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

Abstract

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.