Amadurecimento de filtros lentos de areia e remoção de microrganismos indicadores de qualidade da água ao longo da profundidade do leito: uma avaliação em instalação piloto

Eng. sanit. ambient. 307 Vol.10 - Nº 4 - out/dez 2005, 307-317

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AMADURECIMENTO DE FILTROS LENTOS DE AREIA E REMOÇÃO

DE MICRORGANISMOS INDICADORES DE QUALIDADE DA ÁGUA

AO LONGO DA PROFUNDIDADE DO LEITO: UMA AVALIAÇÃO EM

INSTALAÇÃO PILOTO

MATURATION OF SLOW SAND FILTERS AND REMOVAL OF MICROORGANISMS’INDICATORS OF WATER QUALITY ALONG THE MEDIA DEPTH: AN EVALUATION

IN PILOT PLANT

LUDMILA LADEIRA ALVES DE BRITO

Bióloga. Mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos. Bióloga do IBAMA

ALLISSON BADARÓ CARDOSO

Engenheiro civil. Bolsista do CNPq

DANIELLA PEDROSA SALVADOR

Bióloga. Bolsista da FAPEMIG

LÉO HELLER

Engenheiro civil. Mestre em Engenharia Sanitária. Doutor em Epidemiologia. Professor do Departamento deEngenharia Sanitária e Ambiental – UFMG

Recebido: 19/01/05 Aceito: 28/09/05

RESUMO

O potencial da filtração lenta como opção tecnológica para otratamento de água nos países em desenvolvimento e sua capaci-dade de remoção de contaminantes, sobretudo patogênicos, sãoreconhecidos. Contudo, ainda permanece incompleto o conhe-cimento acerca dos mecanismos que predominantemente atuamna remoção dos microrganismos. Objetivando avançar nessa com-preensão, desenvolveu-se uma investigação experimental, emunidades piloto, em filtros lentos de areia com escoamento des-cendente e ascendente, operados com água sintética e duas taxasde filtração (3 e 6m3/m2.d). A retenção dos microrganismos indi-cadores foi avaliada em cinco camadas, com 0,15 m de espessuracada, em dois momentos da carreira. A maturidade biológica doleito filtrante foi menos favorecida pela taxa mais alta de filtraçãoe pelo fluxo ascendente. Os 0,45 m iniciais do leito filtranteforam importantes na remoção de microrganismos sob as condi-ções estudadas, mas a remoção não se restringiu a estas camadas,tendo sido observada para todos os indicadores retenção nascamadas de 0,45-0,60 m e de 0,60-0,75 m. A schmutzdeckeparece desempenhar papel efetivo na remoção de indicadoresmicrobiológicos apenas quando bem desenvolvida. Há uma in-dicação de que a camada suporte exerce algum papel na retençãode sólidos e microrganismos no fluxo ascendente.

PALAVRAS-CHAVE: Filtração lenta, schmutzdecke, Clostridiumperfringens, endosporos, Bacillus subtilis, turbidez.

ABSTRACT

The potential of the slow sand filtration as technological option fordrinking-water treatment in developing countries and its capacityof contaminants removal, mainly pathogens, are recognized.However,the knowledge concerning the predominant mechanisms that act inmicroorganism’s removal still remains incomplete. Aiming toadvance in the understanding of these themes, an experimentalinvestigation was carried out, working with pilot plants ofdownflow and upflow slow sand filters, operated with syntheticwater and two filtration rates (3 and 6 m3/m2.d). The microorganismsindicators removal was evaluated in five layers, with 0.15 m ofthickness each, in two run phases. The biological maturation of thefilter media was less favoured by the highest rate and by the upflowfilter. The initial 0.45 m of the filter media were important in themicroorganism’s removal in the conditions evaluated, but removalwas not limited to these layers, since all indicators were retained alsoin 0.45-0.60 m and 0.60-0.75 m layers, in different proportionsamong the filter runs.The schmutzdecke seems to play an effective rolein the microbiological indicators removal only when well developed.an indication of the role of the support layer in solids andmicroorganisms retention was observed in the upflow filter.

KEYWORDS: Slow sand filter, schmutzdecke, Clostridiumperfringens, endospores, Bacillus subtilis, turbidity.


INTRODUÇÃO

A filtração lenta, em uso há mais de170 anos, em razão de seu potencial comoopção tecnológica para o tratamento deágua nos países em desenvolvimento, ain-da necessita de um mais aprofundadoconhecimento sobre os mecanismos deremoção de contaminantes. Em especialem relação à remoção dos denominadospatogênicos emergentes, esse conheci-mento mostra-se importante, de forma ase obterem elementos para a otimizaçãodo processo nessa função.

Diversos autores (Huisman, 1982;Vargas, 1999) vêm relatando que, na re-moção de microrganismos pelo filtro, atu-am não apenas o processo natural depeneiramento, mas uma conjunção defatores físicos, químicos e, sobretudo,microbiológicos, tais como a predação,a competição, a morte natural e a necro-fagia. O conhecimento desses mecanis-mos aponta para uma potencialmentesatisfatória remoção de bactérias, vírus,além de cistos de Giardia e oocistos deCryptosporidium. Contudo, para tanto,mostra-se necessário entender como seprocessa espacialmente a remoção destespatógenos no interior dos filtros, contri-buindo para esclarecer os mecanismos deretenção e direcionar as decisões de proje-to e operacionais, de modo a se ampliar asegurança do processo.

Vários foram os estudos realizadospara avaliação da eficiência de filtros len-tos na remoção de microrganismospatogênicos e indicadores de contamina-ção, sendo que na maioria puderam serobservados elevadas taxas de remoção. Porexemplo, Fox et al (1984) reportaram re-moção consistente de 4 a 5 log decoliformes totais em filtros em escala pilo-to. Bellamy et al (1985), também estu-dando filtros piloto, encontraram remo-ção acima de 99% para coliformes totaise termotolerantes, resultado confirmadopor Murtha e Heller (2003), que em cer-ca de 90% dos resultados encontraramvalores nulos de concentração de E. colino efluente de filtros pilotos. Poynter eSlade (1977) obtiveram remoção de ví-rus de até 99,997%, sendo que, aliadoaos altos índices de remoção, foi determi-nado que apenas 2% dos vírus afluentesao filtro permanecem viáveis na camadade areia (McConnel, 1984).

A importância da maturidade doleito filtrante fica evidenciada em pesqui-sa em escala piloto (Bellamy et al, 1985),em que um novo filtro removeu 0,82 logde coliformes totais e cerca de 1,7 log de

Giardia. Quando uma população micro-biana se estabeleceu no interior do leitode areia, após duas semanas, a remoçãode coliformes totais elevou-se para 4 log enão mais se identificou Giardia na águafiltrada. Entretanto, não existe ainda umconsenso sobre um indicador que melhortraduza a maturidade biológica de filtroslentos de areia. Bellamy et al (1985), ape-sar de terem escolhido as bactériasheterotróficas totais como medida dematuridade, afirmam que o melhorindicativo é a qualidade do efluente, quepassa a ser constante a partir de certomomento da carreira, correspondente aoalcance do equilíbrio pela comunidademicrobiana. Sánchez et al (1999b), ava-liando a perturbação das diversas técni-cas de limpeza de um filtro lento descen-dente sobre a maturidade do leito, afir-mam que a avaliação quantitativa e quali-tativa de algas e protozoários que formamo biofilme fornece boas informações so-bre o desenvolvimento da camada bioló-gica no interior do leito de areia.

Alguns estudos buscaram avaliar a re-moção de indicadores em profundidade,como o trabalho de Murtha e Heller (2003),mostrando que os 0,30 m iniciais do leitofiltrante seriam responsáveis por quase a to-talidade de remoção de coliformes totais eE. coli. Timms et al (1995) observaram queapenas os 2,5 cm iniciais do leito de areia dofiltro retinham oocistos de Cryptosporidium.Na realidade, os poucos estudos publica-dos retratam situações particulares de ma-turidade do leito filtrante, temperatura etaxa de filtração, dentre outros aspectos, di-ficultando a generalização dos resultados.

Por outro lado, dadas as dificulda-des e o custo para análise laboratorial depatogênicos, mostra-se importante a iden-tificação de indicadores que possibilitemuma mais ágil e operacional avaliação dasua eficiência, bem como para o desen-volvimento de planos de monitoramentoadequados. Logo, compreender o com-portamento dos microrganismos indicado-res utilizados na avaliação da eficiência doprocesso de filtração e entender o efeito dotratamento sobre eles mostra-se prioritáriopara a proteção à saúde humana.

Indicadores físicos, como a turbideze a contagem de partículas, e micro bioló-gicos têm sido propostos para representa-rem cistos e oocistos de protozoários. Den-tre os microbiológicos, destacam-se as tra-dicionais bactérias do grupo coliformes;os esporos de bactérias anaeróbias eo Clostridium perfringens; os esporos debactérias aeróbias e o Bacillus subtilis e acontagem de bactérias heterotróficas totais.

Pela sua resistência, a presença deClostridium perfringens no efluente deuma estação de tratamento de água podesignificar que existam deficiências na fil-tração (WHO, 2004; Araujo et al, 2001).No entanto, Nieminski et al (2000) cons-tataram que esses esporos normalmentese apresentam em concentrações muitobaixas na água bruta para serem usadoscomo indicadores da eficiência do trata-mento. Ferguson et al (1996), estudan-do vários indicadores para presen-ça de protozoários em águas de superfí-cie, observaram que o único microrga-nismo a apresentar correlação comCryptosporidium e Giardia foi Clostridiumperfringens, enquanto Nieminski et al(2000) não observaram nenhuma corre-lação destes protozoários com C.Perfringens ou com a contagem total deesporos anaeróbios.

Os esporos de bactérias aeróbias vêmsendo recomendados como um indica-dor de performance do tratamento emremover cistos e oocistos de protozoários,já que apresentam resistência a pressõesambientais, à temperatura e a vários com-postos normalmente usados na desinfec-ção da água (Barbeau et al, 1999). Osestudos de Rice et al (1996) e deNieminski et al (2000) apontaram queos esporos de bactérias aeróbias indígenosnão foram satisfatórios em indicar a pre-sença dos protozoários em mananciais,mas, atrelados a outros indicadores comoturbidez e contagem de partículas, forameficientes indicadores da qualidade dotratamento.

As bactérias heterotróficas totais sãonormalmente utilizadas como indicado-res para avaliação do conteúdo geral debactérias na água. Nieminski et al (2000)salientam que, apesar de se apresentaremem altas concentrações na água bruta, éreconhecido que estes microrganismos sãocapazes de crescer no interior dos filtrosde areia, impedindo seu uso como indi-cador da eficiência do processo de trata-mento. Porém, Bellamy et al (1985) eEllis e Aydin (1995), estudando o com-portamento de filtros lentos sob diversascondições ambientais e operacionais, op-taram pelas bactérias heterotróficas totaiscomo indicador da maturidade biológicado leito filtrante.

Em vista desse estado de conheci-mento, o presente trabalho objetivou con-tribuir para avançar a compreensão sobrea dinâmica dos microrganismos indica-dores de qualidade de água ao longo daprofundidade do leito filtrante de filtroslentos de areia, bem como sobre a matu-

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Brito, L. L. A. et al.


Desempenho de filtros lentos ao longo da profundidade

ridade biológica dos filtros lentos em di-ferentes etapas da carreira de filtração,comparando diferentes taxas e dois senti-dos de fluxo no filtro. Apresenta-se nesteartigo parte de um trabalho mais amplo,que privilegiou a avaliação do comporta-mento de cistos de Giardia e de oocistosde Cryptosporidium no interior do leitode filtros lentos de areia (Brito, 2002).

MATERIAL E MÉTODOS

Aparato experimental

A instalação avaliada está represen-tada na Figura 1, sendo composta porfiltros de carvão ativado, caixa de preparode água, bomba para transferência da cai-xa de preparo para a caixa de alimenta-ção, caixa de alimentação, bombaperistáltica para alimentação dos filtros,filtro lento descendente (FLD), filtro lentoascendente (FLA) e quadros piezométricos.

Cada filtro era constituído de doistubos flangeados de acrílico superpostos,de 0,20 m de diâmetro e 1,50 m de altu-ra. Na parte inferior de cada filtro foi fi-xada uma placa perfurada para susten-tação dos leitos granulares, localizada a0,10 m da base.

No filtro lento descendente, a en-trada de água localizava-se a 0,30 m abai-xo da borda superior do filtro (1,45 macima do leito filtrante) e a saída logo abai-xo da placa perfurada, com a forma de“U” invertido, visando manter um nívelmínimo de água sobre o leito de 0,45 m.Já no filtro lento ascendente, a entradadava-se 0,10 cm acima da base inferiordo filtro e a saída a 0,30 cm abaixo daborda superior (1,45m acima do leitofiltrante).

O leito filtrante de ambos os filtrosfoi constituído por areia, com espessura

de 0,75 m, tamanho efetivo de 0,25 mm,coeficiente de uniformidade de 2,40, di-âmetro mínimo de 0,084 mm e diâme-tro máximo de 1,00 mm. A camada su-porte constituiu-se de três camadas deseixos rolados, de granulometria varian-do entre 1,20 e 19,10 mm.

Água de estudo

Os filtros foram alimentados comágua sintética, com características físicascompatíveis com o tratamento pelo pro-cesso de filtração lenta e com concentra-ções elevadas de microrganismos, de talforma a assegurar a sensibilidade do ex-perimento, conforme descrito a seguir:- turbidez: 15 +/- 5 UNT;- cor verdadeira: 15 +/- 5 uC;- pH: 6,5 – 7,5;- coliformes totais: 105-106 NMP/100mL;- Escherichia coli: 103-104 NMP/100mL;- esporos de bactérias anaeróbias e Clostridiumperfringens: 101-102 UFC/100mL;- esporos de bactérias aeróbias e Bacillussubtilis: 104-105 UFC/100mL;- Cryptosporidium: 101-102 oocistos/L;- Giardia: 100-101 cistos/L.

Para o preparo da água sintética, foicaptada água da rede pública, que foiposteriormente desclorada por filtros decarvão ativado e nela acrescentados:- bentonita, para geração de turbidez;- infusão de erva mate, para produção decor verdadeira;- ácido sulfúrico 1N para correção de pH;- alíquota de esgoto, que forneceu os mi-crorganismos analisados (coliformes to-tais, Escherichia coli, esporos de bactériasanaeróbias e Clostridium perfringens,esporos de bactérias aeróbias e Bacillussubtilis, cistos de Giardia);- oocistos de Cryptosporidium, produzi-dos em um bezerro neonato.

Delineamentoexperimental eamostragem

Cada um dos filtros (FLD e FLA)foi avaliado sob duas diferentes taxas defiltração - 3m3/m2.d e 6m3/m2.d - geran-do quatro combinações. Para cada umadestas situações foram realizadas duas car-reiras (duplicata), totalizando oito carrei-ras de filtração, quatro para cada filtro.

As análises foram realizadas duasvezes durante a carreira de cada filtro, umano início da carreira, quando o filtro ain-da não está completamente maduro bio-logicamente, e outra após sua estabiliza-ção, verificada através da qualidade doefluente, conforme Tabela 1.

Estes momentos foram escolhidosbaseando-se em experimentos anteriores(Vieira, 2002), que determinaram a du-ração da carreira dos filtros e a fase quan-do passam a produzir efluente estável,com turbidez abaixo de 2 UNT, va-lor estabelecido pela Portaria 518/2004(Brasil, 2004).

Para a análise, a carreira de filtraçãoera interrompida por meio do desliga-mento do sistema de alimentação do fil-tro. A água sobrenadante no filtro era re-tirada pela parte de cima da unidade, como auxílio de uma bomba peristáltica, atése atingir o topo do leito filtrante. NoFLD os últimos 0,10 m de água sobre acamada eram retirados utilizando-se umsifão, para evitar perturbação do biofilmesobre a camada de areia (schmutzdecke).Em seguida, o filtro era desmontado ea coluna superior retirada. No FLDfoi inicialmente raspada a schmutzdecke(Figura 2), que foi avaliada tanto para apresença dos protozoários estudados,como para os microrganismos indicado-res pesquisados.

LEGENDA

1. Entrada de água da rede2. Filtro de Carvão Ativado3. Caixa de preparação de água bruta - 250 L4. Bomba centrífuga5. Misturador6. Caixa de armazenamento de água bruta (500 L)7. Bomba peristáltica para alimentação dos filtros8. FLD9. Entrada de água bruta no FLD10. Saída de água filtrada do FLD11. FLA12. Entrada de água bruta no FLA13. Saída de água filtrada do FLA

Figura 1 - Esquema da planta piloto

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Figura 3 - Filtro dividido em cincocamadas de 0,15 m

Figura 4 - Lavagem dascamadas de areia

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Filtro lento descendente Filtro lento ascendente

1a análise 2a análise 1a análise 2a análise

3m3/m2.d 2o dia 8o dia 2o dia 10o dia

6m3/m2.d 2o dia 4o dia 2o dia 4o dia

Tabela 1 - Momentos de análise em cada carreira

Figura 2 - Raspagem da schmutzdecke

neste artigo. Turbidez, cor aparente e corverdadeira foram avaliadas diariamentena água bruta e no efluente dos filtros.Nas camadas de areia foram avaliadosturbidez, cor aparente e verdadeira, pHe série de sólidos. Foram avaliados aindana água bruta cloro total e cloro livre, paraa verificação da eficiência dos filtrosde carvão ativado na remoção deste com-ponente.

Foram avaliados os seguintes parâ-metros microbiológicos na água bruta, no

efluente, nas camadas de areia e naschmutzdecke do FLD:

- coliformes totais;- Escherichia coli;- esporos de bactérias anaeróbias e

Clostridium perfringens;- esporos de bactérias aeróbias e

Bacillus subtilis;- bactérias heterotróficas totais

(HPC);- oocistos de Cryptosporidium sp e

cistos de Giardia sp.Coliformes totais e Escherichia coli

foram realizadas pela técnica do substratocromogênico, utilizando-se o meio decultura Colilert®. A análise de bactériasheterotróficas totais foi realizada pelatécnica de pour-plate, descrita na seção9215B do Standard Methods for theExamination of Water and Wastewater(APHA et al, 1998). A análise de esporosde bactérias anaeróbias e Clostridiumperfringens e de bactérias aeróbiase Bacillus subtilis foi realizada pela técnicada membrana filtrante, utilizando-serespectivamente os meios Ágar mCPmodificado (Nieminski et al, 2000) e ÁgarAzul de Tripan com1% de amido(Nieminski et al, 2000).

Para a análise dos parâmetros bacte-riológicos na schmutzdecke, em cada expe-rimento 2g do material foram coletadas eressuspendidos em 250mL de água des-tilada estéril. Após a homogeneização destasuspensão, as análises eram realizadas pe-las mesmas técnicas descritas anteriormen-te para as amostras de água.

O leito de areia foi divido em cincocamadas (Figura 3) de 0,15 m de espes-sura, que foram retiradas com o auxíliode uma concha, previamente desinfeta-da em solução de hipoclorito de sódioconcentrado. Todo o material de cada ca-mada era lavado seqüencialmente em águadestilada estéril e em solução de tiossulfatode sódio a 10% estéril. Seu conteúdo eradisposto em vasilhames de volume igual a15 L, igualmente desinfetados (Figura 4).

Cada camada foi lavada com 11 Lde água destilada estéril, da seguinte ma-neira: (i) adicionava-se 1 a 2 L de águadestilada estéril; (ii) agitava-se com a pró-pria concha usada na retirada da camada;(iii) a água era então vertida e armazena-da. O procedimento era repetido poraproximadamente seis vezes. A água ob-tida era então homogeneizada e destina-da às análises.

Retirado todo o leito filtrante, a ca-mada suporte era lavada por meio da in-jeção ascendente de água desclorada emalta pressão. Esta lavagem só era inter-rompida quando o efluente da lavagemestivesse com muito baixa turbidez.

Após todo o procedimento, a areialavada era recolocada no filtro e a carreirareiniciada, sob as mesmas condições, até asegunda amostragem, que se procedeu damesma maneira.

Monitoramento

A pesquisa monitorou um conjun-to maior de parâmetros que os discutidos



Figura 6 – Quantidade de bactérias heterotróficas totais ao longo do leito filtrante do FLA. (a) taxade filtração: 6 m

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2.d; (b) taxa de filtração: 3 m

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2.d. (espessura de cada camada: 0,15 m)

Figura 5 – Quantidade de bactérias heterotróficas totais ao longo do leito filtrante do FLD. (a) taxade filtração: 6 m

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2.d. (espessura de cada camada: 0,15 m)

Para a taxa de filtração de 6 m3/m2.d,a análise do segundo momento da carrei-ra (quatro dias para o FLD e dez dias parao FLA) mostrou uma maior concentra-ção de bactérias heterotróficas totais emtodas as camadas, de forma mais acentu-ada no FLD. Isto pode indicar que, devi-do ao grande aporte de bactérias e à velo-cidade de filtração, há um predomíniode bactérias heterotróficas no biofilmeformado no leito filtrante, com um nú-mero escasso de agentes que determinemo controle do crescimento destas popula-ções. Ao se analisar a taxa de filtração maisbaixa, percebe-se que pouca diferençaexiste entre o primeiro (dois dias) e o se-gundo momento da carreira (oito diaspara o FLD e dez dias para o FLA), o quepode ser uma indicação de que o biofilmeformado neste momento é mais bem equi-librado, exercendo controle sobre o nú-mero de bactérias pela presença de com-petidores (algas e outras bactérias) e/oupredadores (principalmente protozoáriose rotíferos) (Lloyd, 1973; Sánchez et al,

1999a). De acordo com Lloyd (1973),com o passar do tempo, diminui o nú-mero de colônias bacterianas no interiordo filtro e aumenta o número de proto-zoários ciliados, principalmente de espé-cies do gênero Vorticella, reconhecidamen-te predadores de bactérias em suspensão.

É consenso entre diversos autoresque a colonização do leito de areia de fil-tro lento é função de uma série de fatoresconjugados, como a concentração de nu-trientes e matéria orgânica na água bruta,temperatura ambiente, quantidade debactérias presentes no afluente, condiçõesoperacionais, dentre outras (Huisman,1982; Bellamy et al, 1985; Sánchez et al,1999b). A taxa de filtração de 3m3/m2.ddetermina que as velocidades de escoa-mento no interior do leito filtrante sejammenores, facilitando assim a atuação dosmecanismos de transporte e conseqüenteformação do biofilme. Esta comunidadebiológica desenvolve-se sob condiçõeshidráulicas mais favoráveis, mas dispõede uma concentração afluente de matéria

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Análise dos dados

Os dados obtidos para as diferentessituações estudadas, dois para cada cama-da, foram avaliados qualitativamente emediante comparação gráfica, em vista donúmero de dados disponíveis.

RESULTADOS EDISCUSSÃO

Avaliação da maturidadedo leito filtrante

(a) Avaliação em profundidade

A avaliação da maturidade biológi-ca do leito filtrante procedeu-se funda-mentalmente mediante a pesquisa de bac-térias heterotróficas totais. A Figura 5apresenta a quantidade de bactériasheterotróficas totais no FLD, para todasas situações estudadas, enquanto a Figu-ra 6 demonstra os mesmo dados para oFLA.


orgânica e nutrientes mais baixa, tornan-do o ambiente mais seletivo para o desen-volvimento de microrganismos.

Quanto maior o tempo de carreira,maior o equilíbrio alcançado entre as di-versas populações que colonizam o filtro,em um mesmo segmento ou em diferen-tes profundidades (Sánchez et al, 1999a).No entanto, para se alcançar um equilí-brio satisfatório, os períodos de duraçãoadotados nesta pesquisa podem ter sidoinsuficientes. Fox et al (1984) afirmamser necessários prazos maiores, de até vári-os meses, para a maioria dos filtros emescala real, ou mesmo em escala piloto.Os prazos adotados neste experimentoforam balizados principalmente na qua-lidade do efluente, em termos de tur-bidez, assumindo-se que a produção es-tável de um efluente adequado significa-ria que o filtro teria alcançado a maturi-dade microbiológica.

As condições ambientais sob as quaisocorre a filtração são também de extremaimportância para um bom desenvolvi-mento da camada biológica, sendo a tem-peratura a mais relevante dentre elas. Operíodo no qual foi desenvolvido o pre-sente estudo (setembro a dezembro de2001) apresentou sempre temperaturaselevadas no interior do Laboratório deInstalações Piloto, onde se desenvolveu oexperimento, com média no período de28,9ºC, bem mais alta do que aquela uti-lizada na maioria dos estudos reportadosna literatura. Ainda assim, as concentra-ções de bactérias por grama de areia obti-das nesta pesquisa não são superiores àsreportadas em alguns trabalhos, uma vezque se referem a apenas uma carreira, en-quanto os demais analisaram a areia apósuma série de carreiras (Tabela 2).

Na Figura 7 é realizada comparaçãoentre os momentos de análise na carreira

Figura 7 – Comparação entre os momentos de análise da carreira e o sentido de fluxo nas duastaxas estudadas. (a) taxa de filtração: 6 m

3/m


3/m

2.d.

e os dois diferentes sentidos de fluxo. Paraa taxa mais alta, há uma grande similari-dade entre os filtros no primeiro momen-to de análise (dois dias); já no segundomomento, o FLD apresenta concentra-ções maiores de bactérias heterotróficastotais que o FLA, talvez pela contribui-ção da camada suporte deste filtro na re-moção de microrganismos. Para a taxa de3 m3/m2.d observa-se uma pequena dife-rença nas camadas 3, 4 e 5 (0,30-0,45 m,0,45-0,60 m e 0,60-0,75 m respectiva-mente): no FLA, a concentração cai ligei-ramente da camada 2 para a 3, enquantono FLD este valor permanece na mesmaordem de grandeza que as camadas ante-riores.

A Tabela 3 apresenta a porcentagemdo total acumulado no filtro de cada umadas camadas analisadas, em todas as car-reiras realizadas durante o experimento.

De acordo com a literatura, os 0,40 miniciais do leito filtrante seriam os princi-pais responsáveis pela remoção dos mi-

crorganismos, estando concentrada nestaporção toda a atividade microbiana noleito filtrante (Huisman, 1982; Bellamyet al, 1985; Di Bernardo, 1993; DiBernardo et al, 1999; Vargas, 1999).Com exceção das carreiras C3-2D e C4–1D para o FLD e da carreira C3 do FLA,a retenção de bactérias heterotróficas to-tais esteve acima de 90% (média de 95,8%para o FLD e 94,34% para o FLA). NoFLD, a primeira camada e a schmutzdecke,principalmente, foram as responsáveis pelaretenção de bactérias heterotróficas. Nacarreira C3-2D e nas carreiras C3-1A eC3-2A houve uma maior penetração des-tas bactérias, provavelmente devido àmaior taxa de filtração empregada.

Em biofilmes, um dos meios decontrole do crescimento populacional é odesprendimento da camada biológica dosubstrato, cuja taxa é proporcional ao cres-cimento de biomassa aderida e às forçashidrodinâmicas que agem sobre ele(Sánchez et al, 1999b). Este processo é

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Tabela 2 – – – – – Concentração de bactérias heterotróficas totais(UFC/ grama de areia) em Filtros Lentos Descendentes,

segundo três referências

* Taxa 6m3/m2.d, 4 dias de carreira;**Taxa 6,24m3/m2.d, 113 dias de carreira;***Taxa variando de 2,4-12m3/m2.d; Temperatura variando de 5ºC a 25ºC; 2anos de experimento; várias raspagens do leito e reposição imediata com areialimpa.Nota: adotado 1cm3 de areia = 2,6g

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dinâmico no interior do filtro, ou seja, aqualquer momento uma parte do biofilmepode se desprender e ser transportado paratrechos a jusante no leito filtrante, ondepode ser degradado ou liberado noefluente. Quanto mais ocupados os porosdo leito filtrante, pelo crescimento da ca-mada biológica, mais alta se torna a velo-cidade do escoamento, aumentando atensão de cisalhamento que age sobre obiofilme, podendo culminar no seu des-prendimento. Esse conjunto de fatores podeter levado à detecção de concentrações mai-ores de bactérias em camadas mais profun-das do leito, embora este fato só tenha sidoobservado em uma das duplicatas.

Além disso, é interessante notar que,no FLD, as duas camadas onde se perce-beu maior penetração de bactérias foramaquelas onde a remoção deste indicadorpela schmutzdecke foi bem inferior aos ou-tros valores observados. Esta constataçãopode levar a duas diferentes conclusões:(i) a schmutzdecke tem um papel essencialna eficiência de remoção de bactérias pelofiltro lento descendente; (ii) quando aschmutzdecke não se desenvolve a conten-to, pode ocorrer uma maior penetraçãode bactérias no interior do leito filtrante.

(b) Remoção na schmutzdecke

Foram observadas altas concentra-ções de bactérias heterotróficas totais naschmutzdecke, com exceção das situaçõesjá mencionadas. Estas altas concentraçõespodem ser devidas tanto à grande capaci-dade de retenção da superfície do leitofiltrante, como à conseqüente formaçãodo biofilme, que, segundo alguns auto-res, tem papel essencial na remoção depatógenos no filtro (Huisman, 1982; DiBernardo, 1993). De acordo com McNairet al (1987), a composição e a quantidadebacteriana da água bruta, bem como otipo preferencial de alga que se desenvol-ve sobre o leito (unicelular ou filamentosa)irá determinar o tempo de formação e ascaracterísticas da schmutzdecke.

A Tabela 3 apresenta a concentraçãode HPC na schmutzdecke nas diferentestaxas e nos dois momentos de análise. Demaneira semelhante ao que é observadono interior do leito, a taxa mais alta deter-mina um acúmulo maior de bactérias doprimeiro para o segundo momento, en-quanto para a taxa mais baixa a diferençaentre os dois momentos é muito peque-na. Uma explicação possível é novamenteo desenvolvimento de uma comunidademais equilibrada com oito dias de carreirae taxa de 3 m3/m2.d.

Distribuição de coliformestotais e E. coli

Para estes parâmetros, a camada 1apresentou-se em geral mais concentra-da, com um decréscimo para a segundacamada (0,15-0,30 m); as camadas 3 e 4foram quase sempre semelhantes, e aquinta um pouco menos concentradaque as anteriores. A camada 2 do FLD,sob taxa 6 m3/m2.d e 4 dias de análise,apresentou uma concentração ligeiramen-te maior de E. coli que a camada 1, sendoque a mesma camada do FLD sob a taxamais baixa também apresentou o mesmopadrão para ambos os parâmetros.

Considerando que o filtro no segun-do momento de análise já apresenta umacerta maturidade, uma hipótese a ser con-siderada é a redução da concentração debactérias coliformes aderidas por mecanis-mos de predação (principalmente porprotozoários ciliados) e competição poralimento e espaço, uma vez que esta ca-mada é a mais “populosa” no interior doleito filtrante. Um indício destasuperatividade metabólica é o alto consu-mo de oxigênio nas primeiras camadas doleito filtrante, bem menos destacado nascamadas posteriores (Fox et al, 1984).

Sob a taxa de filtração mais alta, háum acúmulo de ambos os grupos nascamadas 1 e 2, e mais notadamente nacamada 5. Como já discutido previamen-te, a maturidade alcançada pelo leitofiltrante durante a taxa de 6m3/m2.d nãoé ainda a ideal, e o controle dos microrga-nismos aderidos ao biofilme não é total-mente satisfatório. Os últimos 0,5 m dofiltro, de acordo com a literatura(Huisman, 1982; Bellamy et al, 1985;Di Bernardo, 1993), seriam os menoscolonizados do leito filtrante, pois a car-ga de matéria orgânica e nutrientes queaflui a esta camada é muito reduzida, di-ficultando o estabelecimento damicrofauna. Talvez por isso haja umacúmulo maior de bactérias coliformes eE. coli nesta camada, pois são menores astaxas de predação. Outra possível expli-cação para esta alta concentração podeser o desprendimento de biofilme dascamadas superiores que é levado até aspartes mais profundas do filtro.

No FLA, ao contrário, para a taxade 3 m3/m2.d houve uma acúmulo debactérias aderidas do primeiro momen-to de análise (2 dias) para o segundo(10 dias). Novamente, a taxa mais alta -6m3/m2.d – determina uma distribuiçãomenos uniforme no interior do leitofiltrante.

Para E. coli, a média de remoção noFLD nos 0,45 m iniciais – 91,5% - foipouco menor que aquela encontrada paracoliformes totais – 93,2% - sendo que acarreira C4-1D novamente se apresen-tou atípica, com remoção bem inferior àmédia. Para o FLA, percebe-se mais umavez uma grande variação entre os resulta-dos, com a remoção variando entre 76,0e 100 %. A baixa remoção observada paraa carreira C4-1D talvez possa ser expli-cada pela baixa atuação de remoção naschmutzdecke, atípica para esta taxa, mes-mo com período de tempo de desenvol-vimento mais baixo.

Murtha e Heller (2003), ao avalia-rem filtros pilotos com a mesma configu-ração, observaram que os 0,30 m iniciaiseram responsáveis por mais de 98% daremoção de coliformes totais e E. coli, tantono FLD quanto no FLA, sob diferentestaxas. O comportamento das camadasmais a jusante era sempre semelhante,independentemente da remoção nas ca-madas anteriores, do fluxo ou da taxa es-tudada. A diferença entre aquele estu-do e o presente trabalho consiste dametodologia utilizada na avaliação da re-moção em profundidade: aquele traba-lho avaliou apenas a água intersticial emdiferentes profundidades, desconside-rando os microrganismos aderidos e ain-da viáveis, que podem alcançar o efluentepelos mecanismos de autocontrole da es-pessura do biofilme.

Algumas espécies de coliformes to-tais são capazes de se desenvolverem emultiplicarem em biofilmes aderidos,desde que existam condições ambientaisadequadas, ou seja, matéria orgânica enutrientes que possam dar suporte ao seucrescimento (WHO, 2004). Provavel-mente, esses organismos passam a fazerparte da camada biológica aderida que seforma no interior do leito filtrante, o quepoderia explicar as concentrações emmaiores profundidades obtidas neste es-tudo.

Na schmutzdecke, observou-se que adistribuição de coliformes e E. coli foi si-milar ao padrão detectado para as bacté-rias heterotróficas totais, com acúmulo deorganismos na taxa mais alta do primeiropara o segundo momento de análise emanutenção deste número de dois paraoito dias na taxa de 3m3/m2.d.

Já em relação ao efluente, foi possí-vel observar que para a taxa de aplicaçãomais baixa – 3m3/m2.d – o FLD conse-guiu gerar concentrações não detectáveisde coliformes totais e E. coli, no segundodia de análise (oito dias). Este resultado é




esperado, uma vez que tanto taxas maisbaixas quanto maior maturidade do leitofiltrante são fatores determinantes damaior eficiência microbiológica do filtrolento (Bellamy et al, 1985; Di Bernardo,1993; Murtha e Heller, 2003). Com doisdias de carreira e sob a taxa de 6 m3/m2.d,uma das duplicatas apresentou eficiêncianegativa para a remoção de E. coli, prova-velmente devido às concentrações muitobaixas deste parâmetro na água bruta. Paraas outras situações estudadas, o filtro des-cendente apresentou eficiências de remo-ção acima de 98% para coliformes totaise de 97% para E. coli, mesmo quando amaturidade do filtro não era ideal. Istoreitera ainda mais a alta qualidade destamodalidade de tratamento na produçãode água para consumo humano, mas aler-ta para a importância de se manter a de-sinfecção como pós-tratamento.

Para o FLA, por duas vezes a efi-ciência de remoção obtida foi inferiora 90%, mas apenas em uma das duplica-tas. Nas demais, os valores de eficiên-cia superaram sempre a marca dos 90%,sendo que a taxa mais baixa gerouefluentes ligeiramente melhores – commenor concentração de ambos os indica-dores. Pesquisas anteriores a este estudoindicam que o filtro lento de fluxo ascen-dente exige um tempo um pouco maiorpara a geração de um efluente seguro, secomparado ao de fluxo descendente.Neste estudo, apenas uma das duplica-tas da carreira de 10 dias sob a taxa de3m3/m2.d apresentou 100% de remoçãode E. coli.

Sánchez et al (1999b) destacam quea concentração de coliformes fecais - eE.coli, em decorrência - no efluente émelhor indicador da maturidade bioló-gica do filtro lento que a turbidez, umavez que esta se estabiliza muito mais rapi-damente no efluente. Os autores afirmamque o tempo de maturação pode ser esti-mado qualitativamente pela concentra-ção de coliformes termotolerentes noefluente logo após a limpeza: quantomaior esta concentração, maior será o pe-ríodo necessário para que o filtro alcancea maturidade.

Distribuição de bactériasesporuladas

(a) Remoção em profundidade

A Figura 8 ilustra a distribuição dasbactérias esporuladas – esporos de bacté-rias anaeróbias (EBAN) e Clostridiumperfringens, esporos de bactérias aeróbias

(EBAR) e Bacillus subtilis – no interiordos filtros de fluxo descendente.

O que se torna bem evidente nosFLD é a ausência de um padrão geral paraa distribuição de esporos de bactériasaeróbias (EBAR) e Bacillus subtilis no in-terior do leito filtrante. Ao contrário doobservado para outros parâmetros, nãohá uma concentração maior nos 0,15 miniciais do leito filtrante, nem uma redu-ção da concentração com a profundida-de. É interessante observar, no entanto,que não existe uma acumulação expressi-va destes dois parâmetros do primeiro(2 dias) para o segundo momento de aná-lise (4/8 dias), indicando que possa haverum controle da retenção destes esporosaeróbios no interior do leito de areia.

Com relação aos esporos de bactéri-as anaeróbias e Clostridium perfringens,pode-se perceber um acúmulo um pou-co diferenciado na primeira camada, comuma tendência sutil de redução da con-centração com o aumento da profundi-dade. No entanto, sob a taxa de 3m3/m2.dcom dois dias de análise, há uma ligeiraredução da quantidade de esporos da pri-meira para terceira camada, mas esta voltaa subir na quarta e mais ainda nos 0,15cm finais do leito. Da mesma maneira queobservado para os esporos aeróbios, nãohouve uma acumulação significativa doprimeiro para o segundo dia de análisesob ambas as taxas, sugerindo tambémum controle destes microrganismos noleito filtrante.

Para o FLA são válidas as mesmasobservações realizadas para o FLD quan-to à ausência de padrões de distribuiçãode esporos de bactérias aeróbias e Bacillussubtilis no interior do leito filtrante. Nota-se uma quantidade consideravelmentemenor destas bactérias no interior do lei-to filtrante para a taxa de 3m3/m2.d, comdez dias de carreira. Coerentemente, aágua afluente às duas carreiras realizadassob estas condições apresentou concen-trações cerca de 2 a 3 log inferiores à mé-dia das outras carreiras, resultando em ummenor aporte de bactérias esporuladas nointerior do filtro e conseqüente menoracumulação.

Em relação à retenção nos 0,45 miniciais do leito filtrante para os esporosde bactérias anaeróbias, variou muito en-tre as carreiras realizadas - entre 70,1% e95,1% para o FLD (com exceção de umacarreira com maior taxa e maior maturi-dade, cuja retenção nestas camadas foi de56,1%, atípica) e 65,8% e 95,4% para oFLA (com exceção de uma carreira commenor taxa e menor maturidade, cuja re-

tenção foi de 40,0%, atípica). Já paraClostridium perfringens, a retenção médianos primeiros 0,45 m do leito filtrantefoi de 91,02% para ambos os fluxos, che-gando a 100% em algumas carreiras.

Tanto para os esporos de bactériasaeróbias como para Bacillus subtilis a re-tenção nos 0,45 m iniciais variou enor-memente de uma carreira para outra, semapresentar nenhum padrão relacionado àtaxa de filtração, ao tempo de carreira ouao sentido de fluxo.

Outro ponto a ser ressaltado é queos esporos, sejam aeróbios ou anaeróbios,tendem a apresentar comportamento se-melhante ao de uma partícula inerte, di-ferente do observado para bactérias comocoliformes totais, mas teoricamente seme-lhante aos cistos e oocistos de protozoários.No entanto, a concentração das bacté-rias aeróbias esporuladas na água brutachega a ser 5 log mais alta que as deCryptosporidium. Essa concentração, se-gundo Bellamy et al (1985) tem efeitodeterminante na concentração no efluen-te, indicando que a concentração afluen-te também surte efeito sobre a dinâmicadestas bactérias no interior do filtro.Murtha e Heller (2003), porém, obser-varam que variações na turbidez afluentenão afetam diretamente a turbidez doefluente, entretanto trabalhando com fil-tros lentos de areia já maduros biologica-mente. Nieminski et al (2000) confir-mam o comportamento destes microrga-nismos como partícula inerte, ao afirma-rem que, ao longo de tratamentos por fil-tração rápida, a remoção de esporos debactérias aeróbias e B. subtilis é conseqü-ência de ações físicas, com pouca altera-ção na viabilidade e na forma destesesporos. Ponto a ser ainda elucidado é seo mesmo pode ser assumido na filtraçãolenta, sobretudo para os esporos de bac-térias aeróbias, dado que outra pesquisaencontrou resultado que permite presu-mir crescimento da população de micror-ganismos no processo (Vieira, 2002).

(b) Remoção na schmutzdecke

A Figura 9 permite observar que,sob a taxa mais baixa, há um acúmulomaior de EBAR e B. subtilis naschmutzdecke, embora o aporte tenha sidomenor. Isso se configura como uma novaindicação de que taxas mais altas impli-cam em uma penetração maior de partí-culas no interior do leito filtrante. É inte-ressante observar que para todos osparâmetros (exceto B. subtilis sob a taxade 3 m3/m2.d) há um ligeiro acúmulo na

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Figura 8 – Quantidade de bactérias esporuladas no interior do FLD. (a) taxa 6m3/m

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schmutzdecke do primeiro para o segundomomento de análise.

No entanto, ao se observarem osvalores percentuais de retenção destesparâmetros pela schmutzdecke, percebe-seque a camada biológica sobre o leitofiltrante pouco contribui para a remoçãototal no interior do filtro. Apenas para C.perfringens a camada mais desenvolvidacontribuiu para uma alta remoção –92,11%.

(c) Efluente

A mesma irregularidade na dinâmi-ca de esporos de bactérias aeróbias e B.subtilis no interior do leito filtrante podeser observada no efluente dos FLD e FLA.Os valores obtidos no efluen te variaramde 1,0x101 a 1,60x106 UFC/100mL paraEBAR e 1,0x101 a 3,10x105 UFC/100mLpara B. subtilis. Não foi possível encontrarnenhuma relação entre as eficiências de re-moção e os sentidos de fluxo, taxa de fil-tração ou momento de análise da carreira.

Já com relação aos esporos de bacté-rias anaeróbias e C. perfringens, os filtrosapresentaram um comportamento mui-to mais uniforme. Os primeiros só ocor-reram no efluente nos primeiros momen-tos de análise, principalmente sob taxamais alta – 6 m3/m2.d. C. perfringens sófoi detectado no efluente duas vezes,

ambas no primeiro momento de análisedo FLD, uma sob taxa maior e outra soba taxa menor. Este padrão foi mais coe-rente que o encontrado para cisto deGiardia e oocistos de Cryptosporidium(Brito, 2002).

Nieminsky et al (2000), avaliandoesses quatro parâmetros como indicado-res da qualidade do tratamento, observa-ram que esporos de bactérias anaeróbias eC. perfringens apresentam-se ausentes ouem concentração muito baixa no efluente,enquanto esporos de bactérias aeróbias eB. subtilis, apesar de serem removidos emgrande proporção (até 4 log), sempre são

detectados no efluente, permitindo umamelhor avaliação do tratamento como umtodo, não apenas com relação à remoçãode patógenos.

CONCLUSÕES

O trabalho realizado permite as se-guintes conclusões preliminares:

· a maturidade biológica do leitofiltrante, entendida como o equilíbrio dacomunidade que se forma sobre o leitode areia, parece ser menos favorecida pelataxa mais alta de filtração e pelo fluxoascendente;

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Figura 9 – Quantidade de bactérias esporuladas(EBAN e C. perfringens, EBAR e B. subtilis)

na schmutzdecke


· para coliformes totais e E. coli osentido de fluxo parece influenciar a suadistribuição apenas sob taxas de filtraçãomais altas, enquanto para as bactériasesporuladas não foram observadas dife-renças na distribuição em nenhuma dassituações estudadas;

· os 0,45 m iniciais do leito filtrantesão importantes na remoção de microrga-nismos na filtração lenta, sob as condi-ções estudadas, mas a remoção não se res-tringe apenas a estas camadas, sendo quepara todos os indicadores de qualidadede água avaliados pode-se observar reten-ção nas camadas de 0,45-0,60 m e de0,60-0,75 m, em diferentes proporçõesentre as carreiras;

· a schmutzdecke parece apresentarpapel efetivo na remoção de microrganis-mos indicadores apenas quando bem de-senvolvida, afetando de maneira diferen-ciada a dinâmica dos diversos parâmetrosaqui estudados, mas sem um padrão bemdefinido para essa interferência;

· a avaliação das quantidades dosmicrorganismos indicadores e dos indi-cadores físico-químicos no interior dascamadas do leito filtrante, nos dois fluxosestudados, dá uma indicação de que acamada suporte exerce algum papel naretenção de sólidos e microrganismos nofluxo ascendente.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de reconhecere agradecer a contribuição da FAPEMIGe da FUNASA, por meio do Proje-to VIGISUS, pelo apoio financeiro à pes-quisa; do CNPq, pela concessão de bol-sas, e da FUNED, pelo suportelaboratorial e analítico.

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Endereço para correspondência:

Léo HellerDepartamento de EngenhariaSanitária e Ambiental - UFMGAv. Contorno, 842/71530110-060Belo Horizonte – MG - [email protected]

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Amadurecimento de filtros lentos de areia e remoção de microrganismos indicadores de qualidade da água ao longo da profundidade do leito: uma avaliação em instalação piloto