MODELAGEM DO DECAIMENTO DO CLORO RESIDUAL LIVRE

MODELAGEM DO DECAIMENTO DO CLORO RESIDUAL LIVRE EM SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA TRATADA -­‐ IMPORTÂNCIA PARA O REGIME DE INTERMITÊNCIA Eng. Monica Cris.na Cabrini Medeiros Prof. Dr. Werner Siegfried Hanisch Biol. Vanessa Bastos da Silveira Agosto de 2015 Estrutura da apresentação ü  Obje.vo; ü  Mo.vação; ü  Materiais e métodos; ü  Intermitência; ü  Desinfecção; ü  Decaimento do cloro; ü  Conclusões; ü  Recomendações. ObjeGvo ü  Contextualizar a questão da qualidade da água associada à operação de sistemas de abastecimento em regime de intermitência; ü  Levantar publicações sobre estudos de decaimento de cloro residual livre em sistemas de abastecimento de água; ü  Verificar a existência de estudos realizados em períodos de abastecimento conBnuo e após período de interrupção de fornecimento ü  Demonstrar a importância da realização de estudos de decaimento de cloro residual livre para a adequação do sistema de abastecimento em relação aos parâmetros de potabilidade. MoGvação ü  O uso de modelos de simulação para apoio à gestão de sistemas de abastecimento de água é uma prá.ca comum nos países mais desenvolvidos; ü  No Brasil a sua u.lização de maneira ro.neira ainda não se encontra tão popularizada quanto desejável; ü  Estes instrumentos podem contribuir significa.vamente para a melhoria da qualidade de serviço para as companhias de saneamento e podem ser de grande u.lidade no apoio às a.vidades de planejamento, projeto, operação e manutenção dos sistemas, permi.ndo um conhecimento mais aprofundado do funcionamento deles para diversos cenários possíveis, correntes ou excepcionais (COELHO; LOUREIRO; ALEGRE, 2006). MoGvação ü  Lee e Schwab (2005) afirmaram que nos países desenvolvidos o estabelecimento de um sistema de distribuição para disseminar água potável tem colaborado para a melhoria da saúde pública; ü  Nos países em desenvolvimento, muitos sistemas de abastecimento estão funcionando de forma intermitente e aquém de sua capacidade; ü  Embora a presença de uma rede pública de distribuição de água seja muitas vezes um indicador de melhoria do abastecimento de água em um país em desenvolvimento, não se deve assumir que a qualidade da água resultante seja sempre adequada para o consumo humano. MoGvação ü  O fornecimento intermitente de água está ligado a problemas de quan.dade e qualidade da água. ü  O abastecimento intermitente pode promover o crescimento de microrganismos na tubulação durante o período de estagnação e posterior destacamento deste biofilme quando o fornecimento é restabelecido (MATSHINE; JUIZO; KENNETH, 2014). MoGvação ü  Ainda segundo Lee e Schwab (2005) , muitos países em desenvolvimento possuem sistemas intermitentes de abastecimento de água; ü  Em sua pesquisa, na América La.na e no Caribe, foi es.mado que 60% da população eram servidos por ligações domiciliares com serviço intermitente; ü  Na África e na Ásia, es.mou-­‐se que mais de um terço e metade do abastecimento urbano de água, respec.vamente, operavam de forma intermitente. MoGvação ü  O consumo de água contaminada nos países em desenvolvimento é responsável por aproximadamente 80% de todas as doenças e mais de um terço dos óbitos e, em média, até um décimo do tempo produ.vo de cada pessoa é perdido devido a doenças relacionadas à água (MORAES; JORDÃO, 2002). ü  Geralmente as águas naturais não são habitat de microrganismos patogênicos, porém, por questões de saúde pública, a etapa de desinfecção é adotada para controle desses microrganismos no final do processo de tratamento da água para consumo (OPPA, 2007). ü  Enquanto a água canalizada é considerada uma fonte segura de fornecimento de água à população, estudos recentes sugerem que muitos sistemas podem não garan.r que seu fornecimento seja seguro e confiável. Materiais e métodos ü  O presente trabalho cons.tuiu-­‐se de uma revisão da literatura, no qual foi realizado um levantamento bibliográfico atualizado em fontes especializadas no assunto, as quais são apresentadas no decorrer desta apresentação. Fontes de contaminação Podem ser fontes de contaminação (Pierezan, 2009): ü  Tubulações rompidas contaminadas pelo solo em torno; ü  Acúmulo de sujeira no interior das tubulações, quando estas são armazenadas; ü  Contaminação durante a instalação, pelo contato com o solo; ü  Imperícias durante o procedimento de lavagem ou limpeza das tubulações ü  Pontos de estagnação no sistema; ü  Longos tempos de residência. Intermitência ü  Deficiências nos sistemas de distribuição de água canalizada têm sido associadas à contaminação da água em torneiras de consumidores e surtos de doenças transmi.das pela água; ü  Uma deficiência comum é a prá.ca de fornecimento de água intermitente. Cerca de um terço do abastecimento de água canalizada na África e na América La.na e mais da metade na Ásia é feito por meio de fornecimento intermitente (KUMPEL; NELSON, 2013). ü  Regime de intermitência pode ser definido como serviço de abastecimento que fornece água para os consumidores menos de 24 horas em um dia (MCINTOSH, 2003). Consequências da intermitência ü  Quando as tubulações estão subme.das à baixa pressão ou quando estão vazias, contaminantes provenientes de fora da rede podem entrar na tubulação por refluxo ou intrusão; ü  Além disso, o fornecimento de água de maneira intermitente requer armazenamento domiciliar, uma prá.ca que pode estar associada à recontaminação (KUMPEL; NELSON, 2013; RENWICK, 2013). ü  Longos tempos de residência podem também resultar na queda do residual de desinfetante. Desinfecção ü  O obje.vo do processo de desinfecção é a ina.vação de microrganismos patogênicos; ü  Estes agentes patogênicos compreendem um grupo diverso de organismos que servem como agentes causadores de doenças de veiculação hídrica. Incluem-­‐se nesse grupo as bactérias, vírus e espécies ü  O obje.vo do processo de desinfecção é a ina.vação de microrganismos patogênicos; ü  Estes agentes patogênicos compreendem um grupo diverso de organismos que servem como agentes causadores de doenças de veiculação hídrica. Incluem-­‐se nesse grupo as bactérias, vírus e espécies Desinfecção ü  O cloro em sua forma gasosa e seus derivados, como o hipoclorito de cálcio ou o hipoclorito de sódio, são os produtos mais u.lizados na desinfecção de águas; ü  AS vantagens incluem: –  fácil produção, armazenamento, transporte e uso; – 
ü  baixo custo e eficiência; O cloro em sua forma gasosa e seus derivados, como o hipoclorito de –  controle esté.co da qualidade, remoção de ferro, manganês e sulfeto de hidrogênio; desinfecção de águas; Desinfecção ü  Problemas associados à u.lização do cloro: –  principalmente, ao seu efeito como substância não conserva.va e ao seu potencial rea.vo. –  O cloro reage com a matéria orgânica presente no meio fluido e com a camada de biofilme presente nas paredes das tubulações, o que faz camada de biofilme presente nas paredes das tubulações, o que faz ü  Problemas associados à u.lização do cloro: seu potencial rea.vo. de organoclorados (
trihalometanos – THMs
–  O cloro reage com a matéria orgânica presente no meio fluido e com a principalmente, ao seu efeito como substância não conserva.va e ao Desinfecção ü  A presença de cloro na água pode ser observada em diferentes formas: livre, ligado, residual e total. ü  Cloro livre: soma de todas as espécies elementares do cloro: Cl2, ácidos ü 
clorados (HClO
livre, ligado, residual e total. ), íon hipoclorito ClO
ü  A presença de cloro na água pode ser observada em diferentes formas: Cloro livre: soma de todas as espécies elementares do cloro: Cl
2, ácidos clorados (
HClO
-­‐, etc. Tem maiores poderes oxidantes ), íon hipoclorito ClOcloroaminas. Tem poder desinfetante Desinfecção ü  Para garan.r a manutenção do cloro residual normalmente aumentam-­‐se as dosagens de cloro nas ETA’s; ü  O ar.go nº 34 da Portaria MS nº 2914/2011 estabelece que é obrigatória a manutenção de, no mínimo, 0,2 mg/L de cloro residual livre ou 2 mg/L de ü  Para garan.r a manutenção do cloro residual normalmente aumentam-­‐se cloro residual combinado ou de 0,2 mg/L de dióxido de cloro em toda a extensão do sistema de distribuição (reservatório e rede). as dosagens de cloro nas ETA’s
Desinfecção NaOCl + H 2 O ↔ Na + + OCl − + H 2O
(1)
Ca(OCl ) 2 + H 2 O ↔ Ca +2 + 2OCl − + H 2 O
(2)
H + + OCl − ↔ HOCl
Devido à ação oxidante do cloro, parte da quan.dade dosada na água é consumida (cloro consumido ou demanda de cloro), e parte permanece como cloro residual livre, nas formas do ácido hipocloroso ou do íon hipoclorito. (3)
Desinfecção Figura 2.1 -­‐ Efeito do pH na distribuição de HOCl e OCL-­‐ na água. Fonte: WHO, 1993. Decaimento do cloro ü  Ao longo do sistema de distribuição o teor de cloro residual não se mantém constante. A concentração desta espécie química diminui ao longo do seu percurso devido não só a reações existentes na própria água, mas também a outras que ocorrem nas paredes das tubulações. Este .po de reação pode ocorrer ü  Ao em tanto longo tubulações do sistema novas de como distribuição em tubulações o teor de com cloro alguns residual anos, não que se podem mantém constante. A concentração desta espécie química diminui ao longo do seu apresentar biofilme e material resultante de corrosão, no caso de dutos metálicos percurso devido não só a reações existentes na própria água, mas também a (LOPES, 2005). Decaimento do cloro ü  O decaimento de cloro em sistemas de distribuição e abastecimento de água é composto de duas componentes, segundo Clark e colaboradores (1993). Uma componente é a demanda da parede, e a outra é demanda do corpo do escoamento associado ao canal da fase aquosa , conforme ilustrado na Figura 2.3 Figura 1 -­‐ Componentes do decaimento de cloro Fonte: VIEIRA et al., 2001 apud PIEREZAN, 2009. Decaimento do cloro Figura 2 -­‐ Reações nas tubulações Fonte: PIEREZAN, 2009. Decaimento do cloro ü  A fase rápida do decaimento de cloro se caracteriza pelo consumo da matéria inorgânica oxidável, devido à fácil oxidação de compostos inorgânicos presentes na água, como amônia, sulfetos, íons de ferro e manganês (VIEIRA; COELHO, 2000). ü  O consumo de matéria orgânica caracteriza a fase lenta do decaimento do cloro no corpo do escoamento. Os compostos orgânicos, por serem menos rea.vos, consomem o cloro de maneira mais lenta que os compostos inorgânicos (VIEIRA; COELHO, 2000). Decaimento do cloro Reações na parede da tubulação ü  A demanda de cloro na parede ocorre devido às reações com o material da parede da tubulação, depósitos e ao biofilme ü  O biofilme é definido como uma mistura complexa de microrganismos, e materiais inorgânicos acumulados entre uma matriz orgânica aderida à superycie interna do sistema de distribuição. Contaminantes, incluindo coliformes totais e alguns organismos patogênicos, podem aderir à parede do biofilme. SEPA, 2002 apud PIEREZAN, 2009). Decaimento do cloro Tabela 1 - Modelos de decaimento de cloro
Modelo
Primeira ordem
Enésima ordem
Primeira ordem limitada
Primeira ordem Equação integrada
C = C 0 .e
( − k .t )
⎛
⎛ 1
C = ⎜ k .t (n − 1) + ⎜⎜
⎜
⎝ C 0
⎝
⎞
⎟⎟
⎠
( n −1)
( 4 )
⎞
⎟
⎟
⎠
−
1
n −1
( 6 )
C = C * + (C0 − C * )e ( − k .t )
C = C 0 .xe
( − k1 .t )
paralela
Fonte: PIEREZAN, 2009.
+ C 0 .(1 − x)e
( 5 )
( − k 2 .t )
( 7 )
Decaimento do cloro ü  Ecuru, Okot-­‐Okumu e Okurut (2011) ü  Kumpel e Nelson (2013) ü  Matshine, Juizo e Kenneth (2014) ü  Lee e Schwab (2005) ü  Junqueira (2010) ü  Pierezan (2009) ü  Bastos (2008) ü  Salgado (2008) ü  Ferreira e Sakagu_ (2008) ü  Moraes (2008) ü  Danieli, Gastaldini e Barroso (2006) Trimboli (2005) Viljoen (1996) Clark e colaboradores (1993) Decaimento do cloro Figura 3 -­‐ Percentual de amostras com contaminação por coliformes totais, agrupadas por concentração de cloro residual livre. Fonte: KUMPEL; NELSON, 2013. Decaimento do cloro Figura 4 – Residual de cloro em dois casos (adição convencional e recloração) Fonte: GOYAL; PATEL (2014) Conclusões ü  Diante da atual situação de crise no sistema de abastecimento de água, o fornecimento de água em regime de intermitência se faz necessário numa tenta.va de equalizar a distribuição do recurso que se encontra em escassez. ü  ü  Muitas vezes uma mudança na estrutura e gestão do sistema de abastecimento seria suficiente para evitar intermitências e rodízios; ü  Este estudo relatou que, sendo o cloro uma substância que pode ter sua concentração reduzida ao longo do tempo, as companhias de saneamento devem tomar medidas para que a população receba água dentro dos padrões estabelecidos pelos órgãos reguladores. ü  A u.lilzação de modelos matemá.cos se mostrou uma ferramenta importante para o alcance deste obje.vo, em muitos estudos apresentados. ü  Conclusões ü  Um número considerável de publicações nacionais e internacionais pode ser encontrado a respeito da modelagem do decaimento de cloro nas redes de abastecimento, ao longo dos anos, demosntrando que esta é uma prá.ca eficaz para monitoramento da qualidade da água em sistemas de abastecimento con{nuo; ü  Há também um grande número de pesquisadores atuando em sistemas de abastecimento de água intermitentes, com o obje.vo de melhorar a qualidade da água servida por estes sistemas, bem como melhorar as condições de operação para o atendimento da população. ConGnuidade do trabalho ü  Realizar estudo de campo em redes com caracterís.cas semelhantes, porém uma sujeita a intermitência e a outra não; ü  Serão coletadas amostras ao longo da rede, desde às proximidades da ETA até um ponto crí.co; ü  Será analisado o cloro residual e realizado e ajuste do modelo matemá.co aos dados experimentais; Obrigado pela atenção! Contatos: [email protected] [email protected] [email protected]