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Avaliação de fatores intervenientes no desempenho de estações de tratamento de água

Resumo

O objetivo do trabalho consistiu em avaliar a influência da sazonalidade, da eventual sobrecarga hidráulica, do porte, do custo e da idade no desempenho de estações convencionais de tratamento de água pela análise de confiabilidade como ferramenta de avaliação. Para tal, empregaram-se dados operacionais do efluente de 20 estações operadas pelo mesmo prestador referentes ao período 2009–2014. As análises estatísticas mostraram que o desempenho, em termos de turbidez do efluente, elevou-se no período de estiagem em relação ao chuvoso e nas unidades de pequeno porte avaliadas. No mesmo contexto, a quase totalidade das estações submetidas à sobrecarga hidráulica apresentou desempenho inferior. A determinação da faixa de turbidez requerida na saída da estação, pela análise de confiabilidade, mostrou-se importante ferramenta de gestão permitindo hierarquizar ações de melhorias nos sistemas. Não se verificou correlação entre o nível de confiabilidade e o custo do tratamento e a idade da estação.

Introdução

Diversos fatores intervêm no desempenho das estações de tratamento de água, destacando-se as características da água bruta, os parâmetros hidráulicos relacionados aos processos e às operações unitárias inerentes à potabilização, a acurácia da operação e as metas de qualidade da água tratada. Falhas no tratamento podem expor a comunidade a riscos à saúde, por meio das doenças intestinais e outras de veiculação hídrica.

Entre os fatores mencionados no desempenho das estações, as características da água bruta ocupam posição de relevo na qualidade do efluente tratado. Embora seja difícil estabelecer hierarquias absolutas acerca dos parâmetros de qualidade das águas naturais para fins de tratabilidade, E. coli, cor verdadeira, concentração (ou densidade) de cianobactérias e turbidez têm sido aludidos como os mais relevantes para mananciais com baixas concentrações de pesticidas e metais-traço (OLIVEIRA et al., 2019). Em países tropicais, onde se verificam baixos níveis de coleta e tratamento de esgotos, a definição da tecnologia de potabilização comumente fia-se na magnitude da turbidez e da cor verdadeira (Cunha; SABOGAL-PAZ; DODDS, 2016).

Para o adequado desempenho, três características da estação de tratamento fazem-se necessárias: robustez, resiliência e confiabilidade. A primeira pode ser definida como a capacidade de a estação manter a produção de água tratada com qualidade estável, independentemente das variações que possam ocorrer nas características da água bruta. Essa característica explica — e em muitos cenários justifica — a prevalência da tecnologia convencional de potabilização no Brasil e no mundo. Já a resiliência expressa a velocidade com que a estação retorna ao seu desempenho normal após algum distúrbio, geralmente causado pela deterioração da qualidade da água bruta ou por problemas operacionais, por exemplo, interrupção da adição de coagulante. Por fim, a confiabilidade — na qual o cerne do artigo se insere — avalia a probabilidade de a estação atender às metas de qualidade em determinado período de tempo, metas impostas pela legislação vigente ou definidas pelo próprio prestador de serviço de abastecimento de água (ZHANG et al., 2012).

A conjunção dessas três características traduz-se usualmente na tecnologia convencional de potabilização — também denominada “ciclo completo”, dotada de unidades de mistura rápida, floculação, decantação (ou flotação), filtração e desinfecção —, a mais empregada nos países tropicais pela menor qualidade da água bruta durante o período chuvoso. No Brasil, cerca de 70% da população urbana (aproximadamente 124 milhões de pessoas) é abastecida por sistemas conectados a estações convencionais. Considerando os mananciais superficiais, estima-se esse percentual em 94% da população urbana abastecida por mais de 5.500 estações convencionais de tratamento de água (IBGE, 2015). Apenas a Companhia de Saneamento de Minas Gerais (Copasa) responde pela operação de algo como 592 unidades distribuídas em todo estado.

Esforços na avaliação de desempenho das estações comumente restringem-se ao percentual de amostras ou ao tempo de operação no qual o efluente atende aos limites estabelecidos pelo padrão de potabilidade. Em contexto mais amplo, estudo contemplou 75 estações de tratamento de água na Pennsylvania (EUA) operadas por distintos prestadores, utilizando dez anos de registros de turbidez efluente.

Avaliaram-se a magnitude da população abastecida, o emprego e o tipo de coagulante, a taxa de filtração e o tipo de meio filtrante, o tipo de manancial, a tecnologia de tratamento e a idade da estação. O estudo estatístico apontou que 95% das médias anuais e dos valores máximos mensais de turbidez foram inferiores a 0,2 e 0,3 uT, respectivamente.

As estações que não empregavam coagulantes apresentaram desempenho inferior, contudo a eficiência da coagulação independeu do tipo de sal empregado e da turbidez da água bruta. Em relação ao tipo de manancial, as estações, cuja água bruta era captada de rios, obtiveram significativamente melhor desempenho quando comparadas às unidades com afluentes de fontes e reservatórios, os últimos de turbidez mais baixa e menos susceptíveis às variações sazonais dessa característica.

Para a magnitude da população abastecida e a idade das estações, unidades que atendiam às pequenas comunidades, população inferior a 3.300 habitantes, apresentaram desempenho inferior quando comparadas àquelas destinadas a cidades de maior porte, com população superior a 100 mil habitantes.

Todavia, estações que abasteciam populações nos intervalos de 3.300– 10.000 e 10.001–100.000 habitantes tiveram desempenho praticamente idêntico.

Os demais fatores avaliados — idade da estação, tecnologia de tratamento, tipo de meio filtrante e taxa de filtração — não foram estatisticamente significativos. Por fim, concluiu-se que os fatores usualmente considerados mais relevantes no desempenho adquirem igual relevância quando comparados a fatores intangíveis, tais como a adequada operação das unidades inseridas na análise (Lusardi; Consonery, 1999).

Em relação à influência da sazonalidade na qualidade da água tratada, pesquisa contemplou seis estações de diferentes portes e tecnologias de tratamento localizadas na Região Centro-Oeste do Brasil, operadas pelo mesmo prestador, distribuídas em uma área de 5.800 km2 de precipitação anual média de 1.750 mm. Duas das estações avaliadas vinculavam-se a captações em reservatórios de acumulação, usualmente menos susceptíveis às variações das características da água dadas as precipitações.

Nenhuma das estações apresentou melhor desempenho no período chuvoso em relação ao de estiagem, evidenciando a relevância da qualidade do afluente. No mesmo contexto, não se verificou melhor qualidade da água filtrada nas duas estações de maior porte — vazões médias de 4.400 e 1.750 L.s-1 — em relação às duas de menor porte (idem de 32 e 33 L.s-1) (MELO et al., 2016).

Em realidade díspar em relação ao Brasil e principalmente aos países desenvolvidos, Birhane, Hishe e Tenagashaw (2019) também avaliaram a influência da sazonalidade no desempenho de uma estação convencional de tratamento de água na cidade de Gambella no interior da Etiópia (vazão afluente da ordem de 116 L.s-1). Os resultados indicaram que cor, turbidez, sólidos dissolvidos e E. coli estavam em desconformidade com o padrão de potabilidade da Organização Mundial da Saúde (WHO, 2011) no período seco, e, no período chuvoso, a esses parâmetros era acrescido o alumínio.

Os autores observaram ainda eficiência geral da estação de 58 e 48% para os períodos seco e chuvoso, respectivamente, em termos de atendimento ao padrão de potabilidade. A disparidade confirma-se pela magnitude da turbidez da água tratada no período seco (~11 uT), elevando-se ainda mais no período chuvoso (~30 uT).

Trabalhos com abordagem mais restritiva vêm sendo desenvolvidos. Gupta e Shrivastava (2008) utilizaram análise determinística para definir parâmetros ótimos de projeto e análise de confiabilidade com base no atendimento aos padrões de sólidos suspensos na água filtrada. Concluíram que é possível obter um melhor nível de confiabilidade da estação quando o padrão de controle é mais flexível e que o custo do tratamento se eleva com o nível de confiabilidade almejado.

Além das características da água bruta, algumas especificidades da estação de tratamento podem impactar a qualidade do efluente. Alterações ao longo dos anos dos parâmetros de projeto adotados pelo prestador (p. ex., tempo de floculação, velocidade de sedimentação ou taxa de filtração) e o estado de conservação das unidades tornam compreensível eventual qualidade inferior do efluente de estações mais velhas. Em contrapartida, tais unidades são mais susceptíveis a ampliações dada principalmente a elevação da demanda.

Em semelhante vertente, o porte da estação — quase sempre associado ao porte da cidade que a abriga — eleva a possibilidade de operação mais acurada na perspectiva de que maiores recursos financeiros culminem, também, com maior nível de instrução dos profissionais envolvidos com a potabilização. Esse paradigma é explicitado pela Organização Mundial da Saúde (WHO, 2011), que alude à provável operação mais frágil de estações que abastecem população inferior a 10 mil habitantes.

Li et al. (2014) utilizaram análise multivariada de Monte Carlo para avaliar desempenho de estação de tratamento de água em Ohio (EUA), com base em parâmetros de qualidade da água bruta e tratada. Os resultados indicaram risco de que a água tratada possa exceder os padrões de carbono orgânico total levando a possíveis violações na formação de subprodutos da desinfecção. Adaptações operacionais e uso de carvão ativado podem minimizar o risco, mas apresentam elevação do custo associado à potabilização.

Segundo Santana, Zhang e Mihelcic (2014), mudanças na qualidade da água bruta podem alterar a operação e o uso de energia utilizada na estação de tratamento. Estudo realizado na estação de Tampa (Flórida/EUA), vazão afluente da ordem de 2.980 L.s-1, composta das etapas de coagulação, floculação, sedimentação, ozonização, carvão ativado biológico, filtração e desinfecção, visou avaliar o impacto da qualidade da água bruta no dispêndio de energia elétrica.

Com base nos dados de operação e utilizando métodos estatísticos, tais como correlação de Pearson e regressão linear, evidenciou-se que a alteração na qualidade da água bruta ocasionou aumento de 14,5% no consumo de energia associado, principalmente, à mudança na dosagem de produtos químicos e ao tratamento e à disposição do lodo e das águas de lavagem dos filtros.

Szpak e Thorzewska-Cieslak (2017) avaliaram o desempenho de estação de médio porte na Polônia abastecida por dois mananciais, vazão afluente de aproximadamente 200 L.s-1 proveniente de manancial superficial e 4,0 L.s-1 de manancial subterrâneo. O estudo realizou-se com base nos dados operacionais (tempo médio de operação livre de falhas, característica das unidades e qualidade da água bruta e tratada expressa pela turbidez) indicando que a proteção da água bruta, a automação, o monitoramento completo da estação e da qualidade da água e o plano de emergência são fundamentais para assegurar o nível de segurança e a confiabilidade de uma estação.

A avaliação do desempenho das estações comumente verifica-se sob dois prismas. O primeiro, mais reducionista, centra-se apenas no percentual de análises de qualidade da água tratada que atendam aos limites estabelecidos pelo prestador, por vezes mais rigorosos que o padrão de potabilidade vigente. Em segundo contexto, aliado à qualidade do efluente, insere-se o custo de potabilização, contemplando despesas com energia elétrica, produtos químicos e
pessoal de operação.

Autores: Mariângela Dutra de Oliveira, Dejanyne Paiva Zamprogno Bianchi, Juliana Freitas Ramos da Fonseca, Nestor Alcides Gorza Júnior e Marcelo Libânio.

 

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