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A falta de água potável é um agravo que atinge populações em nível mundial e nacional e as pequenas comunidades isoladas são as que estão mais suscetíveis à essa vulnerabilidade. Essas localidades demandam soluções descentralizadas, como o filtro lento domiciliar (FLD). Nesse contexto, nesta tese propõe-se a construção de FLD com materiais de PVC, de fácil aquisição e montagem simples. Na Fase 1 do trabalho, compararam-se FLDs com regime de fluxo intermitente, com (FI) e sem (FIS) controle do nível da água por boia; e contínuo, com (FC) e sem (FCS) boia, tratando mistura de água subterrânea com caulinita. Analisaram-se turbidez remanescente, redução de Escherichia coli, tempo de amadurecimento e duração das carreiras de filtração para investigar o efeito da boia nos dois regimes. Na Fase 2, estudou-se a aceleração do amadurecimento nos dois regimes, usando como acelerador o pó de cacto Opuntia cochenillifera, tratando água natural. Compararam-se unidades intermitentes com (FIA) e sem (FI) acelerador, e unidades contínuas com (FCA) e sem (FC) acelerador. Nessa fase consideraram-se também a redução de coliformes totais, consumo de oxigênio dissolvido e remoção de cistos de Giardia e oocistos de Cryptosporidium além das variáveis consideradas na Fase 1. Nas duas fases estudaram-se as correlações de variáveis operacionais (taxa de filtração, perda de carga dividida por espessura de meio filtrante, tempo de operação, tempo após a manutenção) com eficiências para redução de bactérias e turbidez remanescente. O custo dos FLDs em PVC foi estimado em cerca de R$ 420,00. Os resultados indicaram que na Fase 1, FI demonstrou maiores carreiras de filtração que FIS, sem diferenças para as outras variáveis. FC apresentou turbidez remanescente média menor que FCS (1,24 ± 0,91 versus 1,90 ± 1,36 NTU). Na Fase 2, FIA apresentou melhor eficiência para redução de E. coli (2,32 ± 0,79 versus 1,936 ± 0,61 log) e menor turbidez remanescente média que FI, entre os contínuos, não houve diferença de eficiências (p.e. 2,51 ± 0,60 e 2,60 ± 0,56 log de E. coli), no entanto, FCA apresentou carreiras de filtração mais curtas que FC (33 ± 13 versus 60 ± 14 dias). A variável perda de carga nos primeiros 2 cm foi a com maior correlação com a redução de bactérias na Fase 1, enquanto que na Fase 2, a redução de bactérias se correlacionou melhor com turbidez remanescente. No estudo sobre de remoção de (oo)cistos de protozoários, 92% de 30 amostras não apresentaram os parasitos, no entanto, em duas amostras detectaram-se a presença de um oocisto de Cryptosporidium. Apesar de elevadas reduções de bactérias por FLDs, não houve amostras filtradas com ausência de coliformes, para tanto, fizeram-se testes com hipoclorito de sódio, que resultaram ausência de bactérias na água tratada. O controle por boia prolongou a carreira de filtração no regime intermitente e melhorou a turbidez filtrada no fluxo contínuo. O uso do acelerador de amadurecimento foi efetivo para eficiências dos FLDs apenas no fluxo intermitente. Dentre os modelos estudados, o FC apresentou melhores resultados em termos de eficiência e duração das carreiras de filtração. / The lack of drinking water is an aggravation affecting populations at the global and national levels and the small and isolated communities are the most susceptible to this vulnerability. These locations require decentralized solutions, such as the household slow sand filter (HSSF). In this context, in the present thesis is proposed the construction of a HSSF with PVC materials, of easy acquisition and simple assemble. In Phase 1 of the study, it was compared HSSFs with intermittent flow regime, with (FI) and without (FIS) water level control by float; and continuous, with (FC) and without (FCS) float, treating groundwater with kaolinite. Remaining turbidity, Escherichia coli reduction, ripening time and filtration run times were investigated to explore the effect of the float in the two regimes. In Phase 2 the acceleration of ripening was studied in both regimes, using as accelerator Opuntia cochenillifera cactus powder, treating natural water. Intermittent units were compared with (FIA) and without (FI) accelerator, and continuous units with (FCA) and without (FC) accelerator. In this phase, the reduction of total coliforms, dissolved oxygen consumption and removal of Giardia cysts and Cryptosporidium oocysts in addition to the variables considered in Phase 1 were also studied. In the two phases it was studied the correlation of operational variables (filtration rate, head loss divided by filter media thickness, time of operation, time after maintenance) with efficiencies for bacterial reduction and remaining turbidity. The cost of FLDs in PVC was estimated at around R$ 420.00. The results indicated that in Phase 1, FI had larger filtration runs than FIS, with no differences for the other variables. FC had turbidity remaining mean lower than FCS (1.24 ± 0.91 versus 1.90 ± 1.36 NTU). In Phase 2, FIA had a better efficiency to reduce E. coli (2.32 ± 0.79 versus 1.936 ± 0.61 log) and lower average remaining turbidity than FI, there were no differences in efficiencies (e.g. 2, 51 ± 0.60 and 2.60 ± 0.56 log of E. coli), however, FCA had shorter filtration runs than FC (33 ± 13 versus 60 ± 14 days). The variable head loss in the first 2 cm was the one with the highest correlation with E. coli reductions in Phase 1, while in Phase 2, the bacterial reduction correlated better with remaining turbidity. In the study on the removal of protozoa (oo)cysts, 92% of 30 samples did not present the parasites, however, in two samples the presence of a Cryptosporidium oocyst was detected. Despite high bacterial reductions by HSSFs, there were no filtered samples with absence of coliforms; therefore, sodium hypochlorite tests were performed, which resulted in no bacteria in the treated water. The float control extended the filtration run in the intermittent regime and improved the turbidity filtered in the continuous stream. The use of the ripening accelerator was effective for FLD efficiencies only in the intermittent flow. Between the studied models of filters, FC was the one with the better results of efficiencies and duration of filters run.

A falta de água potável é um agravo que atinge populações em nível mundial e nacional e as pequenas comunidades isoladas são as que estão mais suscetíveis à essa vulnerabilidade. Essas localidades demandam soluções descentralizadas, como o filtro lento domiciliar (FLD). Nesse contexto, nesta tese propõe-se a construção de FLD com materiais de PVC, de fácil aquisição e montagem simples. Na Fase 1 do trabalho, compararam-se FLDs com regime de fluxo intermitente, com (FI) e sem (FIS) controle do nível da água por boia; e contínuo, com (FC) e sem (FCS) boia, tratando mistura de água subterrânea com caulinita. Analisaram-se turbidez remanescente, redução de Escherichia coli, tempo de amadurecimento e duração das carreiras de filtração para investigar o efeito da boia nos dois regimes. Na Fase 2, estudou-se a aceleração do amadurecimento nos dois regimes, usando como acelerador o pó de cacto Opuntia cochenillifera, tratando água natural. Compararam-se unidades intermitentes com (FIA) e sem (FI) acelerador, e unidades contínuas com (FCA) e sem (FC) acelerador. Nessa fase consideraram-se também a redução de coliformes totais, consumo de oxigênio dissolvido e remoção de cistos de Giardia e oocistos de Cryptosporidium além das variáveis consideradas na Fase 1. Nas duas fases estudaram-se as correlações de variáveis operacionais (taxa de filtração, perda de carga dividida por espessura de meio filtrante, tempo de operação, tempo após a manutenção) com eficiências para redução de bactérias e turbidez remanescente. O custo dos FLDs em PVC foi estimado em cerca de R$ 420,00. Os resultados indicaram que na Fase 1, FI demonstrou maiores carreiras de filtração que FIS, sem diferenças para as outras variáveis. FC apresentou turbidez remanescente média menor que FCS (1,24 ± 0,91 versus 1,90 ± 1,36 NTU). Na Fase 2, FIA apresentou melhor eficiência para redução de E. coli (2,32 ± 0,79 versus 1,936 ± 0,61 log) e menor turbidez remanescente média que FI, entre os contínuos, não houve diferença de eficiências (p.e. 2,51 ± 0,60 e 2,60 ± 0,56 log de E. coli), no entanto, FCA apresentou carreiras de filtração mais curtas que FC (33 ± 13 versus 60 ± 14 dias). A variável perda de carga nos primeiros 2 cm foi a com maior correlação com a redução de bactérias na Fase 1, enquanto que na Fase 2, a redução de bactérias se correlacionou melhor com turbidez remanescente. No estudo sobre de remoção de (oo)cistos de protozoários, 92% de 30 amostras não apresentaram os parasitos, no entanto, em duas amostras detectaram-se a presença de um oocisto de Cryptosporidium. Apesar de elevadas reduções de bactérias por FLDs, não houve amostras filtradas com ausência de coliformes, para tanto, fizeram-se testes com hipoclorito de sódio, que resultaram ausência de bactérias na água tratada. O controle por boia prolongou a carreira de filtração no regime intermitente e melhorou a turbidez filtrada no fluxo contínuo. O uso do acelerador de amadurecimento foi efetivo para eficiências dos FLDs apenas no fluxo intermitente. Dentre os modelos estudados, o FC apresentou melhores resultados em termos de eficiência e duração das carreiras de filtração. / The lack of drinking water is an aggravation affecting populations at the global and national levels and the small and isolated communities are the most susceptible to this vulnerability. These locations require decentralized solutions, such as the household slow sand filter (HSSF). In this context, in the present thesis is proposed the construction of a HSSF with PVC materials, of easy acquisition and simple assemble. In Phase 1 of the study, it was compared HSSFs with intermittent flow regime, with (FI) and without (FIS) water level control by float; and continuous, with (FC) and without (FCS) float, treating groundwater with kaolinite. Remaining turbidity, Escherichia coli reduction, ripening time and filtration run times were investigated to explore the effect of the float in the two regimes. In Phase 2 the acceleration of ripening was studied in both regimes, using as accelerator Opuntia cochenillifera cactus powder, treating natural water. Intermittent units were compared with (FIA) and without (FI) accelerator, and continuous units with (FCA) and without (FC) accelerator. In this phase, the reduction of total coliforms, dissolved oxygen consumption and removal of Giardia cysts and Cryptosporidium oocysts in addition to the variables considered in Phase 1 were also studied. In the two phases it was studied the correlation of operational variables (filtration rate, head loss divided by filter media thickness, time of operation, time after maintenance) with efficiencies for bacterial reduction and remaining turbidity. The cost of FLDs in PVC was estimated at around R$ 420.00. The results indicated that in Phase 1, FI had larger filtration runs than FIS, with no differences for the other variables. FC had turbidity remaining mean lower than FCS (1.24 ± 0.91 versus 1.90 ± 1.36 NTU). In Phase 2, FIA had a better efficiency to reduce E. coli (2.32 ± 0.79 versus 1.936 ± 0.61 log) and lower average remaining turbidity than FI, there were no differences in efficiencies (e.g. 2, 51 ± 0.60 and 2.60 ± 0.56 log of E. coli), however, FCA had shorter filtration runs than FC (33 ± 13 versus 60 ± 14 days). The variable head loss in the first 2 cm was the one with the highest correlation with E. coli reductions in Phase 1, while in Phase 2, the bacterial reduction correlated better with remaining turbidity. In the study on the removal of protozoa (oo)cysts, 92% of 30 samples did not present the parasites, however, in two samples the presence of a Cryptosporidium oocyst was detected. Despite high bacterial reductions by HSSFs, there were no filtered samples with absence of coliforms; therefore, sodium hypochlorite tests were performed, which resulted in no bacteria in the treated water. The float control extended the filtration run in the intermittent regime and improved the turbidity filtered in the continuous stream. The use of the ripening accelerator was effective for FLD efficiencies only in the intermittent flow. Between the studied models of filters, FC was the one with the better results of efficiencies and duration of filters run.

Slow sand filters (SSF) have been used to treat surface water to drinking water standards for over a century. Today many cities, including London still treat surface waters to drinking water standards, however because there are viruses that are not efficiently removed by a slow sand filter and are not killed by chlorine, communities have turned to the use of micro filtration and/or reverse osmosis to provide safe drinking water. These technologies are much more efficient if organics are removed and turbidity reduced to less than 1 Nephelometric Turbidity Units (NTU). The greenhouse industry is another potential user of slow sand filters. They are not able to recycle irrigation drainage water without it being treated to reduce bacteria, virus, and fungi. The objective of this research was to develop management strategies for SSF that specifically meet the needs of entities using SSF for pretreatment of potable water or use in a greenhouse. This data was used to test a scour system that resulted in scouring 80 percent of the organic layer in the filter and suspending the solids for 40 minutes. A conceptual design was done for a full scale SSF that took advantage of the scour and suspension data to clean the SSF at the end of a run cycle. SSF were able to consistently produce water with a turbidity less than 1 (NTU) and with the infiltration capacity of 0.27 m³m⁻². For greenhouse effluent a 1,000 square meter greenhouse that is discharging 3,600 L d⁻¹ of drainage water would require a 12.6 m² SSF, and the SSF for the community requiring treatment of 4.7 million liters per day of raw water was 730 m². The innovative cleaning system based on an air/water jet was developed to clean the SSF. Experiments were run to determine the amount of time that the solids were suspended and a scour system developed to exceed these times. The entire time for cleaning and recovery of the SSF was an average of 118 minutes for the greenhouse system and 170 minutes for the SSF serving a small community.

A pesquisa apresenta a influência da pré-oxidação com ozônio, peróxido de hidrogênio e com ozônio associado ao peróxido de hidrogênio no desempenho da filtração lenta com meio filtrante de areia e carvão ativado granular, procedida por duas unidades de pré-tratamento em série, a pré-filtração dinâmica e a pré-filtração vertical ascendente. A unidade de filtração lenta foi bem operada com taxa de 3 m3/m 2.d, tendo sido realizadas seis carreiras de filtração. A eficiência da unidade foi avaliada em função de medições de cor, absorvância a 254 nm, carbono orgânico dissolvido, coliformes fecais, algas protozoários e metazoários. Na camada biológica predominaram as Classes Chlorophyceae, Bacillariophyceae sobre as Chrysophyceae, Cyanophyceae e Euglenophyceae. A aplicação de ozônio, peróxido de hidrogênio e ozônio associado ao peróxido de hidrogênio, afetou a maturação da camada biológica em relação à diversidade de espécies e densidade populacional de algas. As algas que colonizaram o meio filtrante, ao longo de sua profundidade, foram espécies das Classes Chlorophyceae e Bacillariophyceae. O meio filtrante apresentou, também, colonização de protozoários e rotíferos. Houve diferenças significativas na qualidade do efluente do filtro lento com relação à remoção de turbidez, cor verdadeira, cor aparente, absorvância a 254 nm e carbono orgânico dissolvido nas diferentes carreiras de filtração decorrente do uso de pré-oxidantes; o que não foi observado com relação à remoção de bactérias heterotróficas, coliformes totais e fecais. / This dissertation presents the influence of pre-oxidation with ozone, hydrogen, peroxide and ozone associated with hydrogen peroxide on the performance of slow filtration with filtering medium of sand and actived granular carbon, preceded by two pretreatment units in series, i.e., dynamic and vertical downflow prefilters. Six runs of slow filtration units were operated with a rate of 3 m3/m2.d each. The efficiency of the filtering unit was evaluated by colour determination, absorbance at 254 nm, dissolved organic carbon, total coliforms, fecal coliforms, algae, protozoa and metazoa. Chlorophyceae and Bacilllariophyceae classes predominated over Chrysophyceae, Cryptophyceae, Cyanophyeeae and Euglenophyeeae classes in the schmutzdecke. The application of ozone, hydrogen peroxide and ozone associated with hydrogen peroxide affected the schmutzdecke maturation in relation to the species diversity and population density of algae. The algae that developed in the filtering medium along its depth were species of the Chlorophyceae and Bacillariophyceae classes. The filtering medium also presented a development of protozoa and rotifers. There were significam differences in the quality of slow filter effluent in relation to turbidity removal, true colour, apparent colour, absorbance at 254 nm and dissolved organic carbon in the different filtration runs caused by the use of pre-oxidants. Such differences were not observed in the removal of heterotrophic bacteria and, total and fecal coliforms.

A pesquisa apresenta a influência da pré-oxidação com ozônio, peróxido de hidrogênio e com ozônio associado ao peróxido de hidrogênio no desempenho da filtração lenta com meio filtrante de areia e carvão ativado granular, procedida por duas unidades de pré-tratamento em série, a pré-filtração dinâmica e a pré-filtração vertical ascendente. A unidade de filtração lenta foi bem operada com taxa de 3 m3/m 2.d, tendo sido realizadas seis carreiras de filtração. A eficiência da unidade foi avaliada em função de medições de cor, absorvância a 254 nm, carbono orgânico dissolvido, coliformes fecais, algas protozoários e metazoários. Na camada biológica predominaram as Classes Chlorophyceae, Bacillariophyceae sobre as Chrysophyceae, Cyanophyceae e Euglenophyceae. A aplicação de ozônio, peróxido de hidrogênio e ozônio associado ao peróxido de hidrogênio, afetou a maturação da camada biológica em relação à diversidade de espécies e densidade populacional de algas. As algas que colonizaram o meio filtrante, ao longo de sua profundidade, foram espécies das Classes Chlorophyceae e Bacillariophyceae. O meio filtrante apresentou, também, colonização de protozoários e rotíferos. Houve diferenças significativas na qualidade do efluente do filtro lento com relação à remoção de turbidez, cor verdadeira, cor aparente, absorvância a 254 nm e carbono orgânico dissolvido nas diferentes carreiras de filtração decorrente do uso de pré-oxidantes; o que não foi observado com relação à remoção de bactérias heterotróficas, coliformes totais e fecais. / This dissertation presents the influence of pre-oxidation with ozone, hydrogen, peroxide and ozone associated with hydrogen peroxide on the performance of slow filtration with filtering medium of sand and actived granular carbon, preceded by two pretreatment units in series, i.e., dynamic and vertical downflow prefilters. Six runs of slow filtration units were operated with a rate of 3 m3/m2.d each. The efficiency of the filtering unit was evaluated by colour determination, absorbance at 254 nm, dissolved organic carbon, total coliforms, fecal coliforms, algae, protozoa and metazoa. Chlorophyceae and Bacilllariophyceae classes predominated over Chrysophyceae, Cryptophyceae, Cyanophyeeae and Euglenophyeeae classes in the schmutzdecke. The application of ozone, hydrogen peroxide and ozone associated with hydrogen peroxide affected the schmutzdecke maturation in relation to the species diversity and population density of algae. The algae that developed in the filtering medium along its depth were species of the Chlorophyceae and Bacillariophyceae classes. The filtering medium also presented a development of protozoa and rotifers. There were significam differences in the quality of slow filter effluent in relation to turbidity removal, true colour, apparent colour, absorbance at 254 nm and dissolved organic carbon in the different filtration runs caused by the use of pre-oxidants. Such differences were not observed in the removal of heterotrophic bacteria and, total and fecal coliforms.