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1 TRATAMENTO E USO DE ÁGUAS 1 Sumário NOSSA HISTÓRIA ......................................................................................... 3 Introdução ................................................................................................... 4 Qualidade e Potabilidade das Águas .......................................................... 5 Padrões de lançamento no corpo receptor e de qualidade do corpo receptor ............................................................................................................................... 6 Definições Importantes da Portaria 1469 de 29 Dezembro de 2000 ........... 8 Denominação das águas em função das impurezas ................................. 14 Mistura Rápida e Floculação ..................................................................... 17 Misturador Hidráulico – Calha PARSHALL ............................................... 19 Decantação ............................................................................................... 26 Decantador Tubular................................................................................... 28 Classificação dos Filtros ............................................................................ 29 Camada Suporte ....................................................................................... 31 Lavagem de Filtros .................................................................................... 33 Para Coagulação....................................................................................... 35 Para Fluoretação ....................................................................................... 38 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS.............................................................. 41 2 NOSSA HISTÓRIA A nossa história inicia com a realização do sonho de um grupo de empresários, em atender à crescente demanda de alunos para cursos de Graduação e Pós- Graduação. Com isso foi criado a nossa instituição, como entidade oferecendo serviços educacionais em nível superior. A instituição tem por objetivo formar diplomados nas diferentes áreas de conhecimento, aptos para a inserção em setores profissionais e para a participação no desenvolvimento da sociedade brasileira, e colaborar na sua formação contínua. Além de promover a divulgação de conhecimentos culturais, científicos e técnicos que constituem patrimônio da humanidade e comunicar o saber através do ensino, de publicação ou outras normas de comunicação. A nossa missão é oferecer qualidade em conhecimento e cultura de forma confiável e eficiente para que o aluno tenha oportunidade de construir uma base profissional e ética. Dessa forma, conquistando o espaço de uma das instituições modelo no país na oferta de cursos, primando sempre pela inovação tecnológica, excelência no atendimento e valor do serviço oferecido. 3 TRATAMENTO DE ÁGUA Fonte: https://vereadordino.wordpress.com/2009/07/29/esgoto-cloacal-em-imbe/ Introdução O tratamento de água tem por objetivo condicionar as características da água bruta, isto é, da água como encontrada na natureza, a fim de atender à qualidade necessária a um determinado uso. A água a ser utilizada para o abastecimento público deve ter sua qualidade ajustada de forma a: Atender aos padrões de qualidade exigidos pelo Ministério da Saúde e aceitos internacionalmente; Prevenir o aparecimento de doenças de veiculação hídrica, protegendo a saúde da população; Tornar a água adequada a serviços domésticos; Prevenir o aparecimento da cárie dentária nas crianças, através da fluoretação; Proteger o sistema de abastecimento de água, principalmente tubulações e órgãos acessórios da rede de distribuição, dos efeitos danosos da corrosão e da deposição de partículas no interior das tubulações. O tratamento de água pode ser parcial ou completo, de acordo com a análise prévia de suas características físicas, químicas e biológicas. O tratamento coletivo é efetuado na Estação de Tratamento de Água (ETA), onde passa por diversos processos de depuração. 4 Unidades Constituintes de um Sistema de Abastecimento de Água Um sistemas de abastecimento de água é composto pelas seguintes unidades : 1) Manancial: é a fonte de onde se retira a água; 2) Captação: conjunto de equipamentos e instalações utilizado para a tomada d’água do manancial; 3) Adução: conjunto de condutos destinados ao transporte de água do manancial (água bruta) ou da água tratada; 4) Tratamento: instalações que visam a melhoria das características qualitativas da água captada a fim de que se torne própria para o consumo. É feita na chamada Estação de Tratamento de Água (ETA); 5) Reservação: armazenamento a água para atender a diversos propósitos como a variação de consumo, o fornecimento de água nos casos de interrupção da adução e manutenção da pressão mínima na rede de distribuição; 6) Rede de distribuição: condução da água para os edifícios e demais pontos de consumo, por meio de vias instaladas nas vias públicas; 7) Estações elevatórias ou de recalque ou de bombeamento: instalações de bombeamento destinadas a transportar a água a pontos mais distantes ou mais elevados, ou para aumentar a vazão de linhas adutoras. Qualidade e Potabilidade das Águas A água pura, no sentido rigoroso do termo, na existe na natureza, pois, sendo a água um ótimo solvente, nunca é encontrada em estado de absoluta pureza. A água apresenta uma série de impurezas que imprimem suas características físicas, químicas e biológicas, cuja qualidade depende dessas características. As características da água fornecida ao consumidor, vão influenciar no tipo e no grau de tratamento que a mesma deve sofrer, dependendo este tratamento também, do uso que será feito da água. 5 Como exemplo pode-se citar o fato de que para o uso doméstico a água deve ser desprovida de gosto, porém para resfriamento de caldeiras esta característica não tem importância. Logo, a qualidade e a quantidade da água requeridas em função de seu uso, irão influenciar na escolha do manancial de captação e no processo de tratamento. Deve-se lembrar também o aspecto econômico-financeiro, visto que em muitos casos, a qualidade da água de um manancial pode ser tão crítica que em função do volume de água que se deseja captar, seja inviável economicamente seu tratamento. Padrões de Qualidade das Águas Os requisitos de qualidade de uma água são função de seus usos previstos, conforme mencionado anteriormente. Porém além dos requisitos de qualidade, que traduzem de uma forma generalizada e conceitual a qualidade desejada para a água, há uma necessidade de se estabelecer também padrões de qualidade fixados por dispositivos legais. Existem três tipos de padrão de interesse direto no que se refere à qualidade da água: Padrões de lançamento no corpo receptor e padrões de qualidade do corpo receptor (Resolução n. 20 do CONAMA de 18/06/86); Padrões de qualidade para determinado uso imediato (ex: padrões de potabilidade da Portaria 36/GM de 19/01/1990 e Portaria 1469 de 29/12/2000) Padrões de lançamento no corpo receptor e de qualidade do corpo receptor O real objetivo dos padrões de lançamento no corpo receptor e de qualidade do corpo receptor é a preservação e/ou melhoria das condições de qualidade no corpo d’água, ou seja, manter o mesmo em condições adequadas para que possa ser utilizado de maneira racional e econômica. Em resumo, estes padrões estão ligados a qualidade do corpo d’água receptor enquanto que os padrões de potabilidade estão relacionados com a qualidade da água que é fornecida para consumo. O principal documento legal que define os padrões de lançamento no corpo receptor e de qualidade do mesmo é a Resolução n. 20 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) de 18/06/86. Estaresolução dividiu as águas do território nacional em águas doces, salobras e salinas. 6 Em função dos usos previstos foram criadas 9 classes. As classes relativas à água doce estão divididas em classe Especial, para usos mais nobres, e Classes 1,2,3,4 em ordem decrescente de requisitos de qualidade e de nobreza de uso, conforme a Tabela 1. Para cada classe foram criados padrões de qualidade e de lançamento para o corpo receptor, ou seja, um corpo receptor de acordo com a classe a qual pertence apresenta limites máximos para as impurezas nele contidas bem como para as impurezas dos efluentes ou resíduos nele lançados, conforme o exemplo da Tabela 2 a seguir. Em princípio, um efluente deve satisfazer, tanto ao padrão de lançamento, quanto ao padrão de qualidade do corpo receptor seguindo a sua classe. No entanto, o padrão de lançamento pode ser excedido, com permissão do órgão ambiental, caso os padrões de qualidade do corpo receptor sejam resguardados, como demonstrado por estudos de impacto ambiental. Tabela 1 - Classificação das águas doces em função dos usos preponderantes (Resolução CONAMA n. 20, 18/06/86) Tabela 2 - Padrões de qualidade e de lançamento para os corpos d’água (água doce) (alguns valores de acordo com a Resolução CONAMA n. 20/86) 7 PADRÕES DE POTABILIDADE São as quantidades limites que, com relação aos diversos elementos, podem ser toleradas nas águas de abastecimento ou também “o conjunto de valores máximos permissíveis, das características das águas destinadas ao consumo humano.” Os padrões de potabilidade são fixados, em geral, por decretos, regulamentos ou especificações. São definidos no Brasil pelo Ministério da Saúde, através da recente Portaria 1469 de 29 de Dezembro de 2000. Essa portaria estabelece os procedimentos e responsabilidades relativos ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade, substituindo a antiga portaria 36/90. Definições Importantes da Portaria 1469 de 29 Dezembro de 2000 Água Potável – água para consumo humano cujos parâmetros microbiológicos, físicos, químicos e radioativos atendam a padrão de potabilidade e que não ofereça risco a saúde. Controle da qualidade da água para consumo humano – conjunto de atividades, exercidas de forma contínua pelos responsáveis pela operação de sistema ou solução alternativa de abastecimento de água, destinadas a verificar se a água fornecida à população é potável, assegurando a manutenção desta condição. Vigilância da qualidade da água para consumo humano – conjunto de ações adotadas continuamente pela autoridade de saúde pública para verificar se a água 8 consumida pela população atende à Norma de Qualidade da Água e para avaliar os riscos que os sistemas e as soluções alternativas de abastecimento de água representam para a saúde humana. A seguir são apresentados alguns padrões de potabilidade relativo aos aspectos físicos, organolépticos (percebidas pelos sentidos humanos), químicos e biológicos. Tabela 3 - Padrão de potabilidade da água para consumo humano (alguns valores de acordo com a Portaria 1469 de 29/12/2000 do Ministério da Saúde) Para substâncias químicas, a nova portaria estabelece também o teste para verificação das Cianotoxinas produzidas pelas Cianobactérias (ALGAS AZUIS): CIANOBACTÉRIAS: microorganismos também denominados como cianofíceas (ALGAS AZUIS), capazes de ocorrer em qualquer manancial superficial 9 especialmente naqueles com elevados níveis de nutrientes (nitrogênio e fósforo), podendo produzir toxinas com efeitos adversos à saúde; CIANOTOXINAS: toxinas produzidas por Cianobactérias que apresentam efeitos adversos por ingestão oral, incluindo a microcistina. Valor Máximo Permitido: 1,0 G/ L de Microcistina. Parâmetros Usuais de Controle da Água Os parâmetros mais usuais, que permitem inferir a qualidade da água, bem como seus significados, são os seguintes: Cor: Responsável pela coloração da água; Originada pela existência de substâncias dissolvidas, que na grande maioria dos casos, são de natureza orgânica (folhas e matéria turfosa); Unidade de medida : uH (Unidade Hazen – escala de platina-cobalto); De origem natural não provoca risco à saúde, porém de origem industrial pode apresentar toxicidade. Deve-se distinguir a cor aparente da cor real. A cor aparente corresponde à aquela apresentada pela água devido também a presença de turbidez, ou seja, devido também as partículas em suspensão. A cor real é aquela produzida somente pelas partículas em dissolvidas. Por isto, é importante indagar se o teor de cor traduzido no laudo de análise refere-se à cor aparente ou real. Turbidez: Representa o grau de interferência com a passagem da luz através da água, conferindo uma aparência turva à mesma; Originada principalmente devido a existência de sólidos em suspensão e de organismos microscópicos; Unidades de medidas : uT (Unidade de Turbidez ), Unidade Jackson, e Unidade Nefelométrica de Turbidez (UNT) Pode estar associada a compostos tóxicos e organismos patogênicos. Sabor e odor: São consideradas em conjunto, pois o sabor é a interação entre o gosto (salgado, doce, azedo e amargo) e o odor (sensação olfativa); Originado por sólidos em suspensão, sólidos dissolvidos e gases dissolvidos; É difícil a adoção de medidas de odor e sabor. As águas quanto ao sabor e odor devem ser inobjetáveis, ou seja, deve haver ausência de sabor e odor; Não representa risco à saúde, porém questiona-se a confiabilidade da água. 10 pH: Indica o potencial de íons hidrogênio H+ . A faixa de pH vai de 0 a 14. Indica a condição de acidez, neutralidade ou alcalinidade da água. pH baixo : corrosividade e agressividade nas águas de abastecimento; pH alto : possibilidade de incrustações nas águas de abastecimento; O padrão de potabilidade estabelece a faixa de 6,5 a 8,5 para o pH. A nova portaria de potabilidade estabelece que, no sistema de distribuição, o pH da água seja mantido entre 6,0 e 9,5. Alcalinidade: É uma medição da capacidade da água de neutralizar os ácidos; É devida a presença de bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos, quase sempre alcalinos ou alcalinos terrosos (sódio, potássio, cálcio, magnésio, etc). A distribuição entre as três formas na água é função do pH. Não tem significado sanitário para a água potável, mas em elevadas concentrações confere um gosto amargo para a água; Causado pela dissolução de rochas minerais, reação do CO2 com a água e efluentes industriais; Unidade : mg/l de CaCO3; Acidez ou Agressividade: Característica causada principalmente pela presença em solução, de oxigênio, gás carbônico e gás sulfídrico; Responsável pela corrosão de tubulações e materiais; Unidade : mg/l de CaCO3. Dureza: Característica conferida á água pela presença de sais alcalinos- terrosos (cálcio, magnésio, etc.) e alguns metais de menor intensidade; É caracterizada pela extinção da espuma formada pelo sabão, o que dificulta o banho e a lavagem de utensílios domésticos e roupas, criando problemas higiênicos; Originado pela dissolução de rochas minerais (calcáreas, gipsita e dolomita) e efluentes industriais; As águas duras, principalmente em temperaturas elevadas, podem incrustar as tubulações, devido as precipitação de cátion Ca2+ e Mg2+ que reagem com os ânions na água, formando os precipitados; Unidade : mg/l de CaCO3. Ferro e Manganês: Na ausência de oxigênio dissolvido (ex : água subterrânea) o ferro e o manganês se apresentam na forma solúvel (Fe2+ e Mn2+). Quando expostas ao ar atmosférico o ferro e o manganês voltam a se oxidar às suas formas insolúveis (Fe3+ e Mn4+), o que pode causar cor na água, além de manchar roupas durante a lavagem; Pouco significado sanitário, possível coloração, sabor e odor; Usualmente encontrado nas águas naturais; Iodo e Flúor: São substânciasque presentes na água dentro de determinados limites de concentração, apresentam benefícios para a saúde humana; Os iodetos 11 são necessária para a prevenção do bócio endêmico; Os fluoretos são necessários para a prevenção da cárie dentária, porém em concentração excessiva podem causar a fluorose dental das crianças; No Brasil, a fluoretação da água em tratamento de água é obrigatória, de acordo com a Lei Federal n. 6050, de 1974. Unidade : mg/l. Cloro residual: O cloro é adicionado a água em tratamento com a finalidade primordial de desinfetá-la, isto é, matar os microorganismos patogênicos que eventualmente escapem dos processos anteriores da estação de tratamento de água. Ao se clorar a água com a finalidade de desinfetá-la, normalmente adicionase um excesso de cloro, responsável pelo surgimento do denominado cloro residual. Esse cloro garante à água distribuída um desejável efeito residual. A Portaria 1469 de 29/12/2000 do Ministério da Saúde recomenda que o teor máximo de cloro residual livre, em qualquer ponto do sistema de abastecimento, seja de 2,0 mg/l. Oxigênio Dissolvido: O oxigênio dissolvido (OD) é de essencial importância para os organismos aeróbios (que vivem na presença de oxigênio). Durante a estabilização da matéria orgânica, as bactérias fazem uso do oxigênio nos seus processos respiratórios, podendo vir a causar uma redução da sua concentração no meio. Dependendo da magnitude deste fenômeno, podem vir a morrer diversos seres aquáticos, inclusive os peixes. Caso o oxigênio seja totalmente consumido, tem-se as condições anaeróbias (ausência de oxigênio), com geração de maus odores; O oxigênio dissolvido é o principal parâmetro de caracterização dos efeitos da poluição das águas por despejos de matéria orgânica; Unidade : mg/l Micropoluentes inorgânicos: Uma grande parte dos micropoluentes inorgânicos são tóxicos, entre eles os metais pesados como o arsênio, cádmio, cromo, chumbo, mercúrio e prata; Geralmente constituem o produto de lançamentos industriais poluidores ou de atividades humanas (garimpo por exemplo, no caso do mercúrio); Unidade : ìg/l ou mg/l. Coliformes Totais e Fecais : De um modo geral, as análises bacteriológicas visam à determinação da presença de bactérias denominadas coliformes. Tais bactérias vivem no trato 12 intestinal de animais de sangue quente, entre eles o homem, mas existem algumas espécies de vida livre, isto é, que podem viver no solo. Daí o fato de se efetuar análises para a determinação de coliformes totais e fecais. A determinação da potencialidade de uma água transmitir doenças pode ser efetuada de forma indireta, através dos organismos indicadores de contaminação fecal, pertencentes ao grupo de coliformes. Tais organismos não são patogênicos, mas dão uma satisfatória indicação de quando uma água apresenta contaminação por fezes humanas ou de animais, e por conseguinte, a sua potencialidade para transmitir doenças, visto que podem veicular agentes patogênicos. A maioria das bactérias do grupo coliforme pertence aos gêneros Escherichia, Citrobacter, Klebsiella e Enterobacter, embora vários outros gêneros e espécies pertençam ao grupo. As seguintes razões principais explicam o emprego do grupo coliforme como indicador de contaminação fecal : Apresentam-se em grande quantidade nas fezes humanas. Cerca de 1/3 a 1/5 do peso das fezes humanas é constituído por bactérias do grupo coliforme; sangue quente, fato este essencial, pois se existissem também nos intestinos de animais de sangue frio deixariam de ser bons indicadores de poluição; Os coliformes apresentam resistência aproximadamente similar à maioria das bactérias patogênicas intestinais, característica importante pois não seriam bons indicadores de contaminação fecal se morressem mais rapidamente que o agente patogênico. A determinação do indicador de coliformes se faz por técnica bem estabelecida, que o expressa em número mais provável (NMP) de coliformes por 100 ml de amostra de água (técnica dos tubos múltiplos). Modernamente passou-se para a técnica das membranas filtrantes, em que a amostra é filtrada, a vácuo, numa membrana contendo o meio de cultura apropriado, e na qual desenvolver-se-ão as colônias de organismos coliformes, cuja contagem permitirá determinar o número desses organismos. 13 Além do indicador de contaminação fecal, são realizados exames hidrobiológicos para determinação de microorganismos como algas, bactérias, protozoários, vermes, larvas de inseto e etc. Denominação das águas em função das impurezas De acordo com a presença de certas impurezas nas águas, ou seja, em função da presença de determinados microorganismos e de substâncias em suspensão, em solução e em estado coloidal, a água recebe certas designações conforme a seguir: Dura ou salobre: é a água que possui teor acentuado de certos sais que a tornam desagradável para a bebida, inconveniente para a limpeza corporal e lavagem de roupas e imprópria para o cozimento de legumes. Os sais causadores da dureza são geralmente os bicarbonatos, sulfatos, cloretos e nitratos de cálcio e magnésio. Possui um sabor característico; Salgada ou salina: é a água que, além de sais causadores de dureza, possui elevado teor de cloreto de sódio, como a água do mar; Mineral: é a água que provém do interior da crosta terrestre, contendo substâncias em solução que lhe dão valor terapêutico, tais como cloretos, brometos, iodetos, sulfatos e os sais neutros de magnésio, potássio e sódio; Termal: é a água mineral originada de camadas profundas da crosta terrestre e que atinge a superfície com temperatura elevada; Radiativa: é toda água mineral ou termal possuidora naturalmente de radioatividade; Doce : á a água de gosto agradável e que, por exclusão, não é dura, salgada, mineral, termal ou radiativa; Poluída : é toda água de características alteradas devido à presença indesejável de substâncias estranhas e/ou pequenos organismos que a tornam imprópria para consumo; Contaminada : é a água poluída por germes patogênicos; Colorida : água que deixa de ser límpida devido à presença de substâncias geralmente dissolvidas ou em estado coloidal. A cor da água normalmente é 14 produzida por substâncias orgânicas, como os corantes vegetais (ex: boa parte dos rios da Amazônia); Turva : é a água que não é límpida em decorrência, sobretudo, da presença de substâncias em suspensão. A turbidez é geralmente causada pela areia, silte e argilas (partículas em suspensão e coloidais); Ácida: toda água que possui teor acentuado de gás carbônico ou ácidos minerais. Seu pH (potencial de hidrogênio) é inferior a 7. É denominada de agressiva ou corrosiva por ser capaz de provocar a corrosão de metais; Alcalina: é a água que contém quantidade elevada de bicarbonatos de cálcio e magnésio ou carbonatos ou hidróxidos de sódio, potássio, cálcio e magnésio. Seu pH é superior a 7. Toda água dura é alcalina porém a reciproca não é verdadeira; Bruta: é o termo empregado para caracterizar á água antes de sofrer qualquer tipo de tratamento; Tratada: é a água que foi submetida a um ou mais processos de remoção de impurezas e/ou de correção de impropriedades; Potável: é a água inofensiva à saúde, agradável aos sentidos e adequada aos usos domésticos (água própria para o consumo humano). Fases de Tratamento numa ETA Convencional A principal Norma de Referência para as unidades constituintes de uma Estação de Tratamento de Água é a NBR 12216 / 92 (NB-592) da ABNT. De um modo geral, o tratamento da água em uma ETA convencional, passa pelas seguintes fases, que serão detalhadas mais adiante: Mistura Rápida e Coagulação; Floculação; Decantação; Filtração; Desinfecção. 15 Além destas fases principais, tem-se ainda a Fluoretação e a Correção de pH, que fazem parte do Tratamento Químico daÁgua, assim como a Desinfecção. O preparo para dosagem e aplicação dos produtos químicos é realizado no que se denomina de Casa de Química de uma estação de tratamento. A Fluoretação deve, também, ser realizada sempre. Isto porque, além de ser a maneira mais segura de garantir grande redução na incidência da cárie dentária em crianças de idade escolar, a fluoretação das águas é determinada por lei federal. A Correção de pH da água tratada, também algumas vezes esquecida, deve ser sempre realizada, com o objetivo de reduzir a agressividade ou incrustabilidade do produto final. Protege, dessa forma, as redes distribuidoras e as instalações hidráulicas prediais. Mistura Rápida e Floculação Mistura Rápida é a operação destinada a dispersar produtos químicos na água a ser tratada, em particular no processo de coagulação, ou seja, tem por finalidade promover a dispersão homogênea do coagulante na massa fluida, e pode ser realizada por: Ressaltos Hidráulicos de canal retangular com mudança de declividade (CALHA PARSHALL); Mecanizada: por agitadores do tipo hélices, palhetas e turbinas de fluxo axial ou radial; Vertedores retangulares ou triangulares. A Floculação, que tem por finalidade a formação dos flocos mediante a introdução de energia na massa fluida (agitação) capaz de favorecer o contato entre os colóides desestabilizados na coagulação, também pode ser: Mecânica: através de paletas paralelas ou perpendiculares ao eixo ou turbinas; Hidráulica: através de floculadores de chicanas horizontais ou verticais. Os principais parâmetros para dimensionamento de Câmaras ou Unidades de Mistura Rápida e de Floculadores são o Gradiente de Velocidade (G) e o Tempo de Detenção ou de Mistura (T), que serão explicados a seguir : 16 Gradiente de Velocidade (G) : é a diferença dV entre as velocidades V1 e V2 de duas partículas P1 e P2, distanciadas por dy, segundo uma perpendicular à direção do escoamento do líquido. Tem o mesmo valor para qualquer sistema de unidades (s -1). Exprime o grau de agitação entre as partículas necessárias para cada fase do tratamento. Tempo de Mistura ou Detenção (T): tempo que uma partícula da massa fluida permanece dentro da câmara de mistura rápida ou dentro dos floculadores, ou seja, intervalo de tempo entre a entrada e a saída de uma partícula da massa fluida nestas fases do tratamento. Recomendações da Norma NBR 12.216/92 (NB-592/89) Não sendo possível a realização de ensaios com a água a ser tratada, a NBR 12.216/92 recomenda para G e T, os seguintes valores : Para Misturas Rápidas: G entre 700 e 1.100 s-1 Tempo de Mistura (T) de 1 s (no Máximo 5 s). Para Floculadores: G entre 70 s-1 (primeiro compartimento) e 10 s-1 (último compartimento). Floculadores Hidráulicos: Tempo de detenção total (T) entre 20 e 30 min. Floculadores Mecânicos: Tempo de detenção total (T) entre 30 e 40 min. 17 A norma ainda recomenda que deve ser previsto dispositivo que possa alterar o gradiente de velocidade aplicado, ajustando-o às características da água e permitindo variar de pelo menos 20 % a mais e a menos do fixado para o compartimento. Misturador Mecânico Fórmula Geral do Gradiente de Velocidade (G) para Misturadores Mecânicos: Um dispositivo de mistura rápida, instalado em uma estação de tratamento de água que trata uma vazão de 100 l/s, permite conter 500 litros de água e é equipado com um misturador mecanizado que dissipa, na água contida em seu interior, a potência de 0,5 KW. Qual o valor do gradiente de velocidade (G) correspondente? Atende aos valores preconizados por norma? Misturador Hidráulico – Calha PARSHALL O dispositivo hidráulico mais utilizado no Brasil, para promoção da mistura rápida é a Calha PARSHALL. Hidraulicamente o medidor PARSHALL é definido como um medidor de vazão de regime crítico. A largura da garganta W do medidor é a grandeza que o define. A lâmina d’água a montante do Parshall é alta, e em conseqüência, a velocidade média de escoamento é baixa e o regime de escoamento é subcrítico. 18 A jusante da garganta a lâmina d’água é baixa, e em conseqüência, a velocidade média de escoamento é alta e o regime de escoamento é supercrítico. Para que efetuar a mistura rápida com mais eficiência o floculante deve ser aplicado na garganta do medidor (figura a seguir), isto porque, sendo o local o de seção mais estreita, e sendo aí a lâmina d’água bastante pequena, é possível fazer com que o floculante aplicado nesse local se disperse em praticamente todo o volume de água em tratamento que a atravessa. Para isso deve-se assegurar um ressalto hidráulico diretamente a jusante da garganta, de preferência no trecho divergente do Parshall. A tabela a seguir apresenta as vazões em função da altura (h) lida nos medidores, em função de suas dimensões (W) : 19 Gradientes de Velocidade e Tempos de Detenção em Medidores Parshall : 20 A partir destes ábacos podem ser extraídas fórmulas, conforme a seguir, somente válida para valores de W menores ou iguais a 0,30 m. Com relação ao tempo de detenção, verifica-se que ele é muito pequeno, freqüentemente inferior a 1 segundo. Assim sendo, não é necessário preocuparse com esse parâmetro, pois os medidores Parshall atendem à NBR 12.216/92. Exemplo de Cálculo : Calcule o Gradiente de Velocidade para um Medidor Parshall de W = 1’ (30,5 cm) e altura medida (h) de 15 cm no ponto de medição de vazão. 21 Floculadores Hidráulicos Constituem o tipo mais numeroso de floculadores especialmente no caso de pequenas e médias estações de tratamento de água. Antes o cálculo era feito por intermédio de velocidades máximas e mínimas, porém hoje o dimensionamento é feito através do cálculo dos gradientes de velocidade e dos tempos de detenção em seus diversos compartimentos de acordo com a NBR 12.216/92. Nestas câmaras a turbulência da água é obtida as custas de perda de carga acentuada, o que pode ser constatado pela diferença de cotas entre o nível d’água de montante e de jusante. O tipo mais empregado no Brasil é o FLOCULADOR DE CHICANAS que podem ser HORIZONTAIS ou VERTICAIS. O floculador de chicanas verticais é mais comum em estações de pequena capacidade. O floculador de chicanas. 22 Recomendações da norma NBR 12.216/92 para floculadores hidráulicos do tipo chicanas : Velocidade dentro dos canais : mínima de 0,10 m/s (para evitar decantação dos flocos no floculador) e máxima de 0,30 m/s (para evitar a quebra dos flocos formados). Espaçamento mínimo entre chicanas deve ser de 0,60 m, caso não seja dotado de dispositivo de fácil remoção (na prática adotam-se espaçamentos menores do que este pois os dispositivos são removíveis para limpeza e variação do gradiente hidráulico). O espaçamento entre a extremidade da chicana e a parede do canal, ou seja a passagem livre entre 2 chicanas consecutivas, deve ser igual a 1,5 vezes o espaçamento entre as chicanas. Isto vale analogamente para os dois tipo de chicanas, conforme figura a seguir : 23 N= coeficiente que depende da rugosidade das paredes do canal (Fórmula Manning) 24 Decantação De um modo geral, dois tipos de decantadores são utilizados no Brasil para tratamento de água: os decantadores clássicos e os decantadores tubulares. 25 Decantador Clássico O tipo mais utilizado é o de seção retangular, em planta, conforme figura anterior. Entretanto algumas estações de tratamento de água possuem decantadores de seção circular, também em planta. Embora menos utilizado, este último tipo permite, em determinadas situações, que se crie um manto de lodo em seu interior, capaz de melhorar muito a qualidade da água decantada. São dotados na zona de entrada de uma cortina distribuidora (parede perfurada), que tem por objetivo uniformizaro fluxo da água em tratamento que entra no decantador. O principal fator para o adequado desempenho dos decantadores clássicos é a Taxa de Escoamento Superficial (Tes), dada pela fórmula: Se a taxa de escoamento superficial for inferior à velocidade de sedimentação dos flocos que se deseja remover, então ele terá desempenho satisfatório. De acordo com a NBR 12.216/92, a taxa limite de escoamento superficial depende da capacidade da estação de tratamento de água, conforme a tabela a seguir : Para assegurar o adequado desempenho do decantador, não é suficiente observar apenas a taxa de escoamento superficial, mas também a velocidade de 26 escoamento horizontal em seu interior, para evitar que sejam arrastados os flocos sedimentados. A velocidade máxima de escoamento horizontal segundo a NBR 12.216/92 não deve ser superior aos valor resultante das expressões : Outro detalhe fixado pela norma diz respeito a vazão máxima das calhas coletoras de água decantada, que não deve ser superior a 1,8 l/s por metro de borda vertente. Decantador Tubular Nos decantadores tubulares, a água floculada é introduzida sob (por baixo) das placas. Ao escoar entre elas, ocorre a sedimentação dos flocos. A água decantada sai pela parte de cima do decantador, após haver escoado entre as placas paralelas, e é coletada por calhas coletoras. Em algumas situações, em que se faz necessário ampliar a capacidade de tratamento de ETAs, cujos decantadores são clássicos, e em que não há interesse, ou possibilidade, de se construir novos decantadores desse tipo, eles podem ser convertidos para decantadores tubulares. Com isto é possível, muitas vezes, dobrar a vazão tratada pelo decantador, ou até mesmo mais do que isto. O adequado funcionamento dos módulos tubulares depende, entre outros fatores: Do ângulo de inclinação dos módulos em relação à horizontal. Embora, do ponto de vista teórico, o melhor ângulo seja o de 2 graus e 54 minutos, do ponto de vista prático ele não funciona, pois seria difícil efetuar a limpeza dos flocos que ficariam retidos em seu interior. Por este motivo, utiliza-se um ângulo superior a 50 graus (quase sempre 60 graus, por facilidades construtivas). 27 Com esse ângulo, a maioria dos flocos sedimentados consegue, por seu peso próprio, despregar-se das placas e cair para o poço de lodo, localizado no fundo do decantador. Da combinação dos fatores da velocidade de escoamento, do espaçamento entre os dutos ou placas e do comprimento dos dutos. Filtração Filtração pode ser definida como a passagem da água por um leito de material granular, através do qual ocorre a separação das partículas presentes na água. Os filtros são classificados, de acordo com a velocidade de filtração e de acordo com o sentido do fluxo da água que passam por eles. Classificação dos Filtros Filtração de Fluxo Descendente : de baixa taxa de filtração (filtros lentos); de alta taxa de filtração (filtros rápidos) : de camada simples (areia); de camadas múltiplas : dupla (areia e antracito) ou mais. Filtração de Fluxo Ascendente (sempre com camada simples): de baixa taxa de filtração (filtros lentos ascendentes); de alta taxa de filtração (filtros rápidos ascendentes ou filtros russos). 28 Leito Filtrante É onde ocorre a filtração propriamente dita da água em tratamento Materiais Empregados: Filtro Lento: areia; Filtro Rápido: antracito e areia (estratificada : os grãos maiores ficam em baixo, logo o tamanho dos grãos vai decrescendo de baixo para cima no interior do leito filtrante). Areia: pode ser obtida em rios ou lagos, devendo ser limpa, sem barro ou matéria orgânica. A norma NBR 12216/92 fixa as condições e características granulométricas para as areias como leito filtrante : Areia para Filtros Lentos: Tamanho efetivo de 0,25 a 0,35 mm / Coeficiente de Uniformidade menor que 3,0 / Espessura Mínima da Camada de 0,90 m; Areia para Filtros Rápidos de Fluxo Descendente de Camada Simples: Tamanho efetivo de 0,45 a 0,55 mm / Coeficiente de Uniformidade entre 1,4 e 1,6 / Espessura Mínima da Camada de 0,45 m; Areia para Filtros Rápidos de Fluxo Descendente de Camada Dupla: Tamanho efetivo de 0,45 a 0,45 mm / Coeficiente de Uniformidade entre 1,4 e 1,6 / Espessura Mínima da Camada de 0,25 m; 29 Areia para Filtros Rápidos de Fluxo Ascendente : Tamanho efetivo de 0,70 a 0,80 mm / Coeficiente de Uniformidade menor ou igual a 2,0 / Espessura Mínima da Camada de 2,00 m; Antracito: é um carvão mineral de cor negra. Sua massa específica e da oredem de 1,4 a 1,6 g/cm3, isto é inferior à da areia. Isto faz com que ele possa ser utilizado em filtros rápidos de camada dupla sobre a areia, sem se misturar com ela. Sendo o antracito mais leve e sendo a granulometria da areia e do antracito adequadamente especificados, todas as vezes que o filtro for lavado, o antracito subirá mais do que a areia. pode ser obtida em rios ou lagos, devendo ser limpa, sem barro ou matéria orgânica. Terminada a lavagem a areia ficará por baixo e o antracito por cima. Camada Suporte Localizada abaixo do leito filtrante sendo normalmente constituída de seixos rolados ou pedras, colocadas em camadas sucessivas umas sobre as outras, de forma a possibilitar a transição entre o tamanho dos grãos do leito filtrante e o tamanho dos orifícios fundo falso do filtro por onde a água filtrada passa. Taxas de Filtração Corresponde a Vazão Diária Filtrada por Área de Filtro (em planta) expressa normalmente em m 3 /m2 .dia. As disposições da Norma NBR 12216/92 são: Filtros Lentos - A taxa de filtração pode ser determinada por experiências em filtros pilotos, em períodos superiores ao necessário para ocorrência de todas as variações de qualidade da água. Não sendo possível realizar essas experiências a taxa de filtração não deve ser superior a 6 m3 /m2 .dia. Os filtros lentos pela baixa taxa de filtração necessitam de grandes áreas para tratamento de grandes vazões. Nestes filtros ocorre a ação biológica, feita através de uma camada gelatinosa (Schumtzdecke) formada pelo desenvolvimento de certas variedades de bactérias, que envolvem os grãos de areia na superfície do leito, que por adsorção retém microorganismos e partículas finamente divididas. Logo os filtros lentos possuem excelentes índices de remoção de microorganismos patogênicos. Filtros Rápidos 30 Não sendo possível proceder a experiências piloto as taxas máximas recomendadas são as seguintes : filtros com camada simples - 180 m3 /m2 .dia; filtros com camada dupla - 360 m3 /m2 .dia. A taxa máxima em filtros de fluxo ascendente é de 120 m3 /m2 .dia. Alguns estudos dizem que pode chegar à 300 m3 /m2 .dia. Exemplo : Uma estação de tratamento de água tem 4 filtros rápidos, de leito filtrante simples de areia, com as seguintes dimensões em planta : Comprimento de 2,50 m e Largura de 1,00 m. Deseja-se ampliar sua capacidade que passará para 40 l/s. Se os leitos filtrantes alterados para o tipo camada dupla com areia e antracito, os filtros assim reformados terão condições de suportar a nova vazão ? 31 Lavagem de Filtros Há duas condições para se determinar a hora da lavagem de um filtro, existindo também, dois critérios para a escolha do filtro a ser lavado : Quando o nível d’água atingir um certo limite (aumento da perda de carga do leito filtrante ), lava-se o filtro que estiver operando a mais tempo; Se houver controle de turbidez no efluente de cada filtro, lava-se o filtro que apresenta pior resultado. Os filtros rápidos são lavados a contracorrente (por inversão de fluxo) com uma vazão capaz de assegurar uma expansão adequada do meio filtrante. Na prática consideram expansões entre 25 e 50 % como satisfatórias, sendo 40 % um valor comum. A lavagem pode ser realizada através de um reservatório ou comauxílio de bombas que garantam a velocidade ascencional de lavagem para expansão do leito filtrante, conforme a seguir: 32 Ainda existem os Sistemas de Lavagem Auxiliares que melhoram o desempenho da operação de lavagem do filtro, permitindo entre outros benefícios, economizar água gasta na operação de lavagem. Atuam na superfície e interior do leito filtrante a ser expandido, conforme figura a seguir. O segundo caso apresentado se aplica mais à pequenos filtros. 33 Tratamento Químico da Água Para Coagulação As partículas que desejamos remover da água em tratamento apresentam cargas elétricas negativas. Quando neutralizamos as partículas, através da correta adição de floculante, praticamente zeramos seu potencial zeta. A determinação da dosagem correta do floculante é feita através da realização de ensaios de jarros - Jar Test. Existem basicamente duas formas de desestabilizar as partículas presentes na água bruta, sob forma de suspensão ou solução coloidal : a desestabilização por adsorção e a desestabilização por varredura. Na desestabilização por adsorção - que ocorre em faixas estreitas do pH da água floculada e na qual, como sabemos, é importante misturar energicamente o floculante à água bruta e efetuar essa mistura em tempo muito curto – as partículas presentes na água bruta adsorvem, em suas superfícies, íons metálicos, de carga positiva, capazes de neutralizá-las. Na desestabilização por varredura, a desestabilização das partículas é feita pelo hidróxido metálico, que é o composto que se forma quando adicionamos o floculante à água bruta. Este composto forma pequenas partículas, sob forma de gel, que chocam-se com as partículas que desejamos remover da água em tratamento, 34 e as adsorvem. O produto químico mais empregado na coagulação é o Sulfato de Alumínio - Al2(SO4)3. Além deste, podem ser empregados : Sulfato Ferroso; Sulfato Férrico; Cloreto Férrico; Aluminato de Sódio. Existem ainda os produtos auxiliares da coagulação, tais como : Bentonita; Carbonato de cálcio; Silicato de sódio; Produtos orgânicos denominados Polieletrólitos; e Gás carbônico. O sulfato de alumínio quase sempre é fornecido sob a forma sólida (pequenos grãos em sacas de 50 kg), entretanto pode também ser fornecido sob a forma líquida. O preparo da solução de sulfato de alumínio é realizado no interior de tanques apropriados, adequadamente revestidos (de forma a resistirem à agressividade da solução preparada), usualmente com concentrações entre 2 % e 10 %. Para Ajustagem de pH e Abrandamento: O produto químico mais empregado na ajustagem de pH e no abrandamento (redução da agressividade da água) é a Cal Hidratada. Além deste, podem ser empregados : Carbonato de cálcio; Carbonato de sódio (soda ou barrilha); Hidróxido de sódio (soda cáustica); Gás carbônico; Ácido clorídrico; e Ácido sulfúrico. A Cal Hidratada - Ca(OH)2 - é o mais popular dos alcalinizantes utilizados nas estações de tratamento de água. É fornecida sob a forma de pó, em sacas contendo 20 kg do produto ou em containers plásticos de 300 kg ou 1500 kg. Porém, nas instalações de maior porte, a cal hidratada pode ser armazenada em silos. As sacas de cal devem ser estocadas sobre estrados de madeira para evitar que o contato com a umidade “empedre” o produto. A altura máxima da pilha de sacas deve ser de 1,80 m, no caso de armazenagem manual. A dosagem da cal hidratada pode ser por via seca ou úmida. No caso de preparo por via úmida, normalmente prepara-se o denominado “leite de cal”, que é a suspensão do produto, em concentrações variando entre 2 % e 10 %. 35 Para Correção da Dureza A dureza da água é devida à presença de sais de cálcio e magnésio sob forma de carbonatos, bicarbonatos e sulfatos. Para a remoção de dureza da água, usam- se os processos da cal-solda, dos zeólitos e mais recentemente a osmose inversa. Os zeólitos têm a propriedade de trocar o sódio, que entra na sua composição, pelo cálcio ou magnésio dos sais presentes na água, acabando, assim com a dureza da mesma. Com a continuação do tratamento, os zeólitos esgotam sua capacidade de remoção de dureza. Quando os zeólitos estiverem saturados, sua recuperação é feita com sal de cozinha (cloreto de sódio). A instalação da remoção de dureza é similar à de um filtro rápido de pressão (filtro rápido encerrado em um recipiente de aço, onde a água entra e sai sob pressão). A osmose é um fenômeno natural físico-químico. Quando duas soluções, com diferentes concentrações, são colocadas em um mesmo recipiente separado por uma membrana semi-permeável, onde ocorre naturalmente a passagem do solvente da solução mais diluída para a solução mais concentrada, até que se encontre o equilíbrio. Neste ponto a coluna de solução mais concentrada estará acima da coluna da solução mais diluída. A esta diferença entre colunas de solução se denomina Pressão Osmótica. A Osmose Inversa é obtida através da aplicação mecânica de uma pressão superior à Pressão Osmótica do lado da solução mais concentrada. Para Fluoretação A fluoretação das águas como forma de prevenção da cárie é obrigatória no Brasil, de acordo com a Lei Federal n. 6050, de 24 de maio de 1974, que foi posteriormente regulamentada pelo Decreto Federal n. 76.872, de 22 de dezembro 36 de 1975. O composto de flúor é aplicado a meio caminho entre a entrada e a saída do tanque de contato após a introdução do desinfetante. Os principais produtos empregados na fluoretação das águas são: o Fluorsilicato de Sódio, o Ácido Fluorsilícico e o Fluoreto de Sódio (Fluorita). Destes, o Fluorsilicato de Sódio é o mais empregado, sendo um produto fornecido sob a forma sólida, de baixa solubilidade em água. Corresponde a um pó branco, muito fino, que é fornecido embalado em sacas plásticas de 50 kg. As sacas do produto devem ser estocadas sobre estrados de madeira para evitar que o contato com a umidade “empedre” o produto. A altura máxima da pilha de sacas deve ser de 1,80 m. A dosagem do produto pode ser por via seca ou úmida. Para Desinfecção Grande parte dos microorganismos patogênicos, especialmente vírus e bactérias, que, porventura, estejam presentes na água bruta, é atraída pelos flocos. Por este motivo, quase todos eles são removidos da água em tratamento na decantação e na filtração. Entretanto alguns deles podem ainda estar presentes na água filtrada, logo, é necessário realizar a desinfecção. Os principais produtos empregados na desinfecção são : Cloro; Hipoclorito de Sódio; Hipoclorito de Cálcio; Dióxido de cloro; ß Amônia anidra; Hidróxido de amônia; Sulfato de amônia; e Ozona Destes, os mais empregados são o cloro gasoso, o hipoclorito de sódio e o hipoclorito de cálcio. O cloro e seus derivados, possuem uma vantagem interessante que é o denominado efeito residual. Dessa forma, se a água tratada vier a contaminar-se no sistema distribuidor (redes e reservatórios), ou mesmo na instalação predial, o teor adicional de cloro presente na água tratada assegurará a destruição dos organismos patogênicos. O cloro gasoso (mais empregado nas grandes e médias estações), é um gás amarelo-esverdeado, tóxico, de odor irritante e sufocante. Sozinho o mesmo não é corrosivo, porém ao entrar em contato com a água forma os ácidos clorídrico e hipocloroso, tornando-se então muito corrosivo para todos os metais comuns. Ele é embalado em cilindros de aço sob alta pressão, com capacidades para conter 45 kg 37 (conhecido pelos operadores como “cilindro de 50 kg”), 70 kg e 900 kg (conhecido como “cilindro de 1 tonelada”). A armazenagem dos cilindros deve ser feita em local separado das demais unidades da casa de química, abrigados do calor e da incidência dos raios solares, em local ventilado e livres da ação da umidade. Para que a desinfecção seja eficiente, a água deve permanecerem contato com o cloro durante algum tempo. Esse tempo de contato entre o cloro e a água filtrada é conseguido fazendo permanecer a água em tratamento no interior de um tanque, por isto denominado de tanque de contato. O tempo que a água deve ficar em contato com o cloro depende de diversos fatores, entre os quais, são muito importantes : a forma química em que o cloro estiver presente na água e o pH da água. De um modo geral, nas ETAs brasileiras, o cloro desinfetante está sob a forma de ácido hipocloroso e íon hipoclorito. O ácido hipocloroso é mais eficiente que o íon hipoclorito como agente bactericida. Em determinadas condições, o íon hipoclorito é apenas cerca de 2 % tão bactericida quanto o ácido hipocloroso. Quanto mais baixo o pH, maior a concentração de ácido hipocloroso, que desinfeta melhor que o íon hipoclorito. Por este motivo, é melhor deixar corrigir o pH da água tratada a jusante do tanque de contato, após a desinfecção. O cloro residual pode estar presente sob duas formas : livre e combinado. O cloro residual combinado, em que o cloro está presente combinado com a amônia ou outros compostos de nitrogênio apresenta menor eficiência para destruir os microorganismos patogênicos do que o cloro residual livre. Além da cloração efetuada após a filtração, pode também ser realizada a précloração, que é a adição de cloro à água bruta antes do tratamento propriamente dito. Em alguns casos a pré-cloração pode ser interessante pois propicia a oxidação do ferro e do manganês tornando-os insolúveis e passíveis de serem removidos através da mistura rápida, floculação, decantação e filtração. Entretanto, a necessidade da pré-cloração precisa ser avaliada cuidadosamente, pois ele reage com alguns compostos orgânicos resultantes da decomposição dos vegetais. Esses compostos, especialmente os ácidos húmicos e fúlvicos, ao reagirem com o cloro, poderão formar os compostos denominados de trihalometanos, que suspeita-se que sejam cancerígenos. 38 A desinfecção pode ser realizada individualmente nas caixas d’água, cisternas e poços, quando se deseja eliminar possíveis microorganismos patogênicos decorrentes de eventuais contaminações após obras e serviços. Os compostos desinfetantes apresentam a seguinte proporção de cloro ativo : - hipoclorito de cálcio – Ca (OCl)2 (superior a 65% de Cl2); - cloreto de cal – CaOCl (cerca de 30% de Cl2); - hipoclorito de sódio – NaOCl (cerca de 10% a 15% de Cl2); - água sanitária – solução aquosa a base de hipoclorito de cálcio ou de sódio (cerca de 2% a 2,5% de Cl2). O tempo de contato influencia na quantidade e na dosagem de cloro usar: - solução a 50mg/l de Cl2 – tempo de contato 12 horas; - solução a 100mg/l de Cl2 – tempo de contato 4 horas; - solução a 200mg/l de Cl2 – tempo de contato 2 horas. O exemplo a seguir mostra como pode ser calculada a quantidade de desinfetante para o caso de um poço de água subterrânea. 39 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS AGUIAR, A. & VALENTIM, L.S.O. Um instrumento de avaliação de riscos à saúde como subsídio à gestão integrada de recursos hídricos. In: CONGRESSO da ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA de ENGENHARIA SANITÁRIA e AMBIENTAL, ABES, 20º, Rio de Janeiro, 1999. Anais. 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