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câíl Editora uçp Átomo DIRETOR GERAL Wilon Mazalla Jr. COORDENAÇÃO EDITORIAL Willian F. Mighton COORDENAÇÃO DE REVISÃO E COPYDESK Helena Moysés REVISÃO DE TEXTOS Giovana Aparecida Tartari EDITORAÇÃO ELETRÔNICA Adriane Bergantin da Silva Camila Lagoeiro Fabio Diego da Silva Gisele de Cássia Ribeiro Amaral Tatiane de Lima CAPA Ivan Grilo 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, 2010. 3a 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 978-85-7670-165-1 Todos os direitos reservados à _ r Editora Atomo Rua Tiradentes, 1053 - Guanabara - Campinas-SP CEP 13023-191 - PABX: (19) 3232.9340 e 3232.0047 www.atomoealinea.com.br Impresso no Brasil Editora Átomo CONSELHO EDITORIAL Área | Química Aécio Pereira Chagas Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Célio Pasquini Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Flávio Leite T & E Analítica Mário Sérgio Galhiane Universidade Estadual Paulista - UNESP Pedro Faria Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Ricardo Ferreira Universidade Federal de Pernambuco - UFPE Robson Fernandes de Farias Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Ao meu querido tio (Rubens LiSânio, que desempenha há tanto tempo e com tanto desvefo um papeíque taívez não Che couBesse. A Leonardo Rarma e (Bernardo Macedo, amigos exemplares!, peta ventura de uma convivência já tocada pehos anos. A Ana Rereza e Mariana. IncondicionaCmente. Não há como deixar de reconhecer a importância das diversas pesquisas desenvolvidas sob a chancela de órgãos como Fundunesp, Fapemig, Finep, Capes e CNPq, cujos principais resultados foram, com êxito variável, transpostos para as páginas deste livro. Da mesma forma, o papel dos diversos alunos de graduação e pós com os quais tenho tido a satisfação de trabalhar. Destes, em especial, Maria de Lourdes Fernandes Neto e Vanessa Cristina Lopes. A primeira pela leitura aguda dos capítulos relacionados à qualidade de água, a segunda pelas diversas figuras que se espraiam pelas páginas do livro. A ambas pela atenção e delicadeza. Por fim, agradecimento especial aos colegas do Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos da UFMG pelo constante apoio e acolhimento ao longo de mais de uma década de convívio tão profícuo quanto prazeroso. [...] 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 vaiados, 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, Rol a-Moça, 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, 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 Sumár ri•o Apresentação à 3a Edição.......................................................................................................13 Introdução.............................. 15 Conceito e histórico.............................................................................................. 15 Disponibilidade hídrica............. ...........16 Propriedades das águas naturais......................................................................................19 Características das Aguas Naturais.................................................... 25 Características físicas............................ 25 Características químicas.......................................................................................... 42 Características biológicas...............................................................................................63 Características radioativas............................................................................ 78 índices de Qualidade de Agua.................................................................................................79 Metodologia Delphi..................................................................................................• -.......80 índice de qualidade de água..............................................................................................80 índice de qualidade de água bruta....................................................................................84 A Evolução dos Padrões de Potabilidade................................................................................91 Histórico.......................... 91 Evolução dos padrões de potabilidade americanos.........................................................92 Evolução dos padrões de potabilidade nacionais.......................... 93 Tendências ...................................... .....98 CvüíAuv 33 Poluição e Contaminação de Mananciais............................................................... .......107 Conceito............................. 107 Tipos de captação e seus efeitos sobre a qualidade de água.......................................-111 Alterações nas características das águas superficiais................................. H6 Alterações nas características das águas subterrâneas..................................................123 Proteção de mananciais.....................................................................................••••••.......129 Tecnologias de Tratamento ........................................................... .135 Fatores intervenientes na definição da tecnologia de tratamento. .135 Tecnologias de tratamento............................................................ .146 Coagulação............................................................................................. .153 Histórico e conceito....................................................................... .153 Mecanismos de coagulação........................................................... .157 Fatores intervenientes na coagulação............................................ .162 Unidades de mistura rápida.......................................................... .196 Floculação.............................................................................................. .209 Considerações iniciais.................................................................... .209 Mecanismos de transporte e intervenientes na floculação.......... .211 Mecanismos de agregação e ruptura dos flocos............................ .216 Fatores intervenientes na floculação............................................. .221 Tipos de unidades de floculação..................................................... .237 TTo 7v Decantação............................................................................................. .257 Conceito e histórico......................................................................... .257 Distribuição de água floculada........................................................ .258 Sedimentação de partículas discretas............................................ .262 Sedimentação de partículas floculentas......................................... .269 Tipos de unidades de decantação................................................... .270 Resíduos gerados nas unidades de decantação.............................. .302 Cm? tule. Vj Filtração .................................................................................................. .309 Conceito e histórico......................................................................... .309 Mecanismos intervenientes na filtração......................................... .311 ' Meio filtrante..................................................................................... .318 Tipos de filtros empregados no tratamento de água..................... .332 Sistemas de drenagem, camada-suporte e calhas de coleta......... .359 Aspectos operacionais dos filtros rápidos...................................... .365 Sistemas de controle de filtros......................................................... .378 Adequação e Otimização de Estações.................................................. .385 Introdução.......................................................................................... .385 Diagramas de coagulação................................................................ .387 Ensaios de tratabilidade para estações existentes......................... .391 Ensaios de tratabilidade para estações por construir..................... .401 Procedimentos para realização dos ensaios em reatores estáticos .406 Avaliação do desempenho das unidades filtrantes........................ .408 Filtração em Membrana.........................................................................................................411 Introdução...........................................................................................................................411 Histórico............................................................................................ 413 Aplicação e tipos de membranas.................... 414 Custos dos sistemas de filtração em membrana........................................... 417 Eficiência da tecnologia de filtração em membranas.......................................... 419 Capitulo 13 Desinfecção..............................................................................................................................421 Conceito e histórico..........................................................................................................421 Processos e mecanismos de desinfecção................ 423 Fatores intervenientes na eficiência da desinfecção......................................................424 Desinfecção com compostos de cloro............... 427 Desinfetantes alternativos ao cloro........................ 436 Fluoretação.............. 445 Conceito......................... 445 Histórico.................................................. 445 Atuação preventiva do flúor.............................................................................................447 Fluoretação no Brasil................................. 449 Compostos de flúor................................................................................................ 450 Aplicação do flúor.............................................................................................................451 Custo da fluoretação..........................................................................................................453 Corrosividade e Agressividade..............................................................................................455 Aloísio de Araújo Prince Introdução...........................................................................................................................455 Relevância..........................................................................................................................456 Corrosão metálica..............................................................................................................457 Agressão a concreto..........................................................................................................465 Métodos de combate à corrosão.......................................... 466 Condicionamento químico...............................................................................................469 Teste para Determinar o Estágio de Saturação de Carbonato de Cálcio de uma Água (Teste de Mármore)................................................477 Referências..................................... 479 Apresentação à 3a Edição É difícil precisar quando a motivação para escrever este livro manifestou-se pela primeira vez. Talvez tenha surgido de forma ainda tênue quando ministrei, em nível de 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). A partir de 1994, 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 uma obra que contribuísse para disseminação dos conceitos relacionados a tão importante tema. O discreto êxito das duas edições anteriores motivou-me, nesta 3a edição, a ampliar o espectro de abrangência da obra. Assim, como resultado de pesquisas que tive a satisfação de coordenar nos últimos anos, foram inseridos dois capítulos versando sobre indicadores de qualidade de água e filtração em membrana como emergente tecnologia de tratamento. Os demais capítulos expandidos centram-se nos aspectos fundamentais relacionados às características das águas naturais, enfatizando também a poluição de mananciais passíveis de serem empregados para abastecimento. Os principais processos e operações unitárias intrínsecos às tecnologias de tratamento mais extensivamente utilizadas ou que cujas características favoreçam seu emprego no País são abordados nos capítulos subsequentes. Destes, apenas a flotação por ar dissolvido não foi contemplada, de uso restrito ainda no País, embora em algumas estações na Região Sudeste esta operação unitária faça-se presente com resultados variáveis. Cabe destacar que o Capítulo 15 foi elaborado pelo engenheiro Aloísio Prince e os capítulos 9 e 12 contaram, respectivamente, com a colaboração dos engenheiros Nelson Guimarães e Alisson Bragança. O livro destina-se a profissionais e estudantes (em nível de graduação e pós), apresentando os fundamentos teóricos das etapas do tratamento e diversos exemplos de cálculo. Cálculos adicionais dos parâmetros hidráulicos inerentes às tecnologias de potabilização podem ser realizados por meio de software disponível no endereço www. ehr.ufmg.br. Por fim, resolvi 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 deste texto a sua melhor parte.