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TRATAMENTO DE ÁGUAS SUPERFICIAIS DO RIO PIRAPÓ PELO PROCESSO DE
FILTRAÇÃO POR MEMBRANAS CERÂMICAS − POROSIDADE MÉDIA DE 0,2 µm.
1
1
2
3
1,2,3
Daniel Trentini Monteiro, 2 Rosângela Bergamasco, 3 Leila Cristina Konradt Moraes
Bolsista de Iniciação Científica PIBIC/CNPQ/UEM, discente do curso de Engenharia Química
Professora da Universidade Estadual de Maringá UEM/PR
Doutora em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Maringá.
Universidade Estadual de Maringá Avenida Colombo, 5790. CEP: 87020-900. Maringá – PR.
e-mail: [email protected]
RESUMO – Este trabalho teve por objetivo estender a tecnologia de filtração com membranas
para águas de qualidade inferior, avaliando os principais parâmetros de potabilidade da água do
rio Pirapó, que abastece a cidade de Maringá – PR, antes e após um tratamento de filtração
com membrana tubular de α-Al2O3/ZrO2 de porosidade média de 0,2 µm. Foram testadas duas
pressões 1 e 2 bar, e avaliados neste estudo a cor (real e aparente), turbidez, compostos com
absorção em UV-254nm, coliformes totais, sólidos suspensos totais e sólidos dissolvidos totais
sendo que, a maioria destes parâmetros apresentaram eficiências de remoção acima de 90 %.
Palavras-Chave: água potável, tratamento de água, filtração por membranas
INTRODUÇÃO
O
desenvolvimento
industrial,
o
crescimento demográfico e a ocupação do solo de
forma intensa e desordenada vêm provocando o
comprometimento
dos
recursos
hídricos
disponíveis para o consumo humano, recreação e
outras atividades, aumentando consideravelmente
o risco de doenças de transmissão hídrica, sendo
que o transporte de microrganismos patogênicos
pelas águas tem representado um fator
importante no comprometimento destes recursos
e na disseminação de processos infecciosos em
populações, especialmente quando sistemas de
abastecimento de água e tratamento de esgoto
são precários.
Assim a água torna-se um risco em
potencial para a saúde da população quando nela
estiverem presentes agentes nocivos. Isto é,
mesmo que visualmente ela não apresente
indicações de contaminação, não se pode
assegurar sua qualidade física, química e
microbiológica.
De acordo com a Organização Mundial da
Saúde e Organização Panamericana da Saúde
(OMS/OPAS, 2001), cerca de um quarto dos 4,8
bilhões
de
pessoas
dos
países
em
desenvolvimento continua sem acesso a fontes
de água adequadas, enquanto metade deste total
não está servida por serviços apropriados de
saneamento.
Os responsáveis pelos sistemas de abastecimento têm então a responsabilidade da adequação das técnicas de tratamento convencionais, ou da aplicação de novas técnicas, de acor-
do com as necessidades para o ajuste da estação
de tratamento, em função da água bruta captada
assegurando assim a qualidade da água final distribuída ao consumidor.
A produção de água que atenda ao Padrão
de Potabilidade requer, na maioria dos casos, a
filtração, pois somente nesta etapa é que são
removidos, quase que em sua totalidade, as
partículas coloidais, suspensas e microrganismos
em geral, de forma que a desinfecção final seja
efetiva (SPINELLI, 2001).
A finalidade do controle da turbidez em
águas é porque este parâmetro poder ter uma
relação com a presença de microorganismos na
água, que podem ficar aderidos às partículas que
causam turbidez. Babbit (1973), afirma que a cor
na água é, usualmente, devida a matéria orgânica
em suspensão coloidal, podendo, porém, ser
devida à matéria mineral em solução, como um
colóide, ou em suspensão.
O processo de filtração por meio de
membranas tem, atualmente, sido objetivo de
grande atenção em processos de tratamento de
água potável. As razões para tal incluem as leis
cada vez mais rígidas para a produção de água
potável e o despertar das pessoas para a
necessidade de melhoria do padrão de saúde
(KONRADT-MORAES, 2004).
Processos
com
membranas
são
atualmente
economicamente
atrativos
em
grandes
instalações
utilizando-se
águas
superficiais de boa qualidade. Atualmente, os
objetivos são estender os processos de
tecnologia com membranas para águas de
qualidade inferior para a remoção de cor, sabor,
VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica
27 a 30 de julho de 2009
Uberlândia, Minas Gerais, Brasil
matéria orgânica dissolvida e produtos de
desinfecção (GUIGUI et al., 2002).
Segundo Lemanski (2004), na filtração
tangencial a solução de alimentação flui
paralelamente à membrana e ao fluxo de
permeado, perpendicularmente, o que permite o
escoamento de grandes volumes de fluidos, pois
esse tipo de escoamento, a altas velocidades,
tem o efeito de arrastar os sólidos que tendem a
se acumular sobre a superfície da membrana.
O “fouling” que ocorre nas membranas
pode ser entendido como o conjunto de
fenômenos capaz de provocar uma queda no
fluxo permeado, quando se trabalha com uma
solução em suspensão. A extensão do fenômeno
do “fouling” depende da natureza da solução
problema, sua concentração, tipo de membrana e
distribuição de tamanho de poros, qualidade da
água, características hidrodinâmicas e de
superfície de membrana. A ocorrência do “fouling”
afeta o desempenho da membrana pela
deposição de uma nova camada sobre sua
superfície, pelo bloqueio parcial ou completo dos
poros o que acarreta a mudança efetiva da
distribuição do tamanho de poros e da massa
molar média de corte da mesma (Lemanski,
2004).
O processo de microfiltração se focaliza na
remoção de partículas suspensas e de bactérias,
reduzindo a pressão necessária para atravessar
as membranas para apenas alguns metros de
coluna de água. Uma abertura tão pequena
separa qualquer microrganismo e produz uma
desinfecção física, requerida no caso de parasitas
quase resistentes à desinfecção com cloro. O
consumo de produtos químicos é limitado às
lavagens periódicas da membrana e uma possível
desinfecção de segurança para manter um
resíduo dentro da rede de distribuição (REVISTA
MEIO AMBIENTE INDUSTRIAL, 2000).
Assim, este trabalho teve por objetivo
estender a tecnologia de filtração com
membranas para águas de qualidade inferior,
avaliando
os
principais
parâmetros
de
potabilidade da água do rio Pirapó, que abastece
a cidade de Maringá – PR, antes e após um
tratamento de filtração com membrana tubular de
α-Al2O3/ZrO2 de porosidade média de 0,2 µm.
Materiais e Métodos
A parte experimental foi realizada no
Laboratório de Gestão, Controle e Preservação
Ambiental, do Departamento de Engenharia
Química – DEQ, da Universidade Estadual de
Maringá – UEM.
A unidade de ultrafiltração utilizada está
apresentada na Figura 1, ao lado do banho
termostático que manteve a temperatura do
tanque de alimentação constante. O módulo de
filtração tangencial NETZSCH, em aço inox, foi
equipado por um par de manômetros e uma
válvula para o controle da pressão.
Figura 1 – Unidade Experimental de Filtração
por Membranas.
A membrana utilizada era cerâmica,
composta de α-Al2O3/ZrO2, de forma tubular,
monocanal com área filtrante de 0,005 m2 e de
porosidade média 0,2 µm. A membrana pode ser
representada na Figura 2.
Figura 2: Representação do processo de
filtração tangencial, Fonte: LEE et al., 2002.
Caracterização da membrana: Foram
realizados ensaios de caracterização da
membrana, um sob uma pressão de 1 bar e outro
a 2 bar. O tanque de alimentação foi alimentado
com água desionizada para este processo de
filtração, coletando-se o permeado em copos
plásticos com seus respectivos intervalos em
tempos pré-determinados. A temperatura do
tanque de alimentação foi controlada e mantida a
(25 ± 1) °C. As amostras de permeado foram
coletadas em intervalos de tempo pequenos, no
início da filtração, sendo estes intervalos,
aumentados posteriormente, para uma boa
determinação da curva de fluxo de permeado em
função do tempo. Entre cada processo de filtração
a membrana foi lavada.
Lavagem da membrana: A membrana foi
lavada em um banho de ultra-som. Os banhos
foram de soluções de hidróxido de sódio, para
remoção da matéria orgânica, com 8 banhos de
10 minutos cada, em temperatura entre 60 a 70
°C. Posteriormente, o pH da membrana era
estabilizado próximo da neutralidade, com vários
banhos consecutivos de água de osmose, cada
um deles com duração de 10 minutos. Para a
lavagem ácida, foi preparada uma solução de
ácido cítrico 1% m/v a mesma rotina foi
submetida com 8 banhos de 10 minutos cada, em
temperatura entre 60 a 70 °C. Seguido de banhos
de água de osmose por 10 minutos, até o pH da
membrana se aproximar da neutralidade.
A água bruta foi coletada no ponto de
captação da empresa de saneamento local e
recalcada até dentro da cidade de Maringá, onde
é localizada a sede da empresa de saneamento
da região. A água coletada não recebeu nenhum
tratamento prévio, e seu local de captação é no
rio Pirapó.
Ensaio de filtração: Esta etapa foi realizada
com a água bruta coletada, e o procedimento
experimental foi o mesmo que o da
caracterização da membrana. E para cada uma
das pressões utilizadas (1 e 2 bar), a membrana
foi lavada.
Para determinar o fluxo de permeado
utilizamos a Equação 1:
m
ρ 25o C .∆t. Am
Resultados e Discussões
f Permeado é o fluxo de permeado, m é
a massa de água coletada,
ρ 25°C
é a densidade
da água a 25°C, ∆t é o intervalo de tempo em
que a massa de água foi coletada e Am a área
entupimento =
f finalA − f finalAB
f inicialA
⋅ 100%
(2)
Onde f finalA é o fluxo final de permeado
com água desionizada (caracterização da
membrana) e f finalAB é o fluxo final de permeado
com água bruta (ensaio de filtração).
Caracterização da água: A água bruta
utilizada e o permeado obtido no ensaio de
filtração
tiveram
alguns
parâmetros
caracterizados. As análises de cor (verdadeira e
aparente), turbidez, materiais com faixa de
absorção UV-254 nm, sólidos suspensos totais e
sólidos dissolvidos totais foram realizadas
segundo procedimento recomendado pelo
Standard Methods (APHA, 1995).
A cor foi medida em espectrofotômetro
HACH DR 2010, método 8025, programa 120,
Água Deionizada
Água Bruta
3000
-2
filtrante da membrana.
Para a determinação do “fouling” ou
entupimento, foi utilizada a Equação 2. Para cada
conjunto de curvas de fluxo, o entupimento foi
baseado em um tempo em comum entre as
curvas analisadas para que seja possível uma
comparação.
A Figura 3 apresenta as curvas de
caracterização da membrana, e do fluxo de
permeado em função do tempo de operação do
ensaio de filtração na pressão de 1 bar.
A Tabela 1 apresenta os parâmetros
caracterizados da água bruta e do permeado do
ensaio de filtração, sob a pressão transmembrana
de 1 bar, em comparação com as características
da legislação em vigor (Portaria 518 / MS).
2500
-1
Onde
(1)
Fluxo de Permeado (Lh m )
f Permeado =
comprimento de onda de 455 nm, por
comparação visual com padrão de cobalto-platina.
A cor aparente foi determinada na amostra sem
prévia preparação e a cor verdadeira foi
determinada após a filtração desta amostra.
A medida de turbidez foi realizada em
Turbidímetro portátil HACH – modelo 2100P.
Segundo Najm e Eaton, a absorbância em
UV-254 nm é utilizada como uma alternativa para
representação da matéria orgânica natural (MON)
(ou da potencial formação de trihalometanos) em
água. Os compostos de absorção em UV-254 nm
foram determinados em espectrofotômetro HACH
– modelo DR 5000. Os sólidos dissolvidos totais e
os sólidos suspensos totais foram determinados
pelo método gravimétrico.
O pH foi determinado por meio de pHmetro Digimed DM-2, conforme metodologia
descrita no manual do aparelho e as medições de
temperatura foram realizadas utilizando um
termômetro de mercúrio.
Os
indicadores
patogênicos,
como
coliformes totais, foram quantificados por meio
das placas 3M Petrifilm, segundo os métodos
NMKL (147.1993).
2000
1500
1000
500
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tempo (min)
Figura 3 – Comportamento do Fluxo de
Permeado pelo Tempo no Ensaio de Filtração
a 1 bar.
Tabela 1 – Parâmetros de Potabilidade
Caracterizados em Comparação com o Padrão
da Portaria 518 do MINISTÉRIO DA SAÚDE, do
Ensaio de Filtração a 1 bar
Parâmetros
AB
Analisados
Cor Verdadeira
(uH)
Cor Aparente
(uH)
Turbidez (uT)
UV-254 nm
(cm-1)
pH
Colif.Totais
M
cia (%)
ria
518/MS
51
2
96
-
62
4
94
15
9,1
0,4
95
5,0 / 1,0
Parâmetros
Analisados
Cor Verdadeira
(uH)
Cor Aparente
(uH)
Turbidez (uT)
UV-254 nm
0,12
0,03
74
-
7,96
7,95
-
6,0 - 9,5
pH
Ausên-
Colif.Totais
1.300
(UFC/100 mL)
Porta-
Eficiên-
Tabela 2 – Parâmetros de Potabilidade
Caracterizados em Comparação com o Padrão
da Portaria 518 do MINISTÉRIO DA SAÚDE, do
Ensaio de Filtração a 2 bar
0
100
cia
(cm-1)
(UFC/100 mL)
AB
M
Eficiência (%)
Portaria
518/MS
204
11
95
-
244
3
99
15
45,4
0,8
98
5,0 / 1,0
0,214
0,03
85
-
7,82
7,79
-
6,0 - 9,5
10.000
0
100
Ausência
SST (mg/L)
4,7
2,0
57
-
SST (mg/L)
12,7
6,0
53
-
SDT (mg/L)
79,3
36,0
55
1.000
SDT (mg/L)
105,3
64,0
39
1.000
Os dados apresentados na tabela indicam
as eficiências de remoção: 96 % para cor
verdadeira, 94 % para cor aparente, 95 % para a
turbidez, 74 % para os compostos com absorção
em UV-254 nm, 57 % para sólidos suspensos
totais, 55 % sólidos dissolvidos totais e 100% de
coliformes totais. Sendo o entupimento da
membrana de 61,3 % ao longo de 170 minutos de
operação de água bruta em relação à água
desionizada.
A Figura 4 representa as curvas de
caracterização da membrana e do fluxo de
permeado do ensaio de filtração com água bruta
na pressão de operação de 2 bar.
Na Tabela 2 estão apresentados os
parâmetros analisados da água bruta e permeado
com uma comparação com a Portaria 518 / MS.
7000
Água Deionizada
Água Bruta
6500
6000
-1
-2
Fluxo de Permeado (Lh m )
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tempo (min)
Figura 4 – Comportamento do Fluxo de
Permeado pelo Tempo no Ensaio de Filtração
a 1 bar.
A Tabela 2 apresenta os parâmetros
analisados da água bruta e do permeado, e suas
eficiências de remoção que foram 95 % para cor
verdadeira, 99 % para cor aparente, 98 % para a
turbidez, 85 % para os compostos com absorção
em UV-254 nm, 53 % para sólidos suspensos
totais, 39 % sólidos dissolvidos totais e 100 % de
coliformes totais. Sendo o entupimento da
membrana de 89,3 % ao longo de 170 minutos de
operação de água bruta em relação à água
deionizada.
Conclusões
Com base nos resultados obtidos, em
ambos os ensaios de filtração realizados, para as
pressões de 1 e 2 bar, pode-se observar que o
tratamento proposto foi adequado, para os
parâmetros analisados, tornando a água tratada
livre de coliformes totais e com os demais
parâmetros analisados, dentro dos padrões
estabelecidos pela Portaria 518 do MINISTÉRIO
DA SAÚDE, apresentando porcentagens de
remoção acima de 90 % dos parâmetros.
Tais estudos possibilitaram a necessidade
de um aprimoramento deste trabalho utilizando
agentes coagulantes em uma etapa de
coagulação/floculação antes da filtração, para a
formação de flocos de sedimentação, diminuindo
o fouling e melhorando ainda mais as
porcentagens de remoção dos parâmetros
analisados.
Logo o tratamento mostrou-se de maneira
satisfatória sendo de interesse econômico e
qualitativo. Em termos de fluxo o ensaio de
filtração a 1 bar apresentou vantagem em relação
ao ensaio de filtração a 2 bar, pois o fouling foi
menor para o primeiro.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
APHAAMERICAN
PUBLIC
HEALTH
ASSOCIATION, 1995, Standard Methods for
the Examination for Water and Wastewater.
19th ed., Washington.
BABBITT, H.E., 1973, ABASTECIMENTO DE
ÁGUA.
EDITORA
EDGARD
BLÜCHER LTDA – SÃO PAULO.
GUIGUI, C., ROUCH, J.C., DURAND-BOURLIER,
L., BONNELYE, V., APTEL, P., 2002, Impact
of Coagulation Conditions on the in-line
Coagulation/UF Process for Drinking Water
Production. Els. Sc. – Desalination, 147: 95100.
KONRADT-MORAES, L. C. K., 2004. Estudo da
coagulação-ultrafiltração para produção de
água potável. Dissertação de Mestrado,
Departamento de Engenharia Química/UEM,
Maringá – PR, Brasil, 135p.
LEE, S. H., CHUNG, K. C., SHIN, M. C., DONG,J.
I., LEE, H. S., AUH, K., H. –
Preparation of Ceramic Membrane and
Application to the Crossflow Microfiltration of
Soluble Waste Oil, Materials Letters, nº 52,
p. 266-271, Coréia do Sul, 2002.
LEMANSKI,
S.R.,
2004,
“Purificação
e
Concentração do Extrato Aquoso de Stévia
Rebaudiana Bertoni Através dos Processos
com Zeólitas e Membranas”. Tese de
Doutorado. Departamento de Engenharia
Química/UEM, Maringá, PR, Brasil.
MINISTÉRIO DA SAÚDE (MS), Portaria 518, de
25 de Março de 2004.
NAJM, I. M.; PATANIA, N. L.; JACANGELO, J. G.;
KRASNER, S. W. 1994. Evaluation
surrogates for disinfection by produtcs.
JAWWA, 98-106.
ORGANIZAÇÃO
PAN-AMERICANA
DA
SAÚDE/ORGANIZAÇÃO
MUNDIAL
DA
SAÚDE; Água e Saúde. 30/05/2001.
isponível em < http://www.opas.org.br>
Acesso em 10 de abril de 2002.
REVISTA MEIO AMBIENTE INDUSTRIAL, ano V,
ed. 25, n. 24, Maio/Junho de 2000.
SPINELLI, V. A. , 2001. Quitosana: polieletrólito
natural para o tratamento de água potável.
Dissertação (Mestrado em Engenharia
Química), Universidade Federal de Santa
Catarina – UFSC, Florianópolis, Santa
Catarina.
AGRADECIMENTOS
Ao CNPQ pelo financiamento do projeto.