Fundamentos de Qualidade e Tratamento de Água

4ª Edição revisada e ampliada

Fundamentos de Qualidade e Tratamento de

Água Marcelo Libânio

DIRETOR GERAL Wilon Mazalla Jr. COORDENAÇÃO EDITORIAL Willian F. Mighton COORDENAÇÃO DE REVISÃO E COPYDESK Alice A. Gomes REVISÃO DE TEXTOS Clarice Villac EDITORAÇÃO ELETRÔNICA Fabio Diego da Silva Tatiane de Lima CAPA Patrícia Lagoeiro Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Libânio, Marcelo Fundamentos de qualidade e tratamento de água/ Marcelo Libânio. - - Campinas, SP: Editora Átomo, 2016.

4ª Edição Bibliografia 1. Água 2. Água - Estação de tratamento - Equipamento e acessórios 3. Águas naturais - Purificação 4. Água - Controle de qualidade I. Título.

05-6323

CDD-628.1 Índices para Catálogo Sistemático

1. Água: Tratamento: Controle de qualidade: Tecnologia: Engenharia sanitária 628.1 ISBN 978-85-7670-271-9 Todos os direitos reservados ao

Grupo Átomo e Alínea Rua Tiradentes, 1053 - Guanabara - Campinas-SP CEP 13023-191 - PABX: (19) 3232.9340 e 3232.0047 www.atomoealinea.com.br Impresso no Brasil

CONSELHO EDITORIAL Área | Química

Aécio Pereira Chagas Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Célio Pasquini Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Flávio Leite T & E Analítica

José de Alencar Simoni Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Mário Sérgio Galhiane Universidade Estadual Paulista – UNESP

Pedro Faria Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Robson Fernandes de Farias Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN

Ao meu querido tio Rubens Libânio, que desempenha há tanto tempo e com tanto desvelo papel que talvez não lhe coubesse.

A Leonardo Parma e Bernardo Macedo, amigos exemplares!, pela ventura da convivência já tocada pelos anos.

A Ana Tereza e Mariana. Incondicionalmente.

Não há como deixar de reconhecer a importância das diversas pesquisas desenvolvidas sob a chancela de órgãos estaduais e federais de fomento – como Fundunesp, Fapemig, Finep, Capes e CNPq –, de agências reguladoras de saneamento, e empresas públicas e privadas. Diversos resultados destes esforços foram, com êxito variável, transpostos para as páginas deste livro. Da mesma forma, o papel dos diversos alunos de graduação e pós-graduação com os quais tive a satisfação de trabalhar na UFMG, Unesp (Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira), UFOP e UEPB. Destes, em especial, Maria de Lourdes Fernandes Neto e Vanessa Cristina Lopes. A primeira pela leitura aguda dos capítulos relacionados à qualidade de água na primeira edição desta obra, a segunda pelos diversos desenhos que se espraiam pelas páginas do livro.

A ambas pela atenção e delicadeza.

[...] Tudo o que quiserem, porque a terra que andamos puxados pelos pés, querendo deitar raízes, homens-árvore como no mito de Dafne, é a das serras em forma das chaminés, lanças, seios, anátemas, agulhas, manoplas, ereções, castelos, torreões, navios – azuladas, pela manhã, quando emergem do mar de bruma dos valados, refulgentes ao sol do meio-dia e recortando-se sobre os tons de cobre, ouro e púrpura do entre-dia-e-noite. Serras, serras, picos...

Curral, Piedade, Rola-Moça, Cauê, Caraça, Itacolomi, Vertentes, Mantiqueira.

Serras de cujas encostas descem os rios que vão ao São Francisco e Paraíba para soltar no Atlântico o nosso sangue mineral. Rios encachoeirados, rápidos ou lentos, turvos ou claros, limosos, vermelhos, lamacentos, verdes, cheios de ferrugem e de ouro em pó. Rios, rios, ribeirões... Sapucaí, Paraopeba, Arrudas, Santa Bárbara, Gualaxo do Norte, Funil, Peixe, Gualaxo do Sul, Carmo, Grande, Rio das Velhas, Rio das Mortes... Rios que levam até o mar o sabor de Belo Horizonte, Caeté, Sabará, Ouro Preto, Mariana, Congonhas do Campo, Santa Bárbara do Mato Dentro. Rios que pela vida subterrânea dos lençóis d’água drenam do solo das igrejas e da terra dos cemitérios a substância calcária de meus parentes – porque deles há sempre um esqueleto em cada cripta ou cada campo santo – contido naquele círculo que começa e acaba em Queluz, tendo Rio Acima como centro do seu raio. Essas áreas não posso chamar de pátria, porque não as amo civicamente. O meu sentimento é mais inevitável, mais profundo e mais alto porque vem da inseparabilidade, do entranhamento, da unidade e da consubstanciação. Sobretudo, da poesia... Assim, onde é que já se viu um pouco d’água amar o resto da água? Se tudo é água...

Pedro Nava – Baú de Ossos

Sumário Apresentação da 4ª Edição................................................................................................................ 13 Capítulo 01 Introdução......................................................................................................................................... 15 Conceito e histórico..................................................................................................................... 15 Usos da água e disponibilidade hídrica....................................................................................... 16 Propriedades das águas naturais.................................................................................................. 25 Capítulo 02 Características Físicas das Águas Naturais....................................................................................... 31 Temperatura................................................................................................................................. 31 Cor............................................................................................................................................... 33 Turbidez, sólidos suspensos e contagem de partículas................................................................ 37 Sabor e odor................................................................................................................................ 46 Condutividade elétrica................................................................................................................. 51 Capítulo 03 Características Químicas das Águas Naturais................................................................................... 53 pH................................................................................................................................................ 53 Alcalinidade................................................................................................................................ 55 Acidez.......................................................................................................................................... 56 Dureza......................................................................................................................................... 56 Oxigênio dissolvido.................................................................................................................... 61 Salinidade.................................................................................................................................... 63 Demandas química e bioquímica de oxigênio............................................................................. 64 Carbono orgânico total................................................................................................................ 65 Compostos orgânicos.................................................................................................................. 69 Fármacos e desreguladores endócrinos....................................................................................... 71 Ferro e manganês........................................................................................................................ 72 Nitrogênio.................................................................................................................................... 76 Fósforo........................................................................................................................................ 78 Fluoretos...................................................................................................................................... 80 Metais-traço................................................................................................................................. 80 Arsênio........................................................................................................................................ 82 Agrotóxicos................................................................................................................................. 83

Alumínio e lítio........................................................................................................................... 86 Características radioativas........................................................................................................... 89 Capítulo 04 Características Biológicas das Águas Naturais................................................................................. 91 Considerações iniciais................................................................................................................. 91 Bactérias coliformes.................................................................................................................... 93 Protozoários................................................................................................................................. 97 Vírus entéricos........................................................................................................................... 107 Outros indicadores microbiológicos.......................................................................................... 108 Algas e cianobactérias............................................................................................................... 110 Comunidades hidrobiológicas................................................................................................... 117 Capítulo 05 Índices de Avaliação de Qualidade de Água................................................................................... 119 Conceito e aplicações................................................................................................................ 119 Metodologia Delphi................................................................................................................... 121 Índice de qualidade de água...................................................................................................... 122 Índice de estado trófico............................................................................................................. 127 Índice de qualidade de água bruta............................................................................................. 130 Outros índices aplicados ao monitoramento de qualidade de água........................................... 137 Capítulo 06 Poluição e Contaminação de Mananciais....................................................................................... 143 Conceito.................................................................................................................................... 143 Tipos de captação e seus efeitos sobre a qualidade de água..................................................... 147 Alterações nas características das águas superficiais................................................................ 154 Alterações nas características das águas subterrâneas.............................................................. 161 Proteção de mananciais............................................................................................................. 169 Capítulo 07 Padrões de Potabilidade.................................................................................................................. 175 Histórico.................................................................................................................................... 175 Evolução dos padrões de potabilidade norte-americanos......................................................... 176 Evolução dos padrões de potabilidade nacionais...................................................................... 178 Tendências ................................................................................................................................ 184 Capítulo 08 Tecnologias de Tratamento............................................................................................................. 193 Fatores intervenientes na definição da tecnologia de tratamento.............................................. 193 Tecnologias de tratamento......................................................................................................... 210 Capítulo 09 Coagulação...................................................................................................................................... 219 Histórico e conceito................................................................................................................... 219

Mecanismos de coagulação....................................................................................................... 223 Fatores intervenientes na coagulação........................................................................................ 230 Unidades de mistura rápida....................................................................................................... 268 Capítulo 10 Floculação....................................................................................................................................... 283 Considerações iniciais............................................................................................................... 283 Mecanismos de transporte e intervenientes na floculação........................................................ 285 Mecanismos de agregação e ruptura dos flocos........................................................................ 291 Fatores intervenientes na floculação......................................................................................... 298 Tipos de unidades de floculação............................................................................................... 315 Capítulo 11 Decantação...................................................................................................................................... 343 Conceito e histórico................................................................................................................... 343 Distribuição de água floculada.................................................................................................. 344 Sedimentação de partículas discretas........................................................................................ 349 Sedimentação de partículas floculentas..................................................................................... 357 Tipos de unidades de decantação.............................................................................................. 358 Avaliação da decantação e modificação de decantadores de escoamento horizontal............... 391 Resíduos gerados nas unidades de decantação.......................................................................... 396 Capítulo 12 Filtração.......................................................................................................................................... 403 Conceito e histórico................................................................................................................... 403 Mecanismos intervenientes na filtração.................................................................................... 406 Meio filtrante............................................................................................................................. 414 Tipos de filtros empregados no tratamento de água.................................................................. 430 Sistemas de drenagem, camada-suporte e calhas de coleta ...................................................... 460 Aspectos operacionais dos filtros rápidos................................................................................. 467 Sistemas de controle de filtros.................................................................................................. 483 Capítulo 13 Adequação e Otimização de Estações de Tratamento de Água...................................................... 491 Introdução.................................................................................................................................. 491 Diagramas de coagulação.......................................................................................................... 493 Ensaios de tratabilidade para estações existentes ..................................................................... 497 Ensaios de tratabilidade para estações por construir................................................................. 510 Procedimentos para realização dos ensaios em reatores estáticos............................................ 515 Avaliação do desempenho das unidades filtrantes.................................................................... 517 Capítulo 14 Filtração em Membrana.................................................................................................................. 519 Introdução.................................................................................................................................. 519 Histórico.................................................................................................................................... 521

Aplicação e tipos de membranas............................................................................................... 523 Custos dos sistemas de filtração em membrana........................................................................ 526 Eficiência da tecnologia de filtração em membranas................................................................ 529 Capítulo 15 Adsorção......................................................................................................................................... 531 Conceituação e fundamentação teórica..................................................................................... 531 Características dos adsorventes................................................................................................. 534 Características e propriedades das águas intervenientes na adsorção....................................... 538 Tipos de adsorventes................................................................................................................. 539 Cinética da adsorção.................................................................................................................. 544 Aplicações de carvão ativado na remoção de microcontaminantes.......................................... 547 Capítulo 16 Desinfecção..................................................................................................................................... 553 Conceito e histórico................................................................................................................... 553 Processos e mecanismos de desinfecção................................................................................... 555 Fatores intervenientes na eficiência da desinfecção.................................................................. 557 Desinfecção com compostos de cloro....................................................................................... 560 Desinfetantes alternativos ao cloro........................................................................................... 571 Capítulo 17 Fluoretação...................................................................................................................................... 581 Conceito.................................................................................................................................... 581 Histórico.................................................................................................................................... 582 Atuação preventiva do flúor...................................................................................................... 583 Fluoretação no Brasil................................................................................................................ 585 Compostos de flúor................................................................................................................... 587 Aplicação do flúor..................................................................................................................... 588 Custo da fluoretação.................................................................................................................. 591 Capítulo 18 Corrosividade e Agressividade....................................................................................................... 593 Introdução.................................................................................................................................. 593 Relevância................................................................................................................................. 594 Corrosão metálica...................................................................................................................... 595 Agressão a concreto.................................................................................................................. 604 Métodos de combate à corrosão................................................................................................ 606 Condicionamento químico........................................................................................................ 609 Lista de Abreviaturas e Siglas......................................................................................................... 619 Referências...................................................................................................................................... 621

Apresentação da 4ª Edição Na primeira edição desta obra relatei o quão difícil foi precisar quando a motivação para escrevê-la manifestou-se pela primeira vez. Talvez tenha surgido de forma ainda tênue quando ministrei, na graduação na Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, disciplina relacionada ao tema no final da década de 1980. Alguns anos depois o mesmo se deu na Universidade Estadual Paulista (Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira). De 1994 a 2011, passei a ministrá-la com maior frequência no contexto do curso de Especialização em Engenharia Sanitária e pouco depois, de forma perene, no bojo do Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG. Tive também oportunidade de ministrar diversos cursos de curta duração em vários estados do Brasil, experiência que ajudou a consolidar o desejo de produzir obra que contribuísse para disseminação dos conceitos relacionados a tão importante tema.

O discreto êxito das duas edições anteriores motivou-me, na terceira edição, a ampliar o espectro de abrangência da obra. Assim, como resultado de pesquisas que tive a satisfação de coordenar, foram inseridos dois capítulos versando sobre indicadores de qualidade de água e filtração em membrana como emergente tecnologia de tratamento.

Para esta quarta edição, a ampliação do capítulo referente às características das águas naturais culminou com a divisão em três capítulos distintos (2, 3 e 4). Os demais capítulos expandidos centram-se nos aspectos fundamentais relacionados ao novo padrão de potabilidade, à poluição de mananciais passíveis de serem empregados para abastecimento e às etapas do tratamento. Os principais processos e operações unitárias intrínsecos às tecnologias de tratamento mais extensivamente utilizadas ou cujas características favoreçam seu emprego no País são abordados nos capítulos subsequentes. Neste contexto, insere-se nesta edição o Capítulo 15 versando sobre adsorção de microcontaminantes, escrito em coautoria com o químico industrial Diego Roberto Sousa Lima.

Apenas a flotação por ar dissolvido ainda não foi contemplada, embora em algumas estações na Região Sudeste esta operação unitária faça-se presente com resultados variáveis.

Cabe destacar que o Capítulo 18 foi elaborado pelo engenheiro Aloísio Prince e os capítulos 11 e 14 contaram, respectivamente, com a colaboração dos engenheiros Nelson Guimarães e Álisson Bragança, ambos da Companhia de Saneamento de Minas Gerais. O livro destina-se a profissionais e estudantes – de graduação e pós-graduação –, apresentando os fundamentos teóricos das etapas do tratamento e diversos exemplos de cálculo. Cálculos adicionais dos parâmetros hidráulicos inerentes às etapas integrantes das tecnologias de potabilização podem ser realizados por meio de software disponível no endereço <www.ehr.ufmg.br>.

Por fim, a partir da terceira edição, decidi incluir no início de cada capítulo verbetes hídrico-literários, incomuns em obra que mais das ciências exatas se aproxima, e que talvez – também pela significativa presença do maior ícone das nossas letras – possam se constituir do texto a sua melhor parte.