contêm grandes quantidades de água, sendo que cerca de 7% da massa da Terra é composta por água. No entanto, 97,5% dessa água constituem os mares e oceanos, portanto são salinas, e grande parte da água doce restante é incorporada nas calotas polares e geleiras. Apenas cerca de 0,6% da água da Terra existecomo água doce em lagos, rios, aquíferos rasos e na atmosfera. É essa água que participa no ciclo hidrológico e que fixa limites finitos de disponibilidade. A Figura 1.1 mostra as etapas típicas do ciclo hidrológico. Figura 1.1 – Principais fases do ciclo hidrológico 9 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho Caso esta água ficasse disponível sobre a superfície da terra, da mesma forma como a sua densidade populacional, haveria bastantes recursos para todas as necessidades previsíveis. Na prática, porém, a distribuição espacial da precipitação varia muito, de vários metros por ano em florestas tropicais, a zero, essencialmente em grandes áreas desérticas. Esse desequilíbrio é bem demosntrado pelo fato de que cerca de 20% da água doce da Terra é encontrada na Bacia Amazônica, que tem apenas uma percentagem ínfima da população mundial. Mesmo dentro dos continentes há enormes variações entre chuvas e densidade populacional. Em geral, a precipitação com mais intensidade, aquela que produz um grande escoamento e uma boa recarga subterrânea, é observada em regiões montanhosas com baixas densidades populacionais. Por outro lado, as áreas de várzeas planas, que são ocupadas tanto por cidades como pela agricultura, estão, muitas vezes, à sombra da chuva das montanhas e, portanto, são geralmente de baixa precipitação. No reino Unido, por exemplo, as Terras Altas da Escócia tem uma densidade populacional de cerca de 2 pessoas por km2 e a precipitação pode exceder 3 metros por ano. Contudo no Sudeste da Inglaterra, a densidade populacional é superior a 500 pessoas por km2, mas a precipitação é de apenas cerca de 0,6 metros por ano. Assim, observa-se claramente que em um país considerado húmido, é possivel observar variações na disponibilidade de água em uma base local ou regional. O conceito de água doce disponível é usado por hidrólogos e planejadores de recursos hídricos para caracterizar a situação de uma região e é geralmente aceito que, dentro de uma faixa de 1000-2000 m3 de água doce por pessoa por ano, há pressão sobre os recursos hídricos naturais. Quando a disponibilidade cai abaixo de 1000 m3 por pessoa por ano, a escassez de água torna-se evidente, com restrições cada vez mais severas na produção de alimentos, no desenvolvimento econômico e na proteção do meio ambiente. Consumo direto de água por pessoas é na verdade uma percentagem relativamente pequena do total da demanda de água. Na verdade, o uso da água para a produção de alimentos (agricultura) é de longe o uso global mais importante e este uso é exencial nos países em desenvolvimento. A agricultura consome quase 65% de toda água renovável, a indústria consome cerca de 20% e o abastecimento público de água apenas cerca de 7%. Conhecida a distribuição da água na Terra, é importante também que se saiba como ela se movimenta no planeta. Ao seu permanente movimento de mudanças de estado (sólido, líquido ou gasoso) ou de posição (superficial, subterrânea ou atmosférica) em relação à superfície da Terra, denominou-se de ciclo hidrológico. Por definição, então, ciclo hidrológico é a descrição do comportamento natural da água em volta do globo terrestre. Essencial para o desenvolvimento da vida na Terra, o ciclo hidrológico é composto de três fenômenos principais: evaporação para a atmosfera, condensação em forma de nuvens e precipitação, mais frequentemente em forma de chuva, sobre a superfície terrestre, onde se dispersa sobre as mais variadas maneiras, de acordo com a superfície receptora, escoando sobre a superfície, infiltrando ou evaporando. 10 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho A cada ano, a energia do Sol faz com que um volume de aproximadamente 500.000 km3 de água se evapore, especialmente dos oceanos, embora também de águas de rios. Essa água retorna para os continentes e ilhas, ou para os oceanos, sob a forma de precipitações: chuva ou neve. Os continentes e ilhas têm um saldo positivo nesse processo. Estima-se que eles “retirem” dos oceanos perto de 40.000 km3 por ano. É esse saldo que alimenta as nascentes dos rios, recarrega os depósitos subterrâneos, e depois retorna aos oceanos pelo deságue dos rios. A água é encontrada na atmosfera mais frequentemente sob a forma de vapor ou de partículas líquidas, embora não seja raro sob a forma de neve ou de gelo. Para que ocorra uma precipitação é necessário que o vapor atmosférico sofra condensação em gotículas que, ao atingir determinado peso, não podem continuar em suspensão, caindo em forma de chuva. Se durante essa precipitação essas gotas atravessarem camadas atmosféricas com temperaturas negativas, poderá ocorrer o congelamento e a precipitação pode ocorrer na forma de partículas de gelo, o granizo. Se essa condensação ocorrer sob temperaturas de congelamento, a precipitação se dará em forma de neve. Embora sem importância para estudos de abastecimento de água, em função de sua insignificante contribuição para a formação de escoamentos superficiais, ainda se pode registrar que, quando a condensação for originada do contato do vapor atmosférico, com uma superfície sólida, o solo, por exemplo, e em temperaturas do ar circundante muito baixas, não necessariamente de congelamento, ocorre a formação do orvalho ou das geadas. A ocorrência desses tipos de condensação é de extrema importância em áreas agrícolas, assim como a precipitação em forma de granizo. Resumindo, as precipitações pluviométricas podem ocorrer tanto da forma mais comum conhecida como chuva, como em formas mais moderadas como neblinas, garoas ou geadas, ou mais violentas, como acontecem nos furacões, precipitações de granizo, nevascas etc. Quando a chuva alcança o solo, parte da água se infiltra e parte fica temporariamente sobre a superfície, em função da intensidade da chuva e da capacidade de infiltração do solo. Da parcela superficial parte é retida, passa do estado líquido para o gasoso pelo processo de evaporação natural, e volta à atmosfera. A intensidade desse fenômeno natural depende da temperatura ambiente, da ventilação e da umidade relativa do ar. O restante escoa sobre a superfície livre do terreno, indo abastecer os corpos receptores naturais, como rios lagos e oceanos. Da parcela infiltrada, a que fica retida nos interstícios próximos à superfície volta à atmosfera na forma de vapor e o restante penetra mais profundamente e vai abastecer o lençol freático e outros aquíferos subterrâneos. Em áreas cobertas por densa vegetação, o volume de água que é transferido para a atmosfera, por meio do fenômeno de transpiração, pode ser bastante significativo, em função da dimensão dessa área. Nesse processo a água é retirada do solo pelas raízes, transferida para as folhas e, então, evaporada. Assim, numa área de floresta, por exemplo, a superfície de exposição das folhas é muito grande 11 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho e, em função da temperatura ambiente e da insolação, pode se tornar o fator determinante do teor de umidade atmosférica (numa área equatorial, por exemplo). Evidentemente, o ciclo hidrológico, embora seja um fenômeno contínuo da natureza, não tem comportamento uniforme em cada uma de suas fases, principalmente quanto à evaporação e à precipitação. Essas etapas variam de intensidade aleatória com o tempo, principalmente ao longo das estações climáticas. Na realidade, qualquer observação sistemática de chuvas em determinado local caracterizar-se-á por notáveis variações nas quantidades precipitadas anualmente e não mostrará ocorrências cíclicas dos fenômenos. A maior quantidade de observações ao longo de um tempo mais longo (mais de trinta anos) permitirácondições de se apurar valores médios mais consistentes. A fase atmosférica do fenômeno das precipitações é de interesse dos meteorologistas, porém a partir do momento em que ela atinge o solo, torna-se o elemento fundamental dos estudos ligados à Hidrologia, que é a ciência que estuda a água da terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, e suas reações com o meio-ambiente, incluindo suas relações com a vida, ou seja, é a ciência que estuda a presença da água na natureza. Ainda denomina-se de Hidrologia de superfície o estudo referente ao movimento da água sobre o solo, isto é, do escoamento superficial das águas, que é o que interessa para projetos de drenagem superficial. Pode-se dizer que como ciência é um estudo recente, pois seus fundamentos teóricos só começaram a se formar nos tempos do cientista italiano Leonardo da Vinci (1452-1519), com a concepção do ciclo hidrológico, e só foi aceita como disciplina específica em fins do século XIX, embora os antigos egípcios já ensaiassem o controle das cheias do Rio Nilo, a cerca de 3000 anos antes de Cristo. No entanto, o ritmo acelerado de desmatamentos das últimas décadas, e o crescimento urbano e industrial, que necessita sempre de mais água, vem alterando esse ciclo hidrológico. Estudos da ONU mostraram que o desmatamento e o pastoreio excessivo diminuem a capacidade do solo em atuar como uma grande esponja, absorvendo águas das chuvas e liberando seus conteúdos lentamente. Na ausência de coberturas vegetais, e com solos compactados, a tendência das chuvas é escorrer pela superfície e escoar rapidamente pelos cursos de água, o que traz como consequência as inundações, aceleração no processo de erosão e diminuição da estabilidade dos cursos de água, que ficam com baixa vazão fora do período de cheias, comprometendo assim a agricultura e a pesca. Não faltam sinais de escassez de água doce. Os níveis dos lençóis freáticos baixam constantemente, muitos lagos encolhem e pântanos secam. Na agricultura, na indústria e na vida doméstica, as necessidades de água não param de aumentar, paralelamente ao crescimento demográfico e ao aumento nos padrões de vida, que multiplicam o uso da água. Nos anos 50, por exemplo, a demanda de água por pessoa era de 400 m3 por ano, em média, no planeta, ao passo que hoje essa demanda já é de 800 m3 por indivíduo. Em países cada vez mais populosos, ou com carência em recursos hídricos, já se atingiu o limite de utilização de água. 12 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho Constatou-se que atualmente 26 países, a maioria situada no continente africano, totalizando 235 milhões de pessoas, sofrem de escassez de água. As outras regiões do mundo também não são poupadas. Sintomas de crises já se manifestam em países que dispõem de boas reservas. Nos locais onde o nível de bombeamento (extração) das águas subterrâneas é mais intenso que sua renovação natural, constata-se um rebaixamento do nível de lençóis freáticos, que, por esse motivo, exigem maiores investimentos para serem explorados e, ao mesmo tempo, vão se tornando mais salinos. 1.2.1. Chuvas As chuvas são mais intensas e frequentes nas regiões marítimas, onde é bem acentuada a umidade do ar. A sua formação é afetada pela temperatura, pressão barométrica, direção dos ventos, barreiras naturais e altitude. A quantidade de chuva que precipita numa região é definida por uma altura em milímetros, registrada por um aparelho denominado pluviômetro. Este deve ser colocado em local conveniente, a fim de que os resultados obtidos se aproximem, tanto quanto possível, da realidade. A Figura 1.3 mostra a configuração de um pluviômetro. Figura 1.3 – Configuração de um pluviômetro O conhecimento das alturas de chuva de todos os meses do ano é indispensável para os projetos dos reservatórios de regularização sazonal. Toda chuva é caracterizada pela parâmetro intensidade-duração. Assim, quanto mais intensa for a chuva, menor é a sua duração e vice-versa. A intensidade é expressa em milímetros por hora (mm/h), mesmo que a duração seja de minutos. 13 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho O registro das intensidades de chuva para as diversas durações, geralmente compreendidas de 5 a 120 minutos, é indispensável para o dimensionamento das galerias de águas pluviais pelo método racional. Normalmente são encontrados, na água de chuva, gases dissolvidos e partículas microscópicas de poeira. Entretanto, outras impurezas podem ser registradas, tais como fumaça, pólen, traços de nitrato, sulfetos, cloretos, óxidos e álcalis, a depender da região. De todas as substâncias, o cloreto de sódio é o mais abundante nas chuvas registradas nas regiões marítimas. Todavia, as impurezas nas águas de chuva, geralmente, não ultrapassam o valor de 10 mg/L. 1.2.2. Águas superficiais A água superficial é a que escoa no solo sob a ação da gravidade ou que permanece estagnada em depressões da crosta terrestre, excetuando os oceanos e mares. As águas superficiais estão inseridas dentro do contexto da bacia hidrográfica que, por sua vez, é uma área onde ocorre a drenagem da água das chuvas para um determinado curso de água (geralmente um rio). Com o terreno em declive, a água de diversas fontes (rios, ribeirões, córregos etc) deságuam em um determinado rio, formando assim uma bacia hidrográfica. Logo, uma bacia hidrográfica é formada por um rio principal (às vezes dois ou três) e um conjunto de afluentes que deságuam neste rio principal. Assim, a cada curso de água corresponde uma bacia hidrográfica, de modo que a bacia de um rio é constituída pelas bacias de todos os seus afluentes. A Figura 1.4 mostra a configuração das principais bacias hidrográficas brasileiras. Figura 1.4 – Principais bacias hidrográficas brasileiras. 14 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho Chama-se de coeficiente de escoamento superficial ou run-off a relação entre o volume total de água que atinge o extremo de jusante de uma bacia hidrográfica e o volume total de chuva precipitada na mesma bacia. Ambos os volumes são definidos para um mesmo período de tempo, geralmente um ano. O coeficiente de escoamento superficial varia para cada bacia hidrográfica, sendo expresso em percentagem. Ele é função, sobretudo, da vegetação, permeabilidade do solo e conformação da camada superficial do terreno. Em bacias sem vegetação, impermeáveis e de forte declividade, é grande a taxa de escoamento, podendo superar 60%. Em bacias cobertas de vegetação, com terreno poroso e de pequena declividade, o coeficiente superficial de escoamento superficial não atinge 20%. A determinação do run-off é indispensável para o projeto de certas obras de Engenharia Hidráulica, como por exemplo, reservatórios de regularização. As características das águas superficiais dependem da área, geologia e topografia da bacia hidrográfica, assim como das condições atmosféricas e das atividades humanas dominantes na mesma bacia. Nos rios e riachos, a variação das características da água é mais frequente do que em lagos e lagoas. 1.2.3. Mananciais Subterrâneos A água subterrânea, ao infiltrar-se na vertical, pode mudar de direção, desde que encontre uma camada impermeável que não constitua bolsão subterrâneo. Ao mudar de direção, a água passa a percolar em busca de um ponto mais baixo, ao passo que fica estagnada ao atingir um bolsão. Diante do caminhamento feito pela água subterrânea, tem-se o conceito de lençol subterrâneo, que representa uma formação do terreno, cujos poros são totalmente preenchidos deágua. Os lençóis subterrâneos podem ser freáticos ou artesianos, conforme descrito a seguir: a) o lençol freático é o que se encontra sobre a primeira camada impermeável e cuja água está sob a ação da pressão atmosférica. A Figura 1.5 mostra a configuração de um lençol freático e a sua vulnerabilidade à contaminação por fatores externos. 15 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho Figura 1.5 – Lençol freático b) O lençol artesiano é o que se situa entre duas camadas impermeáveis e cuja água sofre pressão superior à atmosférica. A Figura 1.6 mostra a configuração de um lençol artesiano. Figura 1.6 – Configuração de um lençol artesiano. Na maioria dos casos, as camadas que separam os lençóis subterrâneos não são estanques a ponto de impedir totalmente a comunicação entre eles. Nos lençóis, a água percola até atingir um bolsão subterrâneo ou um curso de água, um lago ou o mar. Pode também aflorar no terreno para dar origem às fontes de encosta ou às fontes de fundo de vale de emergência, conforme mostrado na Figura 1.7. 16 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho Figura 1.7 - Caixa de Tomada da fonte de encosta Em arenitos ou material de textura fina, a velocidade de percolação, em certos casos, não ultrapassa três metros por ano. Por outro lado, em material grosseiro, pode atingir seis metros por dia. As águas subterrâneas são geralmente mais límpidas e duras que as de superfície da mesma região. Em zonas calcárias, são mais alcalinas do que em zonas graníticas. Excetuando os casos em que a dureza, o ferro, e o manganês são pronunciados, de modo geral, a água subterrânea possui melhor qualidade que a de superfície. Além disso, as características da água subterrânea ficam sujeitas a pequenas alterações. 1.3. A IMPORTÂNCIA DOS PRINCIPIOS DE TRATAMENTO Desde a década de 1850 até a década de 1950, as instalações de tratamento de água foram frequentemente projetadas por engenheiros experientes que se basearam em práticas bem-sucedidas. Assim, os processos de tratamento foram muitas vezes tratados como uma "caixa preta", e uma compreensão detalhada dos princípios científicos que regem o processo não eram consideradas essenciais para concluir um projeto bem sucedido. Nos últimos anos, no entanto, mudanças significativas ocorreram na indústria de tratamento de água, exigindo dos engenheiros uma maior compreensão dos princípios fundamentais dos processos de tratamento. Algumas dessas mudanças incluem o aumento da contaminação dos suprimentos de água, a crescente taxa de desenvolvimento tecnológico e a crescente sofisticação das instalações de tratamento. As práticas de tratamento concentraram-se principalmente na qualidade estética da água e na prevenção da contaminação por organismos patogênicos. Desde a década de 1950, dezenas de milhares de produtos químicos foram 17 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho desenvolvidos para uma ampla variedade de propósitos, sendo que alguns desses produtos químicos têm efeitos cancerígenos ou outros impactos negativos para a saúde em seres humanos. Muitos fornecimentos de água são impactados por descargas de estações de tratamento de esgotos. Dessa forma, os engenheiros são impelidos a adotarem estratégias de tratamento a base de produtos químicos, para as quais não há experiência prévia disponível. Os processos de tratamento dependem de princípios físico-químicos. Assim, se os princípios científicos forem compreendidos, é possível identificar processos de tratamento com base na interação esperada entre as propriedades dos contaminantes e as capacidades dos tratamentos adotados, por exemplo, ao conhecer a volatilidade e a hidrofobicidade de uma substância química orgânica sintética, é possível prever se a remoção de ar ou a adsorção em carvão ativado é uma estratégia de tratamento mais adequada. A tecnologia vem acelerando o ritmo de desenvolvimento dos equipamentos de tratamento, de modo que os engenheiros são confrontados com os fabricantes de equipamentos e desenvolvedores de novos processos, sendo atribuído a ele (engenheiros) a tarefa de recomendar ou não a um cliente o equipamento que deve ser utilizado como uma opção viável. A água potável é uma parte necessária da sociedade moderna, sendo uma questão de saúde pública, e os consumidores esperam ter água disponível continuamente. Nesse sentido, conhecimento prático de estações construídas de forma bem sucedidas anteriormente pode não ser suficiente para prever se o novo equipamento irá funcionar satisfatoriamente. Logo, entender os princípios científicos que regem os processos de tratamento, fornece ao engenheiro uma base para avaliar inovações de novos mecanismos de tratamento. As estações de tratamento ficaram mais complexas, com isso, às vezes, as instalações não funcionam adequadamente e o engenheiro é chamado para identificar os fatores que estão impedindo a estação de trabalhar adequadamente, ou recomendar estratégias para melhorar o desempenho. Muitas vezes, a diferença entre o desempenho eficaz e ineficaz é o resultado de princípios científicos - uma dose de coagulante demasiadamente baixa para desestabilizar as partículas, uma mudança na densidade da água devido a uma mudança de temperatura ou a utilização incorreta de um intervalo de pH. Nesses casos, os princípios científicos podem orientar o processo de tomada de decisão sobre por que um tratamento não está funcionando e quais mudanças na operação resolveriam o problema. Como resultado, a variedade de conhecimento e experiência necessária para projetar instalações de tratamento de água é extensa e não pode ser aprendida em um único semestre na faculdade. Os engenheiros de projeto precisam de conhecimento sobre os princípios fundamentais dos processos e experiência prática de construção. 18 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho 1.4. O DESENVOLVIMENTO DOS SERVIÇOS DE ÁGUA E DE ESGOTO A importância do abastecimento de água potável e do esgotamento sanitário já foi reconhecida há algum tempo. As escavações arqueológicas na Ásia e no Oriente Médio revelaram que comunidades desenvolveram sistemas de abastecimento de água e de coleta de esgoto. Os ramanos, por exemplo, podem ser considerados os primeiros grupos de engenheiros especialistas em saúde pública, pois desenvolveram sistemas de abastecimento de água e de drenagem nas principais cidades. Volumes consideráveis de água foram armazenados em fontes que forneciam continuamente esse precioso líquido para a maioria da população, embora as famílias ricas tivessem suas próprias fontes de abastecimento. Para satisfazer as exigências por água, muitas áreas urbanas do Império Romano foram beneficiadas com a construção de grandes aquedutos com mais de 50 km de extensão. O conceito de transporte de água de boa qualidade proveniente de captações de montanha com uma elevada pluviosidade para uma área urbana tem, portanto, uma longa história e demonstra um conceito importante na gestão da água. Assim como nos sistemas de abastecimento de água, as cidades romanas tinham sistemas de esgotos feitos de pedra, que coletavam tanto o escoamento superficial de águas pluviais como as descargas das latrinas e, ao final, todo esse material era transportado para além dos limites das cidades. Há, no entanto, pouca evidência de que os romanos faziam qualquer tratamento para as águas residuárias de suas cidades e, portanto, a sua compreensão da proteção do meio ambiente foi, provavelmente, pouco limitada. Com o fim do Império Romano, a maioria de suas obras públicas cairam emdesuso, particulamente no que se refere ao abastecimento de água e ao esgotamento sanitário, recebendo pouca atenção dos legisladores e do poder público em geral. Na Europa da Idade Média, muitas vezes as cidades se estabeleceram nos pontos de passagem de rios, e estes cursos de água normalmente eram uma fonte de água conveniente e um repositório de resíduos líquidos e sólidos. Dessa forma, os despejos de resíduos líquidos e sólidos tornaram-se um perigo, não sendo surpreendente que a expectativa de vida para a maioria das pessoas não ultrapassasse os trinta e cinco anos de idade. A falta de instalações adequadas de sistemas de coleta de esgoto em áreas rurais pouco povoadas nem sempre causou grandes problemas, mas o rápido crescimento das populações urbanas, muitas vezes em condições precárias, causou (e ainda causa) grandes perigos para a saúde pública. Assim, devido às condições sanitárias no século XIX, a maioria das grandes cidades da Europa passou por situações terríveis, com a disseminação rápida, e às vezes catastróficos, de doenças relacionadas com a água. Além disso, das cidades que decidiram fazer alguma coisa para resolver o problema da falta de saneamento, muitos dos sistemas de esgotos implantados foram mal construídos, de modo que uma boa parte do seu conteúdo 19 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho vazavam para os aquíferos rasos circundantes, que também forneciam água para fins de abastecimento. Dessa forma, os rios tornaram-se degradados e surtos de cólera foram frequentes nas cidades da Europa, com milhares de mortes todos os anos. Em 1850, situações semelhantes também foram observadas na América do Norte. Em 1854, na cidade de Londres, um episódio que culminou com a morte de 10.000 pessoas, em decorrência de casos de cólera, forneceu evidência ao Dr. John Snow para demonstrar a ligação entre a poluição por esgoto doméstico e a presença de cólera na comunidade. Mais tarde, a existência de bactérias como organismos vivos e seu papel no desencadeamento de doença foi demonstrada por Pasteur em 1860 e, em 1876, Koch desenvolveu técnicas de cultura para o crescimento e identificação de espécies microbianas. A Revolução Industrial encentivou ainda mais o crescimento das cidades e acelerou a necessidade de sistemas de abastecimento de água, muitos destes baseados nos cenceitos romanos de captação em terras altas e longos aquedutos. Desse modo, apenas pela atenção contínua e vultosos investimentos financeiros no controle de qualidade da água, foi possível erradicar doenças transmitidas pela água nos países chamados “desenvolvidos”. Uma consequência dessa realização foi que a expectativa de vida das pessoas nos países europeus quase duplicou desde o século XIX. Apesar do avanço na ciência médica ter contribuído para a melhora da expectativa de vida, o papel dos engenheiros no fornecimento de uma água segura e de eficazes sistemas de esgotamento sanitário foi o principal fator desencadeador da melhora na qualidade de vida das pessoas. Tal sucesso não deve, contudo, esconder os enormes desafios que ainda precisam ser resolvidos. Pesquisas indicam que a maioria da população rural do mundo e um número significativo da população urbana não tem acesso ao abastecimento de água potável. Em relação aos demais sistemas de saneamento, coleta de esgoto e drenagem de águas pluviais, por exemplo, a situação é ainda pior. Para completar esta situação preocupante, infelizmente a taxa de natalidade em grande parte dos países em desenvolvimento é tal que o aumento do número de pessoas atendidas não mantém o mesmo ritmo com o crescimento da população, consequentemente o resultado dessa equação é um número crescente de pessoas fora do alcance dos serviços básicos de saneamento. Portanto ainda há muito o que fazer ante as exigências aparentemente simples de água potável disponível para todos. 1.5. O PAPEL DOS ENGENHEIROS E DOS CIENTISTAS As obras públicas, tais como sistemas de abastecimento de água e tratamento de esgotos, têm sido tradicionalmente vistos como atividades de engenharia. A conexão com a engenharia civil é devido ao fato de que a maioria das obras envolvem grandes estruturas e requerem uma boa compreensão do sistema hidráulico. No entanto, a Ciência da Água é uma matéria multidisciplinar, envolvendo 20 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho a aplicação de princípios biológicos, químicos e físicos em associação com as técnicas de engenharia. Nesse contexto, os grandes projetos de controle de qualidade da água são realizados por uma equipe de especialistas de muitas disciplinas, os quais podem trazer as suas experiências, colaborando para uma solução ambientalmente aceitável. Um dos principais objetivos no trabalho de controle de qualidade da água é reduzir a incidência de doenças. Esse objetivo depende da capacidade de se trabalhar com fontes de água capazes de oferecer uma qualidade satisfatória, ou seja, uma água livre dos seguintes itens: matéria em suspensão visível; cor excessiva, sabor e odor; excesso de matéria dissolvida; metais pesados; indicadores bacterianos de poluição fecal. Dessa forma, o abastecimento de água potável deve, obviamente, ser próprio para o consumo humano, ou seja, de qualidade potável, e também deve ser palatável, ou seja, ser esteticamente atraente. Além disso, na medida do possível, o abastecimento público de água deve ser adequado para outros usos domésticos, como lavar roupa, e assim por diante. Depois de se ter encontrado uma fonte de água de qualidade e quantidade adequadas, e depois de se realizar o tratamento conveniente, torna-se necessário realizar o fornecimento de água aos consumidores através de um sistema de distribuição que compreende adutoras, estações de bombeamento e reservatórios. Cabe destacar que o uso doméstico e industrial da água pode causar deterioração de sua qualidade, razão pela qual esse efluente deve ser recolhido e dado um tratamento adequado antes de inceri-lo novamente no meio ambiente. Em muitas situações, as águas residuárias tratadas asseguram uma parte significativa dos recursos hídricos para outros usuários. A Figura 1.8 ilustra uma situação típica de suprimento dos sistemas de abastecimento de água e eliminação de águas residuárias em torno dos manancias. 21 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho Figura 1.8 - Abastecimento de água e eliminação de águas residuárias em torno dos mananciais. As medidas de controle de qualidade da água devem encontrar um equilíbrio entre as necessidades dos serviços de abastecimento e os requisitos de descarga de efluentes de esgotos, garantindo-se, assim, a preservação de atividades em torno dos mananciais, como por exemplo, a pesca. Todos esses fatores devem considerar que em uma situação onde há atividade industrial, existência de práticas agrícolas e uma crescente urbanização, pode ocorrer influência na qualidade da água. O desenvolvimento urbano pode produzir grandes volumes de resíduos sólidos que, por sua vez, podem representar grandes dificuldades ambientais na sua disposição. Os aterros e outros locais de disposição de resíduos podem ser responsáveis por grandes problemas de controle de poluição da água, na medida em que a chuva ou a água subterrânea podem lixiviar o material contaminante a partir do lixo depositado inadequadamente. É importante destacar que muitos contaminantes podem afetar o ar, o solo e a água, portanto, devem ser adotadas soluções para o controle da poluição que não transfira o problema para outros lugares. Esses problemas podem, muitas vezes, ser em escala internacionalpor causa das circulações atmosféricas e por causa das correntes marinhas. 22 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho 1.6. GUIA DE ESTUDO Assinale (V) verdadeiro ou (F) falso para os seguintes itens: 1) ( ) Assim como a água, há outras substâncias que têm a propriedade de passar pelos estados sólido, líquido e gasoso nas condições de temperatura e pressão dominantes na superfície da Terra. 2) ( ) A densidade da água varia com a pressão atmosférica. 3) ( ) À medida que a temperatura da água diminui, abaixo de 4ºC, por exemplo, a densidade aumenta, até atingir o valor de uma unidade (1) a zero grau Celsius (0ºC). 4) ( ) A capacidade da água de dissolver substâncias é mais acentuada quanto menor for a sua temperatura e pressão. 5) ( ) A água está mais isenta de substâncias quando se encontra na forma líquida, ou seja, na quando ela precipita na forma de chuva. 6) ( ) Por definição, o ciclo hidrológico é a descrição do comportamento natural da água em volta do globo terrestre. 7) ( ) O ciclo hidrológico é composto de três fenômenos principais: evaporação para a atmosfera, condensação em forma de nuvens e escoamento superficial. 8) ( ) Para que ocorra uma precipitação é necessário que o vapor atmosférico sofra condensação em gotículas. 9) ( ) O ciclo hidrológico tem comportamento uniforme em cada uma de suas fases, principalmente quanto à evaporação e à precipitação 10) ( ) Pode-se dizer que, desde os anos 50, por exemplo, a demanda de água por pessoa não foi alterada, quando comparada com a atual realidade , contudo a demanda industrial aumentou significativamente. 11) ( ) As chuvas são mais intensas e frequentes nas regiões marítimas, onde é bem acentuada a umidade do ar 12) ( ) Toda chuva é caracterizada pela característica intensidade-duração. 13) ( ) Quanto mais intensa for a chuva, menor é a sua duração e vice-versa. 23 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho 14) ( ) Para projetos de galerias de águas pluviais pelo método racional, o ideal é o registro das intensidades de chuva superiores a 120 minutos. 15) ( ) As impurezas nas águas de chuva, geralmente, não ultrapassam o valor de 10 mg/L. 16) ( ) A água superficial é a que escoa no solo sob a ação da gravidade ou que permanece estagnada em depressões da crosta terrestre, excetuando os oceanos e mares. 17) ( ) O coeficiente de escoamento superficial ou run-off é a relação entre o volume total de água que atinge o extremo de montante de uma bacia hidrográfica e o volume total de chuva precipitada em uma área determinada na mesma bacia. 18) ( ) O coeficiente de escoamento superficial varia para cada bacia hidrográfica, sendo expresso em percentagem. 19) ( ) Em bacias cobertas de vegetação, com terreno poroso e de pequena declividade, o coeficiente superficial de escoamento superficial não atinge 20%. 20) ( ) A determinação do run-off é dispensável para o projeto de certas obras de Engenharia Hidráulica, como por exemplo, reservatórios de regularização. 21) ( ) Quando a bacia de detenção de águas pluviais armazena temporariamente as águas e as libera lentamente, o efeito primário observado é a redução da vazão efluente máxima que sai da bacia, o que permite o controle da vazão de pico. 22) ( ) Durante o período de armazenamento nas bacias de infiltração, parte das águas pluviais infiltra-se no solo, promovendo a recarga dos aqüíferos; e, conforme se processa tal recarga, é controlado o volume decorrente do escoamento superficial. 23) É sabido que ação humana altera o ciclo hidrológico, especialmente no ambiente urbano, no qual as alterações ambientais são mais intensas. O aumento das inundações urbanas é uma das consequências mensuráveis das alterações do ciclo hidrológico decorrentes da urbanização. Essas alterações do ciclo hidrológico manifestam-se principalmente a) pelas mudanças climáticas globais que provocam aumento dos dias chuvosos. b) pelo aumento das temperaturas nas áreas urbaniza- das e a criação de “ilhas de calor”. 24 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho c) pelo aumento dos volumes de escoamento superficial e a diminuição do tempo de concentração nas bacias urbanas. d) pela ausência de mecanismos adequados de defesa civil. e) pela falta de legislação de uso e ocupação do solo na maioria dos municípios. 24) O deslocamento da água na superfície de uma bacia hidrográfica é uma das parcelas mais importantes do ciclo hidrológico. Considerando os fundamentos do escoamento superficial, assinale a alternativa correta. a) O escoamento em superfície livre pode ser apenas do tipo não permanente. b) O escoamento é regido por leis físicas e representado qualitativamente por variáveis como vazão, profundidade e velocidade. c) O escoamento superficial e em rios e canais é retratado apenas pela equação de quantidade de movimento. d) A equação baseada na quantidade de movimento do sistema associado ao escoamento superficial é obtida pela avaliação das massas internas e externas que atuam no mesmo. e) O escoamento permanente uniforme ocorre quando o gradiente de profundidade com o espaço é nulo e a velocidade, constante. 25) O ciclo hidrológico é um fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado fundamentalmente pela energia solar. Com relação ao ciclo hidrológico, assinale a alternativa correta. a) Os volumes evaporados em um determinado local do planeta precipitam necessariamente no mesmo local, porque há movimentos contínuos, com dinâmicas diferentes, na atmosfera e também na superfície terrestre. b) O escoamento superficial é impulsionado pela gravidade para as cotas mais baixas, vencendo o atrito com a superfície do solo. c) O processo de infiltração ocorre quando a taxa de saturação do solo é superior à da precipitação. d) A presença de vegetação na superfície contribui para criar obstáculo ao escoamento superficial, não favorecendo a infiltração em percurso. e) A infiltração e a percolação no interior do solo são comandadas somente pela ação da gravidade. 25 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho 26) Assinale a alternativa correta. Os ecossistemas lóticos podem ser usados para o abastecimento de água tanto em regiões metropolitanas como em localidades com baixa densidade populacional. Esses ecossistemas se caracterizam por mananciais: a) subterrâneos, de águas doces, como as que existem em aquíferos freáticos; b) superficiais, de águas salobras, como as existentes em estuários; c) superficiais, de água doce, paradas, como barragens e lagoas; d) subterrâneos, de água doce, em aquíferos confinados e com hidroperíodo; e) superficiais, de águas doces, em movimento, como córregos e rios 27) (FGV-2013) No projeto de captação de água de superfície para abastecimento público, a escolha do local para implantação e do tipo de captação a ser implantado depende de uma análise dos elementos disponíveis na área reservada para este fim. A esse respeito analise os critérios a seguir. I. Estar localizada em trecho reto ou, quando em curva, na margem convexa onde as velocidades e a profundidade são menores. II. Ficar protegida da ação erosiva das águas e dos efeitos decorrentes de remanso e da variação de nível do curso da água. III. Em mananciais que sofrem influência de marés, a escolha do local deve ser feita com auxílio de estudos sobre a intrusão da cunha salina.Assinale a alternativa que indica os critérios que devem ser adotados na escolha do local de captação de águas superficiais. a) I, somente. b) II, somente. c) III, somente. d) I e III, somente. e) II e III, somente. 26 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho 2. IMPORTÂNCIA SANITÁRIA E ECONÔMICA DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA O objetivo principal do tratamento de água é proteger a saúde pública. A água pode conter uma grande variedade de componentes que podem tornar as pessoas doentes e, ao mesmo tempo, ela tem a capacidade única para transmitir rapidamente doenças a um grande número de pessoas. O objetivo deste capítulo é introduzir a relação entre a qualidade da água e a saúde pública e identificar as principais fontes de contaminantes no abastecimento de água. Quando uma comunidade cresce e, consequentemente, a densidade demográfica da área aumenta, a solução mais econômica e permanente para o abastecimento de água é uma solução coletiva, que se denomina de Sistema de Abastecimento de Água. Do ponto de vista sanitário, a solução coletiva é a mais interessante, pois unifica a proteção do manancial e a supervisão do sistema. Por outro lado, os sistemas individuais são soluções precárias para os centros urbanos, embora sejam indicados para as áreas rurais onde a população é dispersa. Entretanto, enquanto se aguardam as soluções gerais, estas não devem ser desprezadas. Os sistemas de abastecimento de água são constituídos por unidades de captação, adução, tratamento, reservação e distribuição, os quais são descritos a seguir: a) manancial: é a fonte de onde se tira a água. No caso da existência de mais de um manancial, a escolha deve ser feita levando-se em conta a quantidade e a qualidade da água, o consumo atual provável, bem como a previsão de crescimento da comunidade. A Figura 2.1 mostra um exemplo de um manancial que pode ser utilizado para abastecimento público. Figura 2.1 – Manancial destinado ao abastecimento público 27 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho b) partes constituintes do sistema: captação: é a primeira providência de um sistema de abastecimento, destinado a recolher a água, seja ela proveniente da chuva, de rios e lagos, de fontes, do subsolo, e assim por diante. Desse modo, a captação tem, por fim, criar condições para que a água seja retirada do manancial em quantidade capaz de atender ao consumo. Existem vários tipos de captação que variam de acordo com o manancial e com o equipamento empregado. adução: destina-se a conduzir a água desde a captação até a comunidade abastecida. É feita por meio de adutoras, isto é, de uma tubulação, normalmente sem derivações, que liga a captação ao tratamento ou o tratamento à rede de distribuição. tratamento: visa a eliminação de impurezas e correção de impropriedades que a tornam inadequada para determinados fins. reservação: visa o acúmulo da água, com propósitos de atender à variação de consumo, nas horas em que este é maior, manter a pressão mínima ou constante na rede de distribuição; atender às demandas de emergência, no caso de incêndio, ruptura da rede, e assim por diante. rede de distribuição: constitui a etapa final de um sistema de abastecimento de água. Destina-se a conduzir a água, por meio de tubulações, para os diversos pontos de consumo. O abastecimento de água tem sido uma das principais preocupações da humanidade. As primeiras comunidades agrícolas estabeleceram-se ao redor dos rios e lagos, posteriormente as cidades também seguiram esse contorno e, hoje em dia, uma das maiores preocupações das grandes metrópoles é conseguir um adequado suprimento de água potável. A formação dos aglomerados urbanos complicou de forma notável o suprimento deste precioso elemento. Os trechos dos rios, que foram utilizados simultaneamente como fonte de abastecimento e como veículo de transporte de esgoto doméstico, criou a necessidade de tratar a água de mananciais longínquos às cidades. No século XIX, desenvolveram-se as primeiras instalações municipais de filtração. A aparição das ciências bacteriológicas, em meados do século XX, impulsionou ainda mais esta prática. Esta, com o passar do tempo, tornou-se um requisito indispensável da vida “civilizada”. O objetivo de um sistema de abastecimento de água de uma comunidade é fornecer água que, em quantidade e qualidade, seja conveniente a todos os usos a que se presta, de modo que a população inteira, indistintamente, dela se beneficie, recebendo-a a domicílio com o mínimo dispêndio possível. Assim, a importância do abastecimento de água deve ser encarada sob o aspecto sanitário e econômico. Os sistemas de suprimento de água devem ser projetados, construídos e operados de forma a estarem aptos a fornecerem, aos consumidores, água em quantidade e qualidade compatíveis com suas necessidades ao longo de certo tempo, comumente denominado alcance do plano (alcance de projeto). Isso porque 28 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho a água quimicamente pura não existe na superfície da terra. A expressão água pura é usada como sinônimo de água potável, para exprimir que uma água tem qualidade satisfatória para o uso doméstico. A importância sanitária do abastecimento de água é facilmente visualizada: a implantação ou melhoria deste serviço em uma localidade traz como resultado uma rápida e sensível elevação do padrão de saúde e das condições de vida da comunidade, principalmente através do controle e prevenção de doenças, da promoção de hábitos higiênicos, do desenvolvimento de esportes, como a natação, e da melhoria da limpeza pública; reflete-se também, no estabelecimento de meios que importam em obtenção do conforto e da segurança coletiva, como a instalação de ar condicionado e aparelhamento de combate a incêndios. Esses efeitos benéficos se acentuam bastante com a implantação e melhoria dos sistemas de esgoto sanitário. Por outro lado, tem-se constatado que a implantação de sistemas adequados de abastecimento de água e coleta de esgotos, além de causar a diminuição das doenças transmissíveis pela água, indiretamente baixa a incidência de uma série de outras doenças, não relacionadas diretamente à água ou aos esgotos. 2.1. RELAÇÃO ENTRE A QUALIDADE DA ÁGUA E A SAÚDE PÚBLICA Antes de meados do século XIX, acreditava-se que as doenças como a cólera e a febre tifóide eram principalmente transmitidas pelo sistema respiratório e por vapores emanados de uma vítima dessas enfermidades. O engajamento sério no tratamento do abastecimento público de água potável começou a se desenvolver na última metade do século XIX, depois que o Dr. John Snow identificou a conexão entre a contaminação da água potável e a doença transmitida pela água. A descoberta de Snow foi mais tarde apoiada pela defesa da teoria de doenças germinativas do cientista francês Louis Pasteur, na década de 1860, e pela descoberta de micróbios patogênicos importantes (micro-organismos capazes de causar doenças) pelo cientista alemão Robert Koch. Estes desenvolvimentos levaram ao entendimento de que a doença gastrointestinal se espalha quando os agentes patogênicos nas fezes de seres humanos infectados são transportados para o alimento e para a água de indivíduos saudáveis - a exposição através da chamada rota: fecal - oral. Como resultado, várias estratégias foram desenvolvidas para quebrar a conexão entre sistemas de água potável e sistemas de descarte de resíduos humanos. Essas estratégias incluíram o uso de fontes de água que não estão expostas à contaminação poresgotos, o tratamento de água em virtude de fontes contaminadas, o uso de sistemas de água continuamente pressurizados, de modo a garantir a segurança da mesma, assegurando ao consumidor que a água tratada possa ser entregue ao consumidor sem exposição a uma maior contaminação. A cloração contínua da água potável como meio de controle bacteriológico foi introduzida no início do século XX, e em 1940, a grande maioria dos suprimentos de 29 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho água nos países desenvolvidos tinha "tratamento completo", sendo considerado microbiologicamente seguro. Dessa forma, o sucesso das práticas de filtração e desinfecção levou à eliminação virtual das doenças mais transmissíveis pela água nos países desenvolvidos, particularmente a febre tifóide e a cólera. Em 1974, porém, tanto nos Estados Unidos como na Europa, descobriu-se que o cloro, o produto químico mais comumente usado para desinfecção, reagia com a matéria orgânica natural na água para produzir produtos químicos orgânicos sintéticos, particularmente o clorofórmio. Desde então, décadas de pesquisas mostraram que o cloro produz um grande número de subprodutos de desinfecção (DBPs, sigla do termo em inglês “disinfection by-products”). Nas décadas de 1970 e 1980, tornou-se evidente que algumas doenças transmitidas pela água se espalhavam por meios diferentes de uma pessoa para outra, através da via fecal - oral. Em primeiro lugar estão as doenças zoonóticas, doenças que os seres humanos podem contrair através da via fecal-oral das fezes de outros animais. Exemplos de patógenos zoonóticos são Giardia lamblia e Cryptosporidium parvum. Em segundo lugar estão as doenças causadas por patógenos oportunistas, que fazem a sua casa em ambientes aquáticos, mas infectam os seres humanos quando surge a oportunidade. Exemplos de agentes patogênicos oportunistas são Legionella pneumophila, Aeromonas hydrophila, Mycobacterium avium e Pseudomonas aeruginosa. Um patógeno oportunista é um micro-organismo que não é normalmente capaz de superar as defesas naturais de um hospedeiro humano saudável. Contudo, sob certas circunstâncias, tais organismos são capazes de causar infecção, resultando em danos graves para o hospedeiro. Existem duas circunstâncias em que os patógenos oportunistas são mais bem-sucedidos: a) quando a resposta imune do hospedeiro foi comprometida (por exemplo, pessoas com o vírus da imunodeficiência humana (HIV), pessoas que utilizam fármacos que suprimem o sistema imunológico, os idosos etc); b) quando o hospedeiro é exposto a níveis elevados do organismo em questão. Nesse caso a infecção se torna esmagadora antes que o corpo possa desenvolver uma resposta imunológica adequada. Como resultado da possível presença de patógenos zoonóticos, encontrar um suprimento de água livre de contaminação de esgoto não garante a ausência de patógenos e não elimina a necessidade de tratamento da água. Além disso, a compreensão do papel dos agentes patogênicos oportunistas deixa claro que a purificação da água e o seu transporte sob pressão não proporcionam uma protecção completa, e o crescimento de agentes patogênicos oportunistas também deve ser controlado nos sistemas de distribuição e nas dependências do sistema de água. Dentre as principais doenças de origem hídrica, as que são sensivelmente reduzidas por um sistema de abastecimento adequado são: cólera, febre tifoide, febre paratifoide, hepatite infecciosa, gastroenterites infantis, disenteria bacilar, amebíase, poliomielite, esquistossomos, leptospirose, e outras causadas pela 30 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho presença de substâncias tóxicas na água, provenientes de despejos industriais. A Tabela 2.1 mostra as doenças transmitidas pela água e sua forma de controle. Tabela 2.1 – Doenças relacionadas com o abastecimento de água, agentes patogênicos e medidas de controle. Transmissão Doenças Agente Patogênico Medida Pela água Cólera Febre tifóide Leptospirose Giardíase Amebíase Hepatite infecciosa Diarréia aguda Vibrio cholerae Salmonella typhi Leptospira interrogans Giardia lamblia Entamoeba histolytica Hepatite vírus A Balantidium coli, Cryptosporidium, Baccilus cereus, Saureus, Campylobacter, E. coli enterotoxogênica e enteropatogênica, Shigella, Yersinia enterocolitica, Astrovirus, Calicivirus, Norwalk, Rotavirus A e B. -Implantar sistema de abastecimento e tratamento de água, com fornecimento em quantidade e qualidade para consumo, uso doméstico e coletivo. -Proteção de contaminação dos mananciais e fontes de água. Pela falta de limpeza, higienização com a água. Escabiose Pediculose (piolho) Tracoma Conjuntivite bacteriana aguda Salmonelose Tricuríase Enterobíase Ancilostomíase Ascaridíase Sarcoptes scabiei Pediculus humanus Clamydia trachoma Haemophilus aegytius Salmonella typhimurium Trichuris trichiura Enterobius bermicilares Ancylostoma duodenale Ascaris lumbricoides -Implantar sistema adequado de esgotamento sanitário. -Instalar abastecimento de água, preferencialmente com encanamento no domicílio. -Instalar melhorias sanitárias domiciliares e coletivas. -Instalar reservatório de água adequado com limpeza sistemática. Através de vetores que se relacionam com a água Malária Dengue Febre amarela Filariose Plasmodium vivax, P. malarie e P. falciparum Grupo B dos arbovírus RNA vírus Wuchereria bancrofti -Eliminar o aparecimento de criadouros com inspeção sistemática e medidas de controle (drenagem, aterro e outros). -Dar destinação final adequada aos resíduos sólidos. Associada à água Esquistossomose Schistosoma mansoni -Controle de vetores e hospedeiros intermediários. A seguir são detalhadas algumas das doenças mais comuns transmitidas pela água infectada por organismos patogênicos. 2.1.1. Amebíase A Entamoeba hystolitica e a Entamoeba coli são parasitas minúsculos, que só podem ser vistos com auxílio do microscópio. Geralmente, fala-se de ameba (Entamoeba) sempre que há diarréias persistentes. A Entamoeba coli é um parasita que se localiza no intestino do homem, mas que não o prejudica e, portanto, não precisa ser tratada. A Entamoeba hystolitica é 31 Prof. Rogério Pinheiro Magalhães Carvalho prejudicial e precisa ser eliminada. A Figura 2.2 mostra o formado da Entamoeba (amebíase) que precisa ser eliminada do organismo humano. Figura 2.2 – Entamoeba (amebíase) 2.1.1.1. Como se contrai amebíase Esses parasitas são eliminados com as fezes. Quando uma pessoa defeca, as fezes, deixadas nas proximidades de córregos, valas de irrigação ou lagoas, contaminam suas águas. Em um quintal pequeno, se a fossa for construída a poucos metros de distância da cisterna, as fezes infectadas por amebas podem contaminar a água. Moscas e baratas, ao se alimentar de fezes de pessoas infectadas, também transmitem a parasitose a outras pessoas, defecando sobre os alimentos ou utensílios. Pode-se ainda contrair a ameba comendo frutas e verduras cruas, que foram regadas com água contaminada ou adubadas com terra misturada a fezes humanas infectadas. A ameba pode ficar agarrada nas verduras durante três semanas, mesmo expostas à chuva, ao frio e ao calor. Muito frequente é a contaminação pelas mãos sujas de pessoas que lidam com os alimentos. 2.1.1.2. O que causa a amebíase Os portadores de ameba, em geral, queixam-se de: • dores abdominais; • febre baixa; • ataque de diarreia, seguido de períodos de prisão de ventre, disenteria aguda com fezes sanguinolentas
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