CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUA POR OSMOSE REVERSA DE BAIXO CUSTO

Ass. Presidente da Banca – Prof. Adriano Mendanha Prof. Ass. Prof. which provides for the control and monitoring of the quality of water for human consumption and its standard of potability, means that new treatment technologies are created, but with high production and operating costs. In view of the above, a low cost reverse osmosis filtration system was developed and implemented in an artesian well in the city of Registro, rural zone of São Paulo state. The system remained in operation from May 13 to 17, and water samples were separated from the well and the permeate daily and sent for analysis of parameters of turbidity, apparent color, pH, E. coli and thermotolerant bacteria. Keywords: Reverse osmosis; Water treatment; Artesian well. Representação gráfica dos valores de cor aparente da água do poço e do sistema de osmose reversa 34 Figura 5.

Representação gráfica dos valores de pH da água do poço e do sistema de osmose reversa 34 LISTA DE tabelas Tabela 2. Tratamento requerido em função da classificação da água 17 Tabela 2. Classificação das águas naturais para abastecimento público 18 Tabela 2‑3- Coagulantes primários usualmente empregados em ETAs 18 Tabela 5‑1- Resultados das análises físico-químicas 33 Tabela 5‑2- Resultados testes bacteriológicos 35 LISTA DE símbolos Js: fluxo local de sal Rs: resistência da membrana ao sal Jw: fluxo local de água Rm: resistência da membrana a água A: área superficial da membrana ΔP: pressão transmembrana Δπ: diferença de pressão osmótica através da membrana Qf: massa da água de alimentação Qr: massa do concentrado Qp: massa do permeado cf:concentração de sal na água de alimentação cr: concentração de sal no concentrado cp: concentração de sal no permeado SUMÁRIO RESUMO vi ABSTRACT vii LISTA DE FIGURAS viii LISTA DE TABELAS ix LISTA DE SÍMBOLOS x 1.

INTRODUÇÃO 11 2. Dentre essas novas tecnologias de tratamento, o processo de separação por membranas vem se destacando, onde a classificação das membranas é feita de acordo com a sua porosidade e, consequentemente, o tamanho das partículas retidas. Da menos restritiva para as mais restritivas são elas: microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração e osmose reversa. Assim, torna-se possível haver alternativas para o tratamento de mananciais degradados e águas salobras com pouco espaço para a sua implantação. O mercado de saneamento básico está cada vez mais motivado a utilização de membranas filtrantes, devido às suas vantagens tanto de implantação e qualidade quanto seu tempo minimizado de passagem da água e a produção em larga escala. O objetivo deste trabalho foi a construção de um sistema de filtração por osmose reversa utilizando materiais de baixo custo e analisar a qualidade da água antes e após a filtragem, comparando os parâmetros de pH, cor, turbidez, e-coli e bactérias termotolerantes obtidos com os valores estipulados pelo Anexo XX da Portaria de Consolidação n° 5 do Ministério da Saúde.

O período compreendido entre 1946 e 1964 é caracterizado pela falta absoluta de preocupação com o saneamento básico, o modelo de gestão centralizador herdado do Estado Novo foi modificado para a descentralização parcial, mas sob o Governo Militar houve o retrocesso para o modelo de gestão centralizada (SAKER, 2007). Pode se considerado que as ações mais efetivas no setor de saneamento básico ocorreram a partir de 1967 com a implantação do Plano Nacional de Saneamento (PLANASA) (DANTAS, et al. RUBINGER, 2008; SAKER, 2007). O aporte financeiro do PLANASA era através do extinto Banco Nacional da Habitação (BNH), que administrava os vultuosos recursos oriundos do Fundo de Garantia por Tempo de Serviço (FGTS) (RUBINGER, 2008). Deste modo a União condicionou a oferta de crédito somente a empresas públicas estaduais que prestassem os serviços regionalmente (COSTA, 2010; DANTAS, et al.

Na década de 1990 é concretizada a possibilidade de privatização dos serviços de saneamento básico para o equilíbrio das contas públicas dos estados, sendo implantado também alguns programas federais de apoio ao saneamento financiados pelo Orçamento Geral da União (OGU), Banco Interamericano de Desenvolvimento (BID), Banco Mundial (Bird) e Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDS) (LEONETI et al. Apesar dos avanços significativos no setor de saneamento nos últimos trinta anos, não houve a implementação de um instrumento legal que estabelecesse regras claras para a prestação de serviços relacionadas ao saneamento, retardando o atendimento da crescente demanda da população por estes serviços e resultando na deficitária cobertura, que ainda permanece (HELLER, 2007; RUBINGER, 2008) A aprovação da Lei 11.

conhecida como Lei Nacional do Saneamento Básico, em janeiro de 2007, estabeleceu as diretrizes nacionais para o saneamento básico e instituiu a Política Federal de Saneamento Básico, cobrindo assim uma lacuna histórica após três décadas de debates (COSTA; GUILHOTO, 2014; HELLER, 2007; MOISÉS et al. A Lei 11. estimula a solidariedade e a cooperação entre os entes federados, incentiva os estados a criar legislação própria que promova a integração dos serviços e a orientar-se pelos princípios básicos da universalidade, da integridade e a equidade, sempre privilegiando o interesse público (COSTA, 2010). e pelo convênio SSE nº 90/2010 que tem validade de 30 anos (SABESP, 2010; SÃO PAULO, 2009). A companhia foi criada em 1973 pela fusão de seis empresas que prestavam serviços de saneamento no estado de São Paulo, a Companhia Metropolitana de Águas de São Paulo (COMASP), a Companhia Metropolitana de Saneamento de São Paulo (SANESP), a Superintendência de Água e Esgoto da Capital (SAEC), o Fomento Estadual de Saneamento Básico (FESB), a Companhia de Saneamento da Baixada Santista (SBS) e a Companhia Regional de Água de Esgoto do Vale do Ribeira (SANEVALE) (SABESP, 2008).

A Sabesp foi criada com o objetivo de planejar, executar e operar serviços públicos de saneamento básico em todo o território do Estado de São Paulo, respeitando a autonomia dos municípios, sendo o processo de adesão à Sabesp facultativo por parte do poder municipal (CASCIONE, 1981). Com o objetivo de melhorar o atendimento aos municípios do interior, em 1979 houve uma alteração na estrutura organizacional da empresa com o desmembramento da Diretoria de Operações em Diretoria de Operações da Região Metropolitana e Diretoria de Operações do Interior (TONIOLO, 1986). A diretoria metropolitana controla sete Unidades de Negócio da RMSP e atende 39 municípios, sendo 30 da Região Metropolitana e 8 na região de Bragança Paulista, produzindo e vendendo água por atacado para quatro municípios operados por serviços municipais: Santo André, São Caetano do Sul, Mauá, e de Mogi das Cruzes (Figura 2.

Adicionalmente, a própria metodologia de seleção da linha de tratamento prevista na referida norma, tem sido sujeita a críticas, sobretudo pelos parâmetros de caracterização da água bruta adotada (LIBÂNIO, 2010). Uma estação de tratamento de água convencional e de ciclo completo é constituída das seguintes etapas pré-cloração, coagulação, floculação, decantação, filtração, desinfecção, correção de pH e fluoretação, esta denominação surgiu em 1890 no estado de Ohio (EUA), quando foi recomendada por George Fuller a etapa de clarificação precedendo a filtração para as águas turvas do rio Ohio (LIBÂNIO, 2010; TEXEIRA et al. Tabela 2. Classificação das águas naturais para abastecimento público Parâmetros/Tipo A B C D DBO méd. mg/L0 < 1,5 1,5 - 2,5 2,5 - 4,0 > 4,0 DBO máx.

H2O 5 a 25 Líquido (16 a 20%) Sulfato Férrico FeSO4. H2O 5 a 40 Sólido ou líquido Cloreto de polialuminio Aln(OH)mCl3 < 10 Sólido Fonte: Libânio (2010) O processo de coagulação é realizado na unidade de mistura rápida da estação de tratamento (Figuras 2. e 2. estando presente na quase totalidade das tecnologias de tratamento, com exceção da filtração lenta. Nas estações convencionais a eficiência da coagulação influi no desempenho das demais etapas do tratamento, favorecendo a qualidade microbiológica do efluente, aumentando a duração das carreiras de filtros e reduzindo o custo por metro cúbico de água tratada (LIBÂNIO, 2010). A remoção do lodo dos decantadores pode ser realizada de forma periódica, contínua ou semicontínua, dependendo do volume de água tratado e das condições do manancial, os volume de lodo gerado nas descargas periódicas são extremamente elevados, e havendo a obrigatoriedade de efetuar o tratamento dos resíduos gerados nesta etapa tem se preferido o uso de dispositivos extratores de lodo, como por exemplo, os bags geotêxtis, a NBR 12216/1992 recomenda que o decantador com remoção manual de lodo possuir canal de descarga na zona de maior acumulação de lodo e que a declividade mínima deve ser de 5% no sentido do local da descarga, após o processo de decantação a água clarificada segue para a filtração (ABNT, 1992; TWORT et al, 2000).

Os primeiros filtros utilizados para abastecimento público foram construídos na Grã-Bretanha nas cidades escocesas de Paisley em 1804 e Greenock em 1827, culminando com as unidades construídas em 1829 pela Chelsea Water Company utilizando água do rio Tâmisa em Londres (DI BERNARDO; DANTAS, 2005). A filtração consiste basicamente na junção dos fenômenos físicos dos mecanismos de transporte e aderência dos fluídos, onde os mecanismos de aderência são influenciados por fenômenos predominantemente químicos, tais como formação de pontes químicas, forças eletrostáticas e de van der Waals. Dessa forma, espera que os filtros removam ampla gama de partículas que estão presentes na água clarificada (LIBÂNIO, 2010; O’MELIA; STUMM, 1967). O principal objetivo do processo de desinfecção é a inativação de organismos patogênicos, ou de outros organismos indesejáveis.

eletrodiálise (ZHANG et al. e a pervaporação (SUBRAMANI; JACANGELO, 2015). Desde o desenvolvimento das tecnologias das membranas de filtração em 1960, o processo de separação por membranas passou a ser objeto de estudo para o tratamento de água e efluentes, sendo cada vez maior o número de publicações sobre o assunto. O aumento de pesquisas sobre o tema se deve, principalmente a três fatores, o aumento das pressões dos órgãos reguladores para melhorias na qualidade final da água potável e de efluentes lançados nos corpos receptores; o aumento na demanda de água, requerendo exploração de mananciais que devido seu nível de degradação não eram considerados como fontes possíveis e o aumento da utilização de membranas, forçando maior produção e consequentemente, redução do seu custo de comercialização (MALLEVIALLE et al.

RIBERA et al. A agência de proteção ambiental dos Estados Unidos cita aproximadamente 87. substâncias que deveriam ser avaliadas quanto aos seus potenciais efeitos sobre o sistema endócrino (SADIK; WITT, 1999). O Parlamento Europeu, através da sua diretoria geral de meio ambiente, apresentou uma lista de 560 compostos cujas interferências têm sido comprovadas em sistemas hormonais (OLEA-SERRANO et al. sendo o rol continuamente revisado e ampliado à medida que novos dados estão disponíveis. Cabe destacar que recentemente foram instituídos projetos de longo prazo em diversos países com o intuito de compreender os efeitos desencadeados pelos desreguladores endócrinos sobre várias espécies de comunidades aquáticas continentais e marinhas (GORE et al. Figura 2. Principais características dos processos de separação por membrana Fonte: MIERZWA et al, (2008) Figura 2.

Esquema do princípio de funcionamento da eletrodiálise reversa Fonte: BENTAMA et al (2009) Nos processos de filtração por membranas é possível observar que os sistemas de osmose reversa e nanofiltração são os mais eficientes em relação à remoção de contaminantes, porém são os que consomem maior energia, devido à pressão de operação. No tratamento de água para abastecimento, onde a preocupação são os contaminantes orgânicos, o processo de ultrafiltração pode ser o mais adequado, face o menor consumo de energia e por apresentar eficiência para remover poluentes orgânicos e matéria orgânica natural em função do peso molecular de corte da membrana selecionada (MIERZWA et al. A maioria das membranas são assimétricas, ou seja, há uma variação do diâmetro de seus poros, tendo diâmetros de poros menores na superfície em contato com a alimentação, que aumentam no interior da membrana.

Este processo é amplamente utilizado na dessalinização de água do mar, no tratamento de água e no tratamento de águas residuais. Atualmente, a osmose reversa é a tecnologia de dessalinização mais eficiente em termos energéticos, com um custo energético de cerca de 1,8 kWh/m3, muito inferior ao de outras tecnologias (XU et al. Além disso, a membrana de osmose reversa como vantagem a alta permeabilidade a água e rejeição de sal, cumprindo as mais rigorosas legislações de saúde pública e proteção ambiental (LÓPEZ-RAMÍREZ et al. No entanto, a incrustação desta membrana (fouling) é o principal desafio para o desempenho confiável do sistema de filtração. O fouling é um fenômeno complicado que envolve diferentes mecanismos sob diferentes circunstâncias (KHAN et al.

Cerca de 50% dessa capacidade está instalada na Península Arábica, que sofre com escassez severa de água doce (SARAI ATAB et al. A osmose reversa oferece várias vantagens sobre as outras tecnologias de tratamento por membranas, incluindo baixa necessidade de energia e baixa temperatura de operação. O processo de osmose reversa é geralmente composto por vários vasos de pressão cônicos, onde normalmente, cada vaso possui até seis módulos de membranas de 1 m de comprimento (SONG et al. ABBAS; AL-BASTAKI, 2001). A potabilização da água é obtida aplicando-se alta pressão na água de alimentação, que flui através da superfície da membrana, produzindo o permeado e como sub-produto o concentrado (Figura 3. Sendo: Qf: massa da água de alimentação; Qr: massa do concentrado; Qp: massa do permeado; cf:concentração de sal na água de alimentação; cr: concentração de sal no concentrado; cp: concentração de sal no permeado.

Os fluxos locais de água e sal podem ser calculados a partir das relações de transporte de massa de solução-difusão de Kimura-Sourirajan (Equação 3. e 3. SOURIRAJAN, 1970). Sendo: Jw: fluxo local de água; Rm: resistência da membrana a água; A: área superficial da membrana; ΔP: pressão transmembrana; Δπ: diferença de pressão osmótica através da membrana. desenvolveram a seguinte expressão simples, realizando um balanço de material em estado estacionário ao redor da camada limite (Equação 3. A concentração em massa, cb, varia ao longo do canal da membrana, no entanto, se durante a passagem da solução pelo sistema e as membranas forem cortadas em seções relativamente pequenas, que são resolvidas sequencialmente, então cb pode ser aproximado com precisão (Equação 3.

Figura 3. Representação do desenvolvimento da polarização de concentração sobre a superfície da membrana Fonte: Abbas (2007) 4. ESTUDO DE CASO 4. Analisando a Figura 5. pode ser observado que a partir do terceiro de operação, a eficiência na remoção da turbidez foi diminuindo de forma gradativa durante os dias de operação do sistema, de modo que quinto dia de operação a eficiência era de somente 47,15%. Tabela 5. Resultados das análises físico-químicas Dia Turbidez (NTU) Cor aparente (UC) pH Poço OR Eficiência Poço OR Eficiência Poço OR 13 2,49 0,09 96,39% 11,4 1,5 86,84 5,36 5,26 14 2,74 0,18 93,43% 12,6 1,7 86,51 5,97 5,39 15 2,34 0,26 88,89% 13,8 1,8 86,96 4,44 5,50 16 2,58 0,54 79,07% 11,9 3,6 69,75 5,51 5,22 17 2,63 1,39 47,15% 12,3 5,8 52,85 5,63 5,47 Média 2,56 0,49 80,75% 2,88 2,88 76,77 5,58 5,37 Desv. Padrão 0,15 0,53 - 0,90 1,84 - 0,24 0,12 De maneira similar a turbidez, a cor aparente do permeado foi elevando durante a operação do sistema de osmose reversa. Porém, não foi possível verificar a eficácia do sistema de construído em relação a remoção de patógenos, uma vez que a água do poço por estar localizado em uma zona rural e sem riscos de contaminação fecal, apresentaram resultados negativos para tanto para Escherichia  coli como para bactérias termotolerantes, que são utilizadas como indicadores de contaminação, conforme mostra a tabela 5.

Tabela 5. Resultados testes bacteriológicos Dia E. coli (UFC/100 mL) Bactérias termotolerantes (UFC/ 100 mL) Poço OR Poço OR 13 Ausente Ausente Ausente Ausente 14 Ausente Ausente Ausente Ausente 15 Ausente Ausente Ausente Ausente 16 Ausente Ausente Ausente Ausente 17 Ausente Ausente Ausente Ausente 6. CONCLUSÃO A eficiência do sistema de filtração desenvolvido foi afetada principalmente pela formação de fouling na membrana, aumentando os valores de turbidez e cor aparente durante o terceiro dia de operação. p. ABBAS, A. AL-BASTAKI, N. Performance decline in brackish water FilmTec spiral wound RO plant, Desalination, v. p. ATEL, P. Membranes Processes and Applications, Preprints of X Summer School Valladolid, Spain, 1993, p. BHATTACHARJEE, S. KIM, A. S. BELFORT, G. Synthetic Membrane Processes, New York: Academic Press. BOO, C. LEE, S. ELIMELECH, M. BREHANT, A.

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