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Research Project
Pilot-scale nanofiltration performance and economic viability for cianotoxins removal in natural waters.
Funder
Authors
Publications
Nanofiltration performance to remove microcystins from water for human consumption at a pilot scale
Publication . Serrão Sousa, Vânia; Lucas, Helena; Ribau Teixeira, Margarida
The presence of microcystins (MC) in drinking water reservoirs, even at low
concentrations, is a problem for all involved in management and water treatment. This
cyclic peptide hepatotoxin, produced by several species of toxic cyanobacteria as
secondary metabolites, cause liver damage and is considered tumor promoter
(Matsushima et al., 1992), representing a potential hazard to human health (Carmichael,
1994). Therefore, it is necessary to ensure their removal in water treatment plants
(WTP) by innovative and effective treatments. In recent years, nanofiltration (NF) has
become an attractive alternative technology to conventional water treatment due to the
capacity to remove inorganic and organic compounds (disinfection by-products (DBP)
precursors) with low molecular weight cut-offs and low operating pressures (Her et al.,
2000; Costa and Pinho, 2006). However, the application of NF to drinking water
treatment is affected by natural organic matter (NOM) fouling (Hong and Elimelech,
1997). Membrane fouling refers to plugging and external pore blocking (Gwon et al.,
2003) which causes low performance and reduction of membrane time life, because of
flux decline and/or transmembrane pressure increase (Her et al., 2000). In addition,
good results were obtained with NF to remove cyanotoxins present in water for human
consumption. According to some authors (Ribau Teixeira and Rosa, 2005; Gijsbertsen-
Abrahamse et al., 2006; Ribau Teixeira and Rosa, 2006), NF removed cyanobacterial
toxins from water, with removal rates greater than 99% at laboratory scale. However,
pilot scale experiments in real context are missing. The aim of this work is to study NF
performance to remove microcystins from natural water, at a pilot scale in a real context
of WTP.
Natural organic matter and disinfection by-products formation potential in conventional and advanced water treatments
Publication . Rosa, Sónia M.; Serrão Sousa, Vânia; Ribau Teixeira, Margarida
The performance of a conventional sequence (pre-ozonation, coagulation/flocculation/sedimentation,
filtration, disinfection) and two advance sequences (pre-ozonation, nanofiltration; pre-ozonation,
coagulation/flocculation/sedimentation, nanofiltration) on the removal of natural organic matter
(NOM) and disinfection by-products (DBPs) formation potential was evaluated. Raw and treated
waters were characterized in terms of molecular weight, which includes the amount of NOM removed
and the qualitative changes in the NOM characteristics (molecular weight and hydrophobicity) since
they could be directly related with the DBPs formation. The results demonstrate that, for the type of
raw water analysed (hydrophilic with low dissolved organic carbon content), both treatment sequences
remove larger molecular weight compounds. However, the sequences with nanofiltration have a higher
percentage of low molecular weight compounds removed, when compared with conventional
sequence, thus the water from nanofiltration sequences will have lower DBPs formation potential.
Nanofiltração à escala laboratorial na remoção de cianotoxinas
Publication . Ferreira, Mónica Alexandra Sares; Teixeira, Margarida Ribau
A presença de cianobactérias na massa de água altera o equilíbrio ecológico dos
ecossistemas aquáticos, dando origem à formação de compostos que contribuem para
o desenvolvimento de gosto e odor na água, para além de produzirem cianotoxinas
que representam um elevado risco para a saúde pública (Sivonen & Jones, 1999). De
modo a diminuir este risco, a concentração de cianotoxinas na água deve ser
minimizada ou até mesmo eliminada. É de aceitação geral que a nanofiltração é uma
opção eficaz na remoção de cianobactérias e cianotoxinas na água para consumo
humano.
Este estudo é uma continuidade do trabalho de Ribau Teixeira, (2005). Assim com
este trabalho pretende-se demonstrar a eficiência da nanofiltração na remoção de
microcistina-LR dissolvida em águas naturais ao longo do tempo de operação (durante
100h) à escala laboratorial, já que as membranas perdem eficiência com o tempo de
operação. Pretende-se ainda simular a operação normal de uma etapa de tratamento
de uma Estação de Tratamento de Águas em situações de blooms de cianobactérias.
Os resultados obtidos evidenciam que a remoção destas toxinas mantêm-se elevada,
com remoções na ordem dos 95 a 99%, e sem perda da qualidade de permeado ao
fim das 100h de operação, nem diminuição significativa de fluxo permeado. Os valores
obtidos no permeado para a microcistina-LR encontram-se abaixo do limite imposto
pela OMS de 1 μg/l, e os baixos valores de matéria orgânica natural no permeado
evidenciam o baixo potencial para formação dos subprodutos da desinfecção. Desta
forma, a inclusão da nanofiltração no processo de tratamento das águas para
consumo humano seria uma medida eficaz na redução do risco associado à presença
das cianotoxinas nestas águas.
Coagulação, floculação e flotação por ar dissolvido na remoção de matéria orgânica natural
Publication . Serrão Sousa, Vânia; Ribau Teixeira, Margarida
Os trihalometanos são compostos de elevada toxicidade e potencialmente carcinogénicos
que se formam através da oxidação da matéria orgânica natural (NOM) durante a etapa da
desinfecção. A sua presença em águas para consumo humano tem sido alvo de regulamentação
cada vez mais rigorosa, tanto a nível nacional como comunitário. Desta forma, é necessário
minimizar a sua formação nestas águas através da remoção de NOM antes da etapa de
desinfecção. A NOM contém fracções hidrofóbicas de elevado peso molecular, e hidrofílicas de
baixo peso molecular, sendo a remoção da fracção hidrofílica mais difícil do que a hidrofóbica. O
objectivo deste trabalho é assim determinar a eficiência de remoção de NOM por coagulação,
floculação e flotação por ar dissolvido (C/F/DAF), em águas hidrofílicas e hidrofóbicas e comparar
a eficiência deste processo face ao tratamento coagulação, floculação e sedimentação (C/F/S)
existente na Estação de Tratamento de Água de Alcantarilha. De modo a avaliar a influência da
NOM durante o processo C/F/DAF, esta foi caracterizada por cromatografia de exclusão molecular
(HPSEC). Os resultados indicam que ambos os processos, C/F/S e C/F/DAF, contribuem para a
redução da NOM presente na água e desta forma para a redução do potencial de formação de
DBP. Contudo a C/F/DAF demonstrou uma maior eficiência na remoção da NOM para as
condições estudadas. Verificou-se ainda que a pré-ozonização da água favorece o aumento da
remoção da matéria orgânica nos tratamentos posteriores (C/F/S ou C/F/DAF).
Avaliação económica preliminar da nanofiltração na remoção de cianotoxinas em águas naturais
Publication . Silva, Lucila; Lucas, Helena; Ribau Teixeira, Margarida
Com este trabalho pretende-se quantificar os custos associados à implementação e exploração de
um sistema de nanofiltração (NF) na Estação de Tratamento de Águas (ETA) de Alcantarilha da
Águas do Algarve, S.A. com uma capacidade de operação de 259.000 m3/d e efectuar uma
comparação com os custos do actual sistema de tratamento implementado.
A quantificação dos custos actuais foi efectuada através de dados obtidos a partir das operações
desenvolvidas na ETA de Alcantarilha, fornecidos pelas Águas do Algarve, S.A. relativos a 2008 e
2009. Os custos foram estimados para as diferentes etapas de tratamento. Os resultados revelaram
um custo associado ao tratamento de água para consumo humano de cerca de 0,10 €/m3.ano, para
o esquema de tratamento existente na ETA de Alcantarilha.
Realizaram-se ensaios experimentais à escala laboratorial e piloto onde se avaliou e optimizou o
sistema de NF na remoção de matéria orgânica natural e cianotoxinas para diferentes taxas de
recuperação de água (TxR), com águas que abastecem a actual ETA de Alcantarilha. A partir dos
resultados obtidos com o estudo à escala piloto, verificou-se que a NF tem capacidade de produzir
água de elevada qualidade com concentrações de microcistina muito inferiores ao valor legislado (1
mg/L), e baixo teor em matéria orgânica natural e de anatoxina- a, e que esta deve operar a TxR de
pelo menos 75%.
Com base nos resultados experimentais e através de modelos já desenvolvidos a partir de dados
obtidos em trabalhos anteriormente realizados, determinaram-se os custos associados ao sistema
de NF. O custo total estimado de implementação e operação/manutenção foi de 0,21 €/m3.ano para
o ano de 2025. Conclui-se que apesar da implementação da NF na ETA de Alcantarilha provoque
um acréscimo do custo de tratamento face ao tratamento convencional, este poderá ser justificável
face à qualidade da água obtida.
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Funders
Funding agency
Fundação para a Ciência e a Tecnologia
Funding programme
3599-PPCDT
Funding Award Number
PTDC/ECM/68323/2006