TRATAMENTO DE ÁGUA UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro Faculdade de Farmácia – Graduação TRATAMENTO DE ÁGUA Disciplina: Tecnologia Industrial Farmacêutica (Física Industrial) Professor: Dr. Lúcio Mendes Cabral Mestrando: Marcos Giovani Rodrigues da Silva Novembro 2009

PRIMEIRO MÓDULO (Tratamento de água para uso doméstico)

PROGRAMA A água no mundo Tratamento da água para uso doméstico Legislação (portaria n° 518 de 25/ 03/ 2004) Sistema de abastecimento Fases (captação, tratamento, reservação, adução e distribuição) Padrões de qualidade (USP) Contaminantes básicos

CURIOSIDADES Terra ( 70% de água) 97,5% é imprópria para o consumo ( água salgada ) 2,5% água doce (35 milhões de km3): 69,5% (indisponíveis nas calotas polares, em neves eternas nas montanhas mais altas e em solos congelados). 30,1% (debaixo da terra, em lençóis freáticos). 0,4% (superfície da terra, rios e lagos, neblina, umidade da superfície do solo. lençóis subterrâneos e áreas congeladas). (http: // www.moderna.com.br/moderna/didaticos/projeto/2006/1/mundo/)

CURIOSIDADES SITUAÇÃO DA RESERVA DE ÁGUA DOCE POR PESSOA NO MUNDO Ano Tabela 1. Situação da reserva de água doce no mundo (UNESCO, 1999) SITUAÇÃO DA RESERVA DE ÁGUA DOCE POR PESSOA NO MUNDO Ano Quantidade 1950 16,8 mil m3  1998 7,3mil m3  2018 (projeção) 4,8mil m3  (http: // www.moderna.com.br/moderna/didaticos/projeto/2006/1/mundo/)

CURIOSIDADES CONSUMO DOMÉSTICO DE ÁGUA POR ATIVIDADE Atividade Tabela 2. Consumo Sustentável - manual de educação (MMA/IDEC). CONSUMO DOMÉSTICO DE ÁGUA POR ATIVIDADE Atividade Quantidade (em litros) Descarga no vaso sanitário tradicional 10 a 16 Minto no chuveiro 15 Lavar roupa no tanque 150 Lavar as mãos 3 a 5 Lavar roupa com máquina de lavar Lavar louça em lava-louça 20 a 25 Escovar os dentes com água escorrendo 11 Lavagem do automóvel com mangueira 100

ÁGUA – ”O OURO AZUL“ Classificação dos países, quanto ao volume de água renovável/ tamanho da população segundo à Organização das Nações Unidas (ONU): “escassez” (< 1 milhão de litros por pessoa anualmente). Norte da África (Egito, a Líbia e a Argélia) e na Península Arábica (Arábia Saudita, a Síria e a Jordânia). “água insuficiente” (China, com mais de 1 bilhão). “água no limite” (entre 1 milhão e 1,7 milhão de litros por pessoa ao ano). A Índia, com cerca de 1 bilhão de habitantes. O Brasil está no melhor grupo (>10 milhões de litros de água doce disponível por habitante anualmente), mas as maiores reservas estão no norte, longe das grandes cidades. http://www.un.org/esa/sustdev/documents/agenda21/

ÁGUA – “O OURO AZUL” Segundo a ONU, no ano 2050, o mundo terá uma população de 8,9 bilhões de pessoas, das quais 4 bilhões viverão em países com escassez crônica de água, o pior grupo. Nesses países, a escassez de água poderá provocar problemas graves na saúde pública e inviabilizar o crescimento da economia e a geração de empregos. A tecnologia mais promissora é a dessalinização da água dos mares e lagos salgados, que pode ser feita por meio da filtragem ou da destilação da água em usinas. De 1980 ao ano 2000, o preço do metro cúbico de água do mar dessalinizada diminuiu de 5,50 dólares para 55 centavos de dólar, e este parece ser o método que será o mais adotado. http://www.un.org/esa/sustdev/documents/agenda21/

ÁGUA – “O OURO AZUL” Causas da escassez: uso exagerado e despreocupado da população junto com o lançamento diário de substâncias poluentes, tanto domésticos quanto industriais, nos mananciais que restam. Campanhas, manifestações e propagandas dos mais diversos órgãos, sejam privados ou públicos - alertando para conservação do meio ambiente, evitando o desperdício de água e poluição de rios, lagos, lagoas e mares, além de incentivar uma mentalidade sustentável. A Assembléia Geral das Nações Unidas decretou (1993), por meio de uma resolução, o 22 de março como sendo o Dia Mundial da Água. http://www.un.org/esa/sustdev/documents/agenda21/

CURIOSIDADES No século XX: A população mundial aumentou 03 vezes. O consumo de água aumentou 08 vezes. Figura 1. Consumo mundial de água, adaptado de CLARKE & KING (2005).

H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O TRATAMENTO DE ÁGUA Para que fim ? AGRICULTURA H2O DOMÉSTICO H2O INDUSTRIAL H2O H2O

TRATAMENTO - USO DOMÉSTICO Portaria n.º 518, de 25 de março de 2004 Art. 1.º “Aprovar a Norma de Qualidade da Água para Consumo Humano, na forma do Anexo desta Portaria, de uso obrigatório em todo território nacional”.

TRATAMENTO - USO DOMÉSTICO Portaria n.º 518, de 25 de março de 2004 Art. 4.º ... adotadas as seguintes definições: I – “água potável – água para consumo humano cujos parâmetros microbiológicos, físicos, químicos e radioativos atendam ao padrão de potabilidade e que não ofereça riscos à saúde”; II – “sistema de abastecimento de água para consumo humano – instalação composta por conjunto de obras civis, materiais e equipamentos, destinada à produção e à distribuição canalizada de água potável para populações, sob a responsabilidade do poder público, mesmo que administrada em regime de concessão ou permissão”;

SISTEMA DE ABASTECIMENTO Construção de um sistema de abastecimento de água: Pessoal altamente especializado. Estudos (população/ taxa de crescimento da cidade/ necessidades industriais). Figura Estação de Tratamento de Água do Guandu

ABASTECIMENTO DE ÁGUA CAPTAÇÃO TRATAMENTO RESERVAÇÃO ADUÇÃO DISTRIBUIÇÃO

ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA (ETA) SELEÇÃO DA FONTE: Vazão do manancial Localização da fonte Topografia da região Presença de possíveis focos de contaminação (poluentes domésticos e industriais)

CAPTAÇÃO Superficial - rios, lagos ou represas, por gravidade ou bombeamento. Casa de máquinas é construída junto à captação (conjuntos de motobombas que sugam a água do manancial e a enviam para a estação de tratamento). Subterrânea – poços artesianos,  perfurações com 50 a 100 m feitas no terreno para captar a água dos lençóis subterrâneos. Motobombas, instaladas perto do lençol d’ água, enviam à superfície por tubulações (isenta de contaminação por bactérias e vírus, sem turbidez).

TRATAMENTO Captação superficial: 1) Oxidação - oxidar os metais presentes na água, principalmente o ferro e o manganês, que normalmente se apresentam dissolvidos na água bruta (cloro ou produto similar, pois tornam os metais insolúveis na água, permitindo, assim, a sua remoção nas outras etapas). 2) Coagulação - remoção das partículas de sujeira se inicia no tanque de mistura rápida com a adição de sulfato de alumínio ou cloreto férrico. (formação de flocos). Para otimizar o processo adiciona-se cal, o que mantém o pH da água no nível adequado.

TRATAMENTO 3) Floculação - os flocos misturam-se, ganhando peso, volume e consistência. 4) Decantação – sedimentação dos flocos no fundo dos tanques. 5) Filtração – separação das impurezas que não foram sedimentadas no processo de decantação (filtros constituídos por camadas de areia ou areia e antracito suportadas por cascalho de diversos tamanhos que retêm a sujeira ainda restante. 6) Desinfecção – adição de cloro (eliminação de microorganismos nocivos, garantindo também a qualidade da água nas redes de distribuição e nos reservatórios.

TRATAMENTO 7) Correção de pH – proteção das canalizações das redes e das casas contra corrosão ou incrustação, a água recebe uma dosagem de cal, que corrige seu pH. 8) Fluoretação (Portaria do Ministério da Saúde). Consiste na aplicação de uma dosagem de composto de flúor  (ácido fluossilícico) que reduz a incidência da cárie dentária, especialmente no período de formação dos dentes, que vai da gestação até a idade de 15 anos.

TRATAMENTO Captação subterrânea: A água captada através de poços profundos, na maioria das vezes, não precisa ser tratada, bastando apenas a desinfecção com cloro. Isso ocorre porque, nesse caso, a água não apresenta qualquer turbidez, eliminando as outras fases que são necessárias ao tratamento das águas superficiais.

RESERVAÇÃO Finalidade da armazenagem da água em reservatórios: manter a regularidade do abastecimento, mesmo quando é necessário paralisar a produção para manutenção em qualquer uma das unidades do sistema. atender às demandas extraordinárias, como as que ocorrem nos períodos de calor intenso ou quando, durante o dia, usa-se muita água ao mesmo tempo (na hora do almoço, por exemplo). Classificação dos reservatórios quanto à sua posição em relação ao solo: subterrâneos  (enterrados), apoiados e elevados.

DISTRIBUIÇÃO Por intermédio de canos enterrados sob a pavimentação das ruas da cidade (redes de distribuição). Pressão satisfatória em todos os seus pontos (bombas, chamadas boosters, objetiva bombear a água para locais mais altos. Construção de estações elevatórias de água, equipadas com bombas de maior capacidade. Nos trechos de redes com pressão em excesso, são instaladas válvulas redutoras. Alcançar as ligações domiciliares.

TRATAMENTO PARA USO DOMÉSTICO Portaria n.º 518, de 25 de março de 2004 Art. 5.º São deveres e obrigações do Ministério da Saúde, por intermédio da Secretaria de Vigilância em Saúde – SVS: I – “promover e acompanhar a vigilância da qualidade da água, em articulação com as Secretarias de Saúde dos Estados e do Distrito Federal e com os responsáveis pelo controle de qualidade da água, nos termos da legislação que regulamenta o SUS”; II – “estabelecer as referências laboratoriais nacionais e regionais, para dar suporte às ações de maior complexidade na vigilância da qualidade da água para consumo humano”; III – “aprovar e registrar as metodologias não contempladas nas referências citadas no artigo 17 deste Anexo”;

PADRÕES DE QUALIDADE DA ÁGUA ASTM - American Society for Testing and Materials Anvisa RDC 354 (1997) - Cosmético NCCLS - National Comittee for Clinical Laboratory Standards USP/EP – Farmacopéias MS – Portaria 518 (24/03/04) Anvisa RDC 210

Padrão - Água Potável MS - Portaria 518 - 25/03/04 Parâmetro MVP Cor (uH) 15 Turbidez (uT) 5 pH 6,0 a 9,5 TDS (ppm) 1.000 Dureza (ppm) 500 Alumínio (ppm) 0,2 Amonia (ppm) 1,5 Cloreto (ppm) 250 Parâmetro MVP Ferro (ppm) 0,3 Manganês (ppm) 0,1 Sódio (ppm) 200 Sulfato (ppm) 250 Zinco (ppm) 5,0 Coliformes aus. (100 ml) Bact. Heterot. 500ufc/ml MVP: Máximo Valor Permitido

CONTAMINANTES BÁSICOS ÁGUA POTÁVEL Inorgânico dissolvido(Na+, Cl-, Fe+3, Ca+2, Mg+2...) Orgânico dissolvido(Ácidos, Pesticidas, Herbicidas...) Microorganismos Material Particulado – Colóides (Fe+2...) Gases Dissolvidos(CO2,...)

FINAL DO PRIMEIRO MÓDULO

Leitura complementar TEMA: “ Uma abordagem de detetive para projetos de tratamento de água bem sucedidos” (SLOVAK, 2001) OBJETIVO: Fixar alguns conceitos que serão abordados no segundo módulo, como uma proposta adequada de implementação de um sistema de tratamento de água. DATA ENTREGA: carater instrutivo

SEGUNDO MÓDULO (Pré-tratamento da água para uso industrial)

PROGRAMA Como planejar um sistema de tratamento de água Pré-tratamento (finalidade e tecnologias) Pré-filtração Cloração Remoção de ferro Filtração Abrandamento Remoção de cloro Ajuste de pH

TRATAMENTO DE ÁGUA Para que fim ? H2O H2O H2O AGRICULTURA H2O DOMÉSTICO H2O INDUSTRIAL H2O H2O

Boas Práticas de Fabricação Agência Nacional de Vigilância Sanitária Resolução - RDC nº 210, de 04 de agosto de 2003 Art. 3° Instituir como norma de inspeção para fins da verificação do cumprimento das Boas Práticas de Fabricação de Medicamentos, para os órgãos de vigilância sanitária do Sistema Único de Saúde, o Roteiro de Inspeção para Empresas Fabricantes de Medicamentos, conforme Anexo III desta Resolução. ANEXO III Roteiro de Inspeção para Empresas Fabricantes de Medicamentos 7.- SISTEMAS E INSTALAÇÕES DE ÁGUA

Como planejar o sistema ? Qual é a origem da água ? (potável, poço ...) Existe programa para a conservação da água potável? Existe programa de limpeza, desinfecção e monitoramento para as caixas d’ águas/ cisternas ? Qual é a sua freqüência ? Existem registros ? Qual é o tipo de tubulação entre a cisterna e o reservatório, e entre o reservatório e os pontos de uso metálico (ferro...)/ pvc ?

Como planejar o sistema ? Qual é a origem da água ? (potável, poço ...) Existe programa para a conservação da água potável? Existe programa de limpeza, desinfecção e monitoramento para as caixas d’ águas/ cisternas ? Qual é a sua freqüência ? Existem registros ? Qual é o tipo de tubulação entre a cisterna e o reservatório, e entre o reservatório e os pontos de uso metálico (ferro...)/ pvc ?

Como planejar o sistema ? Existe algum tipo de controle de conservação ? Há quanto tempo está instalado ? Qual é o consumo de água previsto ? Para quais produtos ? Quantos são os pontos de coleta ?

ELABORAÇÃO DO PROJETO Autoria (empresas especializadas, fornecedor do sistema ou própria empresa). Definição dos produtos que serão fabricados pela empresa. Definição da qualidade e quantidade de água (PW e WFI) pelo usuário final.

Tipos de Água na Indústria Farmacêutica Água purificada (PW): obtida por osmose reversa ou deionização. Água para injetáveis (WFI): obtida por destilação ou por qualquer outra tecnologia que produza água do mesmo nível ou melhor que a destilada (harmonização das farmacopéias USP/EP)

ELABORAÇÃO DO PROJETO Grupo Técnico define: tecnologia principal, tipo de recirculação, tipos de sanitização. Definição do espaço físico para instalação do sistema e indica o responsável do setor para acompanhamento do projeto, instalação e seu start up. Gerência da Garantia da Qualidade define quem validará o sistema e os responsáveis pelas auditorias e auto-inspeções.

Sistema Básico de Purificação PRÉ-TRATAMENTO GERAÇÃO RECIRCULAÇÃO

PRÉ-TRATAMENTO Origem da água Qualidade da água recebida Histórico analítico de 1 ano (principais parâmetros) Projeto (especificações do sistema baseado nas análises) Objetivos performance dos equipamentos qualidade da água gerada vida útil das membranas

PRÉ-TRATAMENTO Contaminantes básicos da água potável: Inorgânico dissolvido(Na+, Cl-, Fe+3, Ca+2,Mg+2...) Orgânico dissolvido(ác., pest., herb...) Microorganismos Material particulado – colóides (Fe+2...) Gases dissolvidos(CO2,...)

PRÉ-TRATAMENTO Tecnologias combinadas: Filtração: partíc./ coloides/ bact./pirogênios Carvão ativado : cloro, orgânicos Metabissulfito de Sódio: cloro Abrandador : cálcio / magnésio Dosador de NaOH : ajuste pH

PRÉ-TRATAMENTO PRÉ-FILTRAÇÃO Carcaça para filtro tipo bag

PRÉ-TRATAMENTO PRÉ-FILTRAÇÃO Filtros bag Controle por manômetro

PRÉ-TRATAMENTO CLORAÇÃO K = 3 x 10-8 pH 7.5 → [HOCl] ~ [OCl-] pH 8 → 30% do cloro livre como HOCl pH 6.5 → 90% do cloro livre Cloro livre = ácido hipocloroso + íon hipoclorito HOCl é mais eficiente do que OCl- “The disinfection must be carried out at pH less than 8 and at a free chlorine concentration ≥ 0.5 mg/litre” (Guidelines of WHO) Reservatório de água potável

PRÉ-TRATAMENTO RESFRIAMENTO DA ÁGUA Trocador de calor sanitário

PRÉ-TRATAMENTO REMOÇÃO DE FERRO Greensand/ dióxido de manganês

PRÉ-TRATAMENTO REMOÇÃO DE FERRO Tipos de ferro encontrados na água potável: 1. Ferro sequestrado (tripolifosfato, hexametaphosfato ou silicato de sódio) - não retido no abrandador. 2. Ferro ligado à compostos orgânicos (Heme Iron) ex.: quelação de ferro por taninos 3. Ferro presente em bactérias 4. Hidróxido férrico (Red Water Iron) 5. Bicarbonato ferroso (Clear Water Iron) Um problema para remoção !!!

PRÉ-TRATAMENTO REMOÇÃO DE FERRO Ozonização (ineficácia para taninos) Aeração (processo lento/ coagulante) Cloração (necessita de filtro com carvão ativado/ formação de trihalometano quando reage com taninos)

PRÉ-TRATAMENTO REMOÇÃO DE FERRO Filtro para remoção de ferro solúvel, sulfeto de hidrogênio, manganês, arsênico e rádio da água. Efetivo em altas temperaturas e variações de pressão, prolongando o tempo para retrolavagem. Superfície do greensand revestida com dióxido de manganês, que atua como um catalizador na reação de oxi-redução do ferro e manganês.

PRÉ-TRATAMENTO REMOÇÃO DE FERRO Greensand/ dióxido de manganês: Durante a etapa de retrolavagem, o MnO é removido mecanicamente da superfície do material, regenerando-o.

PRÉ-TRATAMENTO FILTRAÇÃO Separação mecânica de partículas de um fluido pela passagem através de um material poroso/ fibroso ou granular.

PRÉ-TRATAMENTO FILTROS MULTIMÍDIAS Camadas especiais para filtração Sem poder de remoção bacteriana

PRÉ-TRATAMENTO FILTROS MULTIMÍDIAS Nome atual para filtro de areia. Composição: vários tipos de areia com granulometrias diferentes. Cabeçote automático para programação de retrolavagem (no mínimo 1 vez ao dia). Material resistente à corrosão. Redução do SDI (Silt Density Index) Possibilidade de inserir outro auxiliar filtrante. Ex: Zeólito (Remoção de Ferro )

PRÉ-TRATAMENTO CARTUCHOS FILTRANTES remoção de partículas poros mais utilizados: 25, 10, 5, 1µm importante:certificado de qualidade uso:proteção de equipamentos

PRÉ-TRATAMENTO

PRÉ-TRATAMENTO Zeólitos: Rochas vulcânicas / cinza vulcânicas + água alcalina Aluminosilicatos hidratados que possuem estrutura aberta para acomodar uma grande variedade de íons positivos (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) Íons fracamente ligados a estrutura (substituídos por outros em solução)

PRÉ-TRATAMENTO High purity clinoptilolite silicate structures are characterized by low solubility in water and acid; low to moderate Specific Gravity, with comparatively high hardness. Based on crystallography, the basic atomic structure of nextSand media consists of four (4) atoms of oxygen equally spaced. With this tetrahedral crystal structure (Si2O4) oxygen atoms are shared with other Si2O4 structure to form the unique crystal framework (Fig. 1).

PRÉ-TRATAMENTO

REMOÇÃO SELETIVA CÁTIONS PRÉ-TRATAMENTO REMOÇÃO SELETIVA CÁTIONS Abrandador

PRÉ-TRATAMENTO O que é dureza? Quantidade total de cátions Ca+2 e Mg+2, normalmente presentes em águas subterrâneas. É medido em mg/L que possui o mesmo significado físico de ppm. Água com dureza menor do que 20 mg/L é chamada de água branda. Níveis de dureza: Água Branda < 20 mg/L Água Levemente Dura 20 – 60 mg/L Água Moderadamente Dura 120 – 180 mg/L Água Muito Dura >180 mg/L

PRÉ-TRATAMENTO Quais os problemas ocasionados por uma água com alto teor de dureza? Ca+2 e Mg+2 precipitam formando depósitos nas superfícies de tubulações, tanques e aquecedores. Ca+2 e Mg+2 possuem alta afinidade química, por isso reage facilmente com todos os ingredientes da água, ocasionado um grave inconveniente, como por exemplo o efeito menos efetivo de sabões e detergentes.

PRÉ-TRATAMENTO Qual é o mecanismo de abrandamento ? O processo de troca iônica usa uma mídia especial de polímero (resina) na forma de pequenas esferas. Ocorre a troca de cátions Ca+2 e Mg+2 por cátions de sódio da solução saturada de NaCl (salmoura). Quando a resina alcança sua capacidade de troca ela deve ser “regenerada” com mais salmoura para dar-lhe uma nova capacidade para remover mais dureza. A seqüência da troca iônica e regeneração proporciona remoção continua de dureza.

PRÉ-TRATAMENTO Como a resina de troca iônica é usada? Em abrandadores, equipamentos especialmente projetados, que controlam automaticamente o processo de troca iônica. Composição: Resina de troca iônica; Tanque Park contendo resina; Uma válvula de controle hidráulico muito funcional e Tanque de salmoura

PRÉ-TRATAMENTO REMOÇÃO DE CLORO Bomba dosadora de metabissulfito de sódio 2%

PRÉ-TRATAMENTO REMOÇÃO DE CLORO Outra opção: Carvão Ativado impregnado de Prata MATERIAL POROSO REMOÇÃO DE CLORO = ABSORÇÃO REMOÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS “GROSSEIROS”=ADSORÇÃO

PRÉ-TRATAMENTO REMOÇÃO DE CLORO Outra opção: Carvão Ativado impregnado de Prata Necessidades: - Retrolavagem - Sanitização - Reativação ??? Problemas: contaminação microbiológica.

PRÉ-TRATAMENTO AJUSTE DE pH Dosador de hidróxido de sódio 2%

FINAL DO SEGUNDO MÓDULO

TRABALHO EM GRUPO TEMA: “ TIPOS DE ÁGUA NA INDÚSTRIA FARMACÊUTICA E PRINCIPAIS PROCESSOS DE OBTENÇÃO” OBJETIVO: Identificar e definir os tipos de água usados na indústria farmacêutica, informando quais as principais operações de purificação para obtê-los. Descrever resumidamente o fundamento de cada operação, apontando as vantagens e desvantagens associadas ao seu uso. DATA ENTREGA: 16/ 11/ 2009