MELHORIA DAS CONDIÇÕES DA ÁGUA ATRAVÉS DO USO DE FILTRO DE AREIA MODIFICADO COM BIOMASSA

1 Vanusa Maria F. de Oliveira e 2 Moilton R. Franco Júnior

1 Discente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química da UFU/MG 2 Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG

1,2 Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP 38408-100

e-mail: moilton@ufu.br

RESUMO - O desenvolvimento de uma região depende da qualidade da água disponível à população. Com o intuito de aliar o reaproveitamento de resíduos ao tratamento de água, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a eficiência de filtros de areia com recheio modificado com adição de casca de café ou de pinus in natura, para a remoção de contaminantes químicos e físicos do fluido percolante. Foram construídos filtros em PVC, providos de camadas internas de areia e biomassa, alimentados com água bruta sintética diariamente. As amostragens de filtrado foram realizadas, semanalmente, durante um mês. Os resultados mostraram que a casca de café não foi capaz de reduzir a turbidez inicial da água em mais de 35%, enquanto que para a casca de pinus essa porcentagem foi em média de 57%. Ambos os materiais apresentaram uma tendência em reduzir o pH da água. Os resultados ainda permitiram observar que, os filtros testados não se mostraram eficientes para a remoção de micro-organismos como era desejado.

Palavras-Chave: tratamento de água, filtração lenta, biomassas.

INTRODUÇÃO A quantidade de água disponível para o con-

sumo humano não é suficiente em muitos luga-res, não somente do Brasil, mas em todo o mun-do, uma em cada seis pessoas no mundo, sofrem com a escassez de água potável (Colavitti, 2013). Isso ocorre devido à má distribuição de recursos hídricos aliada ao mau uso que se faz das reser-vas naturais, nascentes de rios e também da con-taminação e desperdício da água (Ana, 2002; Domingos, 2013). Cerca de 40% da água tratada distribuída no Brasil é desperdiçada, enquanto que 45% da população do país, sequer tem aces-so a serviços de tratamento de água (Branco, 2013).

Sabe-se que a água é fonte vital dos orga-nismos, desde bactérias, vírus e protozoários, até os mais desenvolvidos. Assim, a sua importância na saúde, visto que pode ser o veículo transmis-sor de muitas doenças como a cólera, febre tifoi-de, leptospirose, ascaridíase, esquistossomose, entre outras (Branco, 2013; Colavitti, 2013; Pinto; Hermes, 2006). A contaminação da água se dá principalmente pelo lançamento de esgoto sanitá-

rio em córregos e rios (Kronemberger et al., 2011).

Assim a necessidade de técnicas para purifi-cação da água, mesmo em regiões em que a quantidade desta é insuficiente e, portanto o tra-tamento convencional se torna inviável. Os pro-cessos envolvidos no tratamento são muitos, po-rém sempre com o mesmo objetivo, de clarifica-ção e desinfecção da água (Brasil, 2006). Em ge-ral, para isso são empregadas técnicas de filtra-ção, decantação ou sedimentação, floculação, coagulação, alcalinização, cloração e fluoretação (Sabesp, 2014). Todos os processos, inclusive os de caráter emergencial e domiciliar, apresentam vantagens e desvantagens, a metodologia apro-priada depende das características da região e da própria água a ser tratada, dos materiais disponí-veis para a execução do procedimento, dos cos-tumes da população local além da disponibilidade das pessoas pra a implementação e operação do sistema (Duarte, 2011; Mwabi et al., 2011).

Para remoção de turbidez em nível domésti-co, por exemplo, podem ser empregados proces-sos de sedimentação e filtração, com filtros de fibra e filtros lentos de areia (Sobsey, 2002). Uma modificação destes últimos são os chamados

BSF, bio sand filter, que se diferem dos anteriores na maior capacidade de remoção de contaminan-tes, inclusive micro-organismos (Mwabi et al., 2011; Baig et al., 2011). Além disso, modificações dos próprios BSF são estudadas para melhorar o desempenho (Ahammed; Drava, 2011; Baig et al., 2011).

Materiais com capacidade de retenção de partículas, como os de superfície porosa, podem ser uma alternativa para a modificação e melhoria destes tratamentos, como biomassas, por exem-plo, que são geradas como resíduos em muitas culturas no Brasil, e em alguns casos até possu-em potencial de contaminação ambiental. Sendo assim, este trabalho buscou aliar o tratamento de água ao descarte sustentável deste tipo de resí-duo orgânico, uma vez que no país não se tem pesquisas neste sentido.

Logo, o objetivo deste este estudo foi o de-senvolvimento de um BSF modificado com casca de café e de pinus, a fim de avaliar a eficiência para reduzir contaminantes físicos, químicos e principalmente, biológicos e melhorar a qualidade da água, com um sistema de fácil implantação e operação, a nível domiciliar.

MATERIAIS E MÉTODOS

As cascas utilizadas não sofreram qualquer tipo de tratamento físico ou químico para ativa-ção, apenas foram lavadas com água de torneira, para remoção da cor, o que ocorreu em três dias, em seguida foram secas em estufa a temperatura de 65 °C. Para obtenção da granulometria dese-jada, entre 4,75 mm e 2,36 mm, o material foi se-parado utilizando um sistema de peneiras, que também foi utilizado para a classificação da areia definida como: cascalho, de tamanho entre 6,00 mm e 4,00 mm; cascalho fino, entre 3,00 mm e 2,00 mm; areia grossa, entre 1,68 mm e 0,71 mm e areia fina, entre 0,25 mm e 0,08 mm.

A areia assim como as cascas, foi acondicio-nada em camadas, formando o meio filtrante, em dois tubos de PVC acoplados na parte inferior de um reservatório, conectados a duas provetas gra-duadas por mangueiras, formavam o sistema de filtração. Como só era possível analisar dois filtros de cada vez, o trabalho foi dividido em três eta-pas: a primeira comparou-se o comportamento das duas biomassas utilizando areia grossa, na segunda foi realizada a comparação do BSF con-vencional de areia fina com o modificado com casca de café e na última etapa foi feito o mesmo procedimento utilizando casca de pinus como modificação. Cada etapa teve duração de quatro semanas, os filtros eram alimentados com água bruta sintética diariamente e as análises realiza-das duas vezes na semana, antes e após cada filtração.

A preparação da água bruta sintética consistiu em contaminar água de torneira com esgoto fres-co para monitorar a presença de coliformes e ter-ra para conferir turbidez e cor a água.

As análises químicas de dureza, cloretos e nitrogênio amoniacal, além da cor e presença de coliformes, foram realizadas utilizando o conjunto de procedimentos de um kit comercial para análi-se de potabilidade da água, enquanto que a varia-ção dos parâmetros físicos como, condutividade elétrica, pH, temperatura e turbidez, foi monitora-da com instrumentos de medida apropriados.

RESULTADOS

A vazão de filtração reduz com o tempo, no

entanto, essa redução não é gradativa, sofre a influência do nível de líquido no reservatório, uma vez que o sistema foi operado em batelada, as-sim, nos dias em que o volume de líquido era maior, o volume de filtrado era superior aos dias em que o nível do reservatório era baixo. Somen-te a casca de café, quando utilizada com areia fina, mostrou um comportamento decrescente mais uniforme, após uma abrupta diminuição já no início da operação, provavelmente devido a compactação da camada vegetal.

Todos os sistemas foram capazes de reduzir a turbidez inicial da água, porém essa redução não foi maior do que a obtida com BSF convenci-onal. Além do mais, o efluente do BSF modificado com casca de café e areia fina, teve os valores de turbidez e cor superiores ao da água bruta sintéti-ca, após a primeira semana de tratamento, esse fato pode ter ocorrido pela liberação de substân-cias, causada pela decomposição do vegetal no interior do filtro, visto que o material possui 4,5% de lipídeos entre outros nutrientes (Andrade, 2009). Já a casca de pinus, se mostrou ligeira-mente mais eficiente que o BSF convencional de areia no início do estudo, no entanto, nos últimos dias a porcentagem de remoção foi menor do que do filtro de areia, mesmo assim, se manteve alta, a porcentagem de redução da turbidez pelo filtro modificado com casca de pinus foi de 58% em média. Vale ressaltar que o BSF modificado com zeólitas naturais utilizado por Mwabi et al. (2011) apresentou porcentagem de remoção acima de 90%, nas condições por eles adotadas. Baig et al. (2011) também conseguiram remoções de turbi-dez acima de 80%, nos primeiros 30 dias com o BSF modificado com maior quantidade de casca de pinus. O comportamento da turbidez da água com o tempo devido aos tratamentos com BSF de casca de pinus é apresentado na figura 1.

Figura 1 – Variação da turbidez do filtrado, on-de: AS representa os valores da água bruta sintética, A representa os valores do efluente do filtro de areia e P os valores do efluente do filtro com casca de pinus.

Observa-se que em geral, o valor de turbidez

do efluente do filtro modificado com casca de pi-nus se manteve abaixo de 10 NTU, unidades ne-felométricas de turbidez.

Como já foi dito, a casca de café não se mos-trou eficiente na redução da cor aparente da água, além disso, conferiu cor a mesma, por outro lado, a casca de pinus presente no filtro proporci-onou uma porcentagem de redução da cor apa-rente da água sintética de quase 70% em todo o estudo. Isso talvez possa ser explicado pela estru-tura interna dos materiais, apresentada na Figura 2.

Figura 2 – Superfície interna da casca de pinus (A) e superfície da casca de café (B).

Pelas imagens anteriores geradas por mi-croscopia eletrônica de varredura, numa amplia-ção de 400 vezes, se observa que a casca de pinus apresenta uma superfície com grande quan-tidade de poros de tamanhos variados, enquanto que a biomassa de café não tem uma superfície rica em poros.

Durante todo o estudo, também foi analisada a condutividade elétrica (CE) do líquido, que cor-responde a capacidade da solução em conduzir corrente elétrica, sendo, portanto, uma forma de estimar a quantidade de sólidos totais, uma vez que é proporcional ao número de íons dissolvidos no meio.

Ambos os materiais utilizados como modifica-ção dos BSF provocaram uma leve elevação na condutividade elétrica do filtrado, como pode ser observado na figura 3.

Figura 3 – Variação da condutividade elétrica do filtrado, onde AS representa os valores ob-tidos para a água bruta sintética, A os valores do filtrado com o filtro de areia, C do efluente do BSF de casca da café e P efluente do filtro modificado com casca da pinus.

Isso pode ter sido causado pelo arraste de componentes químicos das próprias biomassas, uma vez que estas são muito ricas em nutrientes como K, N, P e, além disso, apresentam conduti-vidade elétrica elevada, a casca de café, por

exemplo, possui condutividade elétrica de 1156 µS.cm-1, de acordo com Zoca (2012). Lo Mônaco et al. (2011) que utilizaram casca de café em fil-tros orgânicos para melhoria das condições da água residuária da cafeicultura, também observa-ram elevação na condutividade elétrica e concen-tração de sólidos totais no efluente. Outra causa possível é o arraste de partículas de areia, até porque, na segunda e terceira etapas do trabalho, se utilizou areia fina como meio de filtração, além das cascas, e até mesmo o BSF convencional provocou elevação do parâmetro.

Pode-se perceber que na etapa em que a modificação foi realizada com casca de café e areia fina, houve um decréscimo de condutividade elétrica com o tempo, e em seguida um aumento, vale ressaltar que nesta etapa se trabalhou com baixa vazão em todo o período assim se evitaria o arraste de material, logo os valores de condutivi-dade elétrica dos efluentes são apenas ligeira-mente superiores aos da água sintética, princi-palmente no início do estudo. Na parte final do trabalho, em que a condutividade elétrica da água sintética foi um pouco maior, as variações deste parâmetro no líquido filtrado também foram maio-res. Provavelmente com a obstrução dos poros pelas partículas de sujeira com o passar do tem-po, a passagem do líquido arrastava as de menor granulometria. Enquanto que na última etapa do estudo, em que se trabalhou com maior vazão de entrada de água sintética e casca de pinus como complemento do meio filtrante, houve elevação da condutividade durante todo o período de análise, o que reforça a ideia de que ocorreu passagem de partículas de areia para a água filtrada e que portanto, essa condição de vazão não deve ser utilizada.

Ao contrário do que foi observado por Baig et al., (2011), em que o tratamento proporcionou ligeira elevação no valor do pH inicial da água, de apenas 1%. Os BSF modificados neste estudo, provocaram redução no valor de pH após a filtra-ção da água sintética. Quando areia grossa foi utilizada como parte do meio de filtração esse aumento foi maior do que quando foi utilizado areia fina, além disso, houve um aumento ao lon-go do tempo para ambos os filtros modificados. Para a modificação com casca de café, a eleva-ção em relação ao pH da água sintética foi de 25% na primeira etapa e 7 % na segunda fase, sendo a média de pH de 6 nas duas fases, en-quanto que para a casca de pinus essa redução foi menos acentuada, na primeira fase, reduziu em 16% o pH inicial da água e na última etapa essa porcentagem foi de apenas 3%, sendo os valores médios de 6,5 e 7,0 unidades de pH, res-pectivamente. Enquanto que o BSF convencional não provocou alteração no valor deste parâmetro. Esse comportamento talvez possa ser devido a

composição química da casca de café, uma vez que este material apresenta caráter ácido, com um pH de 5,9 de acordo com Zoca (2012). Mes-mo com as variações de pH, os efluentes não apresentaram valores fora da faixa de neutralida-de permitida pela legislação, acima de 6 unidades de pH (Brasil, 2011). A figura 4 apresenta o com-portamento dos filtros modificados com os vege-tais ao longo do estudo para este parâmetro.

Figura 4 – pH do filtrado para tratamento em-pregando-se filtro de areia recheado com cas-ca de café (A) e com casca de pinus (B).

A temperatura da água antes e após cada tra-tamento também foi monitorada, no entanto, não foram obtidas variações significativas para ne-nhum dos tratamentos utilizados. Na primeira eta-pa do estudo a temperatura média da água bruta sintética foi de 27,3°C e a dos efluentes dos filtros modificados com casca de café e pinus de 27,2°C e 27,0°C, respectivamente, na segunda etapa a temperatura da água bruta sintética foi de 26,1°C enquanto que a do efluente do BSF de casca de café não passou de 26,0°C e na última etapa do estudo, quando a temperatura ambiente estava menor, o valor medido para a água bruta sintética foi o mesmo para a água filtrada pelo sistema de casca de pinus, 23,5°C.

Os parâmetros químicos analisados foram cloretos, dureza e nitrogênio amoniacal. Os filtros modificados com casca de pinus provocaram mo-desta redução nos valores de cloretos e dureza da água bruta, mas em grande parte das análises a biomassa não conferiu alteração nesses parâ-metros, enquanto que os efluentes do sistema modificado com casca de café apresentaram con-centração de cloretos menor do que da água bru-ta sintética. Por outro lado, os níveis de dureza foram elevados ao serem tratados com filtro de areia com casca de café, como pode ser obser-vado na figura 5.

Figura 5 – Níveis da dureza do filtrado obtido.

O nível de nitrogênio amoniacal dos efluentes, em geral, foi superior ao da água bruta sintética em praticamente todos os tratamentos. A figura 6 mostra o a variação média de nitrogênio amonia-cal devido a filtração com BSF de casca de café.

Figura 6 – Concentração de nitrogênio amoni-acal.

Os valores apresentados são da segunda par-te do estudo, onde se pode observar que em to-das as amostragens o valor de nitrogênio amoni-acal do efluente tratado com filtro modificado com a casca de café, foi maior do que o da água bruta sintética. Vale ressaltar, que na primeira fase es-

se aumento foi menor. Incialmente a concentra-ção média de nitrogênio amoniacal da água bruta sintética era de 0,12 mg.L-1, passando para 0,17 mg.L-1 após todo o período de tratamento com o filtro de areia e casca de café, enquanto que a presença da casca de pinus no filtro não provocou alteração deste parâmetro nesta parte do traba-lho. O que provavelmente se deve a composição química dos materiais, a concentração de nitro-gênio total da casca de café é de 18,8 g.kg-1 (Brandão, 1999), enquanto que da casca de pinus é de, aproximadamente, 5 g.kg-1 (Silva et al., 2009).

Também foi realizada uma análise de carbono total da água, assim como para os níveis de nitro-gênio, os valores deste parâmetro do efluente do filtro modificado com casca de café, foram superi-ores ao do efluente tratado com casca de pinus, enquanto que o primeiro uma elevação acima de 90% foi registrada, para a biomassa de pinus es-se aumento foi de apenas 25%.

Os resultados obtidos com o tratamento de BSF modificado com casca de café, concordam com os encontrados por Lo Mônaco et al., (2011), cujos valores de condutividade elétrica, sólidos totais, nitrogênio total e outros contaminantes da água residuária de cafeicultura também foram elevados ao serem tratados com filtros constituí-dos por casca de pergaminho de café. O principal objetivo do estudo era verificar se a modificação na estrutura dos filtros e a utilização das biomassas seriam capazes de diminuir a pre-sença de contaminantes biológicos do grupo coli-formes, da água sintética. Porém, nenhum dos filtros utilizados, nem mesmo os de areia conse-guiram reduzir a concentração inicial de colifor-mes da água, ao invés disso, provocaram a con-taminação da água filtrada. A Tabela 1 apresenta alguns valores observados deste parâmetro. Tabela 1 – Concentração de coliformes antes e após os tratamentos. Tempo (dias) Filtro Antes

(UFC/100mL) Após

(UFC/100mL)

0 – 7 C1 1,1×103 7,6×102 P1 1,1×103 4,8×102 A1 4,0×102 8,4×102

7 – 14 C1 1,6×102 7,6×102 P1 1,6×102 1,2×102 A1 2,0×102 2,8×102

14 – 21 C1 1,6×102 1,7×103 P1 1,6×102 5,7×104 A1 2,4×102 2,4×102

21 – 28 C1 < 8,0×101 7,2×102 P1 < 8,0×101 5,6×102 A1 2,4×102 1,6×102

Isso pode ter sido causado, porque no pro-

cesso tradicional de filtração lenta é necessário fazer a remoção da camada superficial de areia, onde os micro-organismos ficam retidos, essa limpeza deve ser realizada periodicamente a de-pender das condições de operação, e isso não foi realizado neste estudo, até porque era um dos objetivos do mesmo, analisar o comportamento dos filtros nessa situação.

CONCLUSÃO

A modificação proposta para o sistema de fil-

tração de pequena escala, utilizando cascas de vegetais, sem tratamento prévio e sem a realiza-ção periódica de limpeza da camada superficial de areia dos filtros, não apresentou vantagem em relação ao filtro convencional de areia e, além disso, promoveu a contaminação da água devido ao arraste de partículas.

No entanto, mesmo assim, as biomassas uti-lizadas foram capazes de reduzir a concentração de alguns dos parâmetros analisados. A casca de pinus apresentou melhores porcentagens de re-dução nos valores de turbidez e cor, do que a casca de café, provavelmente devido à estrutura superficial do material que apresenta maior quan-tidade de poros. A introdução de biomassa de café também provocou redução no valor de pH e cloretos, enquanto que a dureza e CE iniciais da água foram elevados. Comportamento parecido foi observado para a modificação com casca de pinus, redução nos níveis de cloretos, pH, no en-tanto dureza e CE foram aumentadas. Ambos os materiais conferiram aumento nos níveis de car-bono total e nitrogênio amoniacal da água tratada e nenhum deles provocou redução na concentra-ção de coliformes.

Sendo assim, os materiais testados não de-vem ser empregados para o uso em tratamento de água para consumo humano, porém, o uso de casca de pinus, se mostra eficiente para melhoria das condições da água num tratamento a nível primário, por exemplo, para redução de turbidez e cor, a depender do destino que se queria dar a esse filtrado, sendo necessárias operações poste-riores de desinfecção.

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