Sistema de filtração de água para fins potáveis no ponto de uso através de membranas de microfiltração e ultrafiltração operadas por gravidade

A utilização de membranas poliméricas para tratar água para fins potáveis é uma tecnologia que tem se tornado mais acessível economicamente ao longo do tempo. Seu emprego sem a necessidade de gastos com energia elétrica, usando apenas a gravidade, tem contribuído para as membranas serem atrativas para a aplicação em pequenas escalas, como tratamentos no ponto de uso, em áreas onde o acesso a água potável é limitado. O sistema de filtração por gravidade deste estudo tem como diferencial o estabelecimento e manutenção de uma camada de incrustação/biofilme na superfície da membrana. Assim, buscou-se avaliar o desempenho técnico do uso de membranas de microfiltração (MF) e ultrafiltração (UF), empregando diferentes condições de contorno, no tratamento de água subterrânea contaminada por microrganismos para consumo humano e validar os conceitos de operação e manutenção prescritos pela literatura. Para isto foram desenvolvidas duas fases experimentais. Na primeira (Sistema A) foi testado o efeito de diferentes pressões (0,5 m.c.a.; 0,7 m.c.a.; 1,0 m.c.a.) utilizando membrana de UF de 100 kDa por um período de 129 dias; enquanto na segunda (Sistema M) estudou-se diferentes tipos de membranas (UF de 30 kDa; UF de 100 kDa; MF de 0,2 µm) a uma carga hidráulica de 0,7 m.c.a. durante 73 dias. A água de alimentação foi composta por água de poço contaminada a 25% com efluente de decantador secundário. Nas últimas duas semanas de operação o Sistema M recebeu uma contaminação por carbendazim (CBZ), o qual é um defensivo agrícola. Os filtrados e água de alimentação foram analisados quanto aos parâmetros: carbono orgânico total (COT), UV254, pH, turbidez, oxigênio dissolvido, sólidos dissolvidos totais, coliformes totais, Escherichia coli, cor aparente, temperatura da água, alcalinidade, condutividade elétrica, ânions, cátions e concentração de CBZ. Também foram medidos o fluxo permeado e a resistência total da membrana gerados nos filtros. Os resultados foram comparados com normativas para a água potável. Os dois Sistemas (A e M) apresentaram estabilização do fluxo permeado após 7 a 9 dias do início da operação. O Sistema A registrou fluxo permeado médio, após sua estabilização, de 4,4 ± 0,2 L/m²h, 4,7 ± 0,3 L/m²h e 6,5 ± 0,4 L/m²h, e resistência total da membrana de 4,2x1012 1/m; 5,4x1012 1/m e 5,5x1012 1/m, para as alturas 0,5 m.c.a., 0,7 m.c.a. e 1,0 m.c.a., respectivamente. O Sistema M apresentou fluxo permeado médio, após sua estabilização, de 2,2 ± 0,1 L/m²h, 6,9 ± 0,2 L/m²h e 21,0 ± 1,5 L/m²h, sem a adição de CBZ, e 2,0 ± 0,02 L/m²h, 7,7 ± 0,3 L/m²h e 14,9 ± 1,5 L/m²h, após a inserção do CBZ, para as membranas de UF de 30 kDa, UF de 100 kDa e MF de 0,2 µm, respectivamente. As resistências totais das membranas antes do CBZ foram de 1,1x1013 1/m, 3,6x1012 1/m e 1,2x1012 1/m, e após o CBZ, de 1,2x1013 1/m, 3,2x1012 1/m e 1,7x1012 1/m para as membranas de UF de 30 kDa, UF de 100 kDa e MF de 0,2 µm, respectivamente. Durante toda a operação o pH manteve-se dentro de uma faixa média de 7,2 a 7,9. Os Sistemas apresentaram eficiência de remoção significativas e atendimento aos padrões de potabilidade para o parâmetro turbidez na maioria dos filtros, sendo as eficiências médias de 71,5%, 74,1% e 49,9% para as cargas hidráulicas de 0,5 m.c.a., 0,7 m.c.a. e 1,0 m.c.a., respectivamente e 71,2%, 88,0% e 88,8% para as membranas de UF de 30 kDa, UF de 100 kDa e MF de 0,2 µm, respectivamente. De forma geral, os Sistemas apresentaram elevadas eficiências médias de remoção de microrganismos, porém foi registrada com frequência presença de coliformes totais nas amostras filtradas. Na primeira fase, a cor aparente apresentou remoção significativa apenas para os filtros com alturas de 0,5 m.c.a. (67,8%) e 0,7 m.c.a. (71,0%), entretanto as concentrações sempre se mantiveram acima do estabelecido pela norma de potabilidade da água. Já na segunda fase, apenas em alguns momentos a concentração de cor aparente superou o estabelecido para o padrão de potabilidade e todos os filtros registraram eficiências de remoção relevantes, sendo 68,5% (UF de 30 kDa), 79,5% (UF de 100 kDa) e 80,2% (MF de 0,2 µm). A remoção de matéria orgânica dissolvida (UV254) foi considerável apenas para as membranas UF de 100 kDa (31,2%) e MF de 0,2 µm (34,5%) do Sistema M. O COT e os íons (cátions e ânions) não apresentaram boas remoção pelos Sistemas. Houve considerável eficiência de remoção de CBZ pelas membranas UF de 30 kDa (38,7%) e UF de 100 kDa (26,5%). Os melhores desempenhos no Sistema A foram das pressões 0,5 m.c.a. e 0,7 m.c.a., enquanto no Sistema M foi a membrana de MF de 0,2 µm. Ambos os Sistemas não receberam manutenção na membrana durante o período experimental e o desenvolvimento do biofilme contribuiu para a estabilidade da operação, permitindo a filtração a um valor constante sem degradação da qualidade da água.The use of polymeric membranes to treat water for drinking purposes is a technology that has become more economically accessible over time. Its use without the need to spend on electricity, using only gravity, has contributed to the membranes being attractive for application on small scales, such as point-of-use treatments, in areas where access to drinking water is limited. The gravity-driven filtration system in this study has as its differential the establishment and maintenance of a fouling layer/biofilm on the membrane surface. Thus, it was sought to evaluate the technical performance of using microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) membranes, applying different boundary conditions, in the treatment of groundwater contaminated by microorganisms for human consumption and to validate the operating and maintenance concepts prescribed by the literature. For this, two experimental phases were developed. In the first (System A) the effect of different pressures (0.5 mWC; 0.7 mWC; 1.0 mWC) was tested using a 100 kDa UF membrane for a period of 129 days. While in the second (System M) different types of membranes were studied (30 kDa UF; 100 kDa UF; 0.2 µm MF) at a hydraulic load of 0.7 mWC during 73 days. The feed water consisted of well water contaminated with effluent from the secondary clarifier at a concentration of 25%. In the last two operating weeks, System M received contamination by carbendazim (CBZ), which is an agricultural defensive. The filtrates and feed water were analyzed for parameters: total organic carbon (TOC), UV254, pH, turbidity, dissolved oxygen, total dissolved solids, total coliforms, Escherichia coli, apparent color, water temperature, alkalinity, electrical conductivity, anions, cations and CBZ concentration. The permeate flux and total membrane resistance generated in the filters were also measured. The results were compared with regulations for drinking water. The two Systems (A and M) presented stabilization of the permeate flux after 7 to 9 days after the beginning of the operation. System A recorded average permeate flux, after stabilization, of 4.4 ± 0.2 L/m²h, 4.7 ± 0.3 L/m²h and 6.5 ± 0.4 L/m²h, and total membrane resistance of 4.2x1012 1/m; 5.4x1012 1/m and 5.5x1012 1/m, for hydraulic load 0.5 mWC, 0.7 mWC and 1.0 mWC, respectively. System M presented average permeate flux, after stabilization, of 2.2 ± 0.1 L/m²h, 6.9 ± 0.2 L/m²h and 21.0 ± 1.5 L/m²h, without the addition of CBZ, and 2.0 ± 0.02 L/m²h, 7.7 ± 0.3 L/m²h and 14.9 ± 1.5 L/m²h, after CBZ insertion, for 30 kDa UF, 100 kDa UF and 0.2 µm MF membranes, respectively. The total membrane resistances before the CBZ were 1.1x1013 1/m, 3.6x1012 1/m and 1.2x1012 1/m, and after the CBZ, 1.2x1013 1/m, 3.2x1012 1/m and 1.7x1012 1/m for the 30 kDa UF, 100 kDa UF and 0.2 µm MF membranes, respectively. During the entire operation, the pH was within an average range of 7.2 to 7.9. The Systems showed significant removal efficiency and compliance with potability standards for the turbidity parameter in most filters, with average efficiencies of 71.5%, 74.1% and 49.9% for hydraulic loads of 0.5 mca , 0.7 mca and 1.0 m.c.a., respectively, and 71.2%, 88.0% and 88.8% for the 30 kDa UF, 100 kDa UF and 0.2 µm MF membranes, respectively. In general, the Systems achieved high average efficiencies for removing microorganisms, but the presence of total coliforms was frequently recorded in the filtered samples. In the first phase, the apparent color showed significant removal only for filters with hydraulic loads of 0.5 mWC (67.8%) and 0.7 mWC (71.0%), however the concentrations always remained above the established by the drinking water standard. In the second phase, only in a few moments the apparent color concentration exceeded that established for the potability standard and all filters registered relevant removal efficiencies, being 68.5% (30 kDa UF), 79.5% (100 kDa UF) and 80.2% (0.2 µm MF). The removal of dissolved organic matter (UV254) was considerable only for the 100 kDa UF (31.2%) and the 0.2 µm MF (34.5%) membranes of System M. COT and ions (cations and anions) did not show good removal by the Systems. There was considerable CBZ removal efficiency by the 30 kDa UF (38.7%) and 100 kDa UF (26.5%) membranes. The best performances in System A were from 0.5 mWC and 0.7 mWC, whereas in System M it was the 0.2 µm MF membrane. Both Systems did not receive maintenance on the membrane during the experimental period and the development of the biofilm contributed to the stability of the operation, allowing the filtration at a constant value without degradation of water quality

Biomass production of algae and macrophytes in wastewater treatment ponds

O tratamento de esgotos domésticos no Brasil ainda é muito deficiente, principalmente nos municípios de pequeno porte. Uma alternativa viável de tratamento é a utilização de reator UASB seguida por Lagoas de Alta Taxa (LAT) de algas ou macrófitas. Estas últimas geram biomassa passível de aproveitamento. Entender a dinâmica da biomassa é de fundamental importância para otimizar sua produção. Assim, esse estudo procurou avaliar a influência de parâmetros ambientais na produção de algas e macrófitas em LAT. Para isso, foram levantados dados de produção de biomassa de algas e macrófitas, alcalinidade e temperatura no interior da lagoa de estudos prévios conduzidos pelo grupo de pesquisa Bioenergia e Ambiente, além de informações de radiação solar e temperatura atmosféricas do bancos de dados nacional (INMET) e geradas informações de radiação solar no interior da LAT por meio de amostragem com o uso de um equipamento confeccionado com sensor de fotodiodo. Os parâmetros investigados foram a radiação solar, temperatura e dióxido de carbono (este último foi obtido a partir das análises de alcalinidade). Os dados analisados de estudos anteriores e obtidos do INMET abrangeram o período de dezembro de 2014 a fevereiro de 2015 e as amostragens ocorreram no mês de outubro de 2018. As amostragens foram realizadas para compreender a dinâmica da biomassa de algas com o efeito da radiação no interior da lagoa e como elas também influem sobre esta variável, e então aplicar este aos dados de radiação do período de dezembro de 2014 a fevereiro de 2015. Todas as análises foram efetuadas através do software Excel. Os resultados mostraram tendência de aumento da biomassa de algas e macrófitas com a elevação dos parâmetros avaliados. Em alguns casos essa correlação apresentou linearidade baixa, pois outros fatores agiam em conjunto no desenvolvimento da biomassa. Em relação as algas, a produção foi maior em relação a temperatura quando os dias eram ensolarados e quanto maior a radiação solar menor era a penetração de luz no interior da lagoa devido ao aumento da concentração de algas. A produtividade de algas no período avaliado foi cerca de 3,75 kg/dia sob as condições de operação da LAT. No que se refere as macrófitas, percebeu-se a necessidade de efetuar o controle de densidade a fim de evitar a sobreposição das mesmas (que pode resultar em condições adversas para o seu crescimento). Os parâmetros temperatura e radiação solar apresentaram uma maior influência sobre a biomassa no período em que não houve o controle dessa. A produção durante o período sem e com controle de densidade foram de, respectivamente, 2,7 kg/dia e 2,04 kg/dia. A produtividade foi menor no segundo momento, pois no período avaliado a radiação solar e temperatura eram inferiores ao primeiro. A variável mais importante para as algas e macrófitas são, respectivamente, o dióxido de carbono e a temperatura, segundo a Análise dos Componentes Principais (PCA) realizado nos dados de estudo. Segundo as referências pesquisadas, ambas as biomassas apresentaram potencial de aproveitamento para a fabricação de biocombustíveis, alimentação animal e adubo. Neste estudo foi verificado que os critérios avaliados se tratam de possíveis fatores limitantes do sistema e que a produtividade da biomassa de algas é mais elevada que a de macrófitas na profundidade estudada, pois as algas são cultivadas na coluna de água (em relação ao volume, portanto dependem da profundidade) enquanto as macrófitas, na superfície (em relação à área); entretanto, outros fatores devem ser considerados (por exemplo, separação e adensamento) para aproveitamento final da biomassa produzida nas lagoas de tratamento.The treatment of domestic wastewater in Brazil is still very poor, especially in small municipalities. A viable treatment alternative is the use of a UASB reactor followed by algal or macrophyte High Rate Ponds (HRP). The latter generate biomass that can be exploited. Understanding the dynamics of biomass is fundamental to optimize its production. Thus, this study sought to evaluate the influence of environmental parameters on algal and macrophyte production in HRP. For this, algae and macrophytes biomass production data, alkalinity and temperature inside the pond were collected from previous studies conducted by the Bioenergy and Environment research group, as well as information on solar radiation and atmospheric temperature from the national databases (INMET) and generate information of solar radiation inside the HRP through sampling using a photodiode sensor equipment. The parameters investigated were solar radiation, temperature and carbon dioxide (the latter was obtained from alkalinity analyzes). Data analyzed from previous studies and obtained from INMET covered the period from December 2014 to February 2015 and the samplings occurred from October 2018. Samplings were realized to understand the dynamics of algal biomass with the effect of radiation within the pond and how they also influence this variable, and then apply it to radiation data from December 2014 to February 2015. All analyzes were performed using Excel software. The results showed a tendency to increase algal and macrophyte biomass with the increase of the evaluated parameters. In some cases this correlation was low linearity, because other factors acted together in the development of biomass. In relation to algae, the production was higher in relation to the temperature when the days were sunny and the greater the solar radiation the lesser the light penetration inside the pond due to the increase of the algae concentration. The productivity of algae in the evaluation period was about 3.75 kg/day under the operating conditions of HRP. Regarding macrophytes, it was realized the need to perform density control in order to avoid overlapping (which may result in adverse conditions for their growth). Temperature and solar radiation parameters had a greater influence on biomass in the period when it was not controlled. The production during the period without and with density control were, respectively, 2.7 kg/day and 2.04 kg/day. The productivity was lower in the second moment, because in the evaluated period the solar radiation and temperature were inferior to the first one. The most important variable for algae and macrophytes are, respectively, carbon dioxide and temperature, according to the Principal Component Analysis (PCA) performed in the study data. According to the researched references, both biomasses presented potential for use in the manufacture of biofuels, animal feed and fertilizer. In this study it was verified that the evaluated parameters are possible limiting factors of the system and the algal biomass productivity is higher than macrophytes in the studied depth, because the algae are cultivated in the water column (in relation to the volume, therefore depend on depth) while macrophytes on the surface (relative to the area). However, other factors must be considered (for example, separation and densification) for the final use of biomass produced in the treatment ponds