Household slow sand filters in a continuous flow as an alternative for surface water treatment systems in isolated communities: a comparative assessment for reducing the filter media depth

A carência de serviços de água potável ainda é uma realidade para milhões de pessoas no mundo, sobretudo para aquelas que vivem em comunidades isoladas. Uma das soluções para essas comunidades é capacitar usuários a melhorar a qualidade da água de consumo por meio de tecnologias de tratamento descentralizadas. O Filtro Lento Domiciliar (FLD) é um exemplo de tecnologia descentralizada com diversas vantagens técnicas, construtivas e operacionais, porém, por ser relativamente recente, ainda persistem lacunas relacionadas a sua eficiência. Para a transferência da tecnologia às comunidades isoladas, é fundamental que, além de eficiente, o FLD apresente um tamanho de estrutura adequado ao domicílio dos usuários. Diante disso, este estudo avaliou o impacto da redução da espessura do leito filtrante a fim de torná-lo menor, mais leve e passível de ser alocado em uma bancada de cozinha. Com o intuito de comparar a qualidade e a quantidade das águas filtradas, foram avaliados dois modelos de FLD, um tradicional (FLD-T) com 50 cm de leito e um compacto (FLD-C) com 25 cm de leito, alimentados por águas superficiais do Rio Monjolinho e operados em regime contínuo. Devido às limitações dos FLDs, foram inseridas etapas de pré- e pós-tratamento para avaliar um sistema completo a nível domiciliar. O sistema foi operado por 436 dias consecutivos com 1) pré-tratamento por sedimentação e filtração em mantas, 2) FLDs aplicados a uma taxa de filtração constante de 0,90 m3 m-2 d-1, considerando uma produção individual de 48 L d-1, e 3) pós-tratamento por desinfecção com hipoclorito de sódio 2,5% a 60 mg min L-1. As eficiências dos modelos foram comparadas quanto à remoção de diversos parâmetros de qualidade da água – incluindo turbidez, Escherichia coli, cistos de Giardia spp. e oocistos de Cryptosporidium spp. – bem como às durações das carreiras de filtração, aos perfis de oxigênio dissolvido e às composições dos schmutzdeckes desenvolvidos. Os resultados demonstraram que o pré-tratamento reduziu a turbidez da água do rio em 46 ± 23% diminuindo a sobrecarga e permitindo o funcionamento dos filtros, mas não foi capaz de atenuar variações sazonais e manter a qualidade da água clarificada durante toda a operação. As variações sazonais12 refletiram igualmente nos dois modelos de FLD, pois ambos produziram águas filtradas com qualidade estatisticamente semelhante (p > 0,05) em todos os parâmetros avaliados, indicando que a redução da espessura do leito filtrante não influenciou o desempenho, tampouco a duração da carreira de filtração, o perfil de consumo de oxigênio dissolvido e a composição do schmutzdecke. No entanto, a sazonalidade impactou o desempenho em alguns parâmetros, como turbidez e coliformes totais, de forma que a variação da qualidade da água do rio foi de maior relevância para a qualidade da água filtrada do que a profundidade do leito. Isoladamente, os FLDs removeram 73 ± 20% de turbidez, 1,99 ± 0,66 log de E. coli, 2,82 ± 0,45 log de cistos de Giardia e 1,09 ± 0,23 log de oocistos Cryptosporidium. Considerando as etapas de pré- e pós-tratamento, os sistemas removeram 87 ± 15% de turbidez e 2,91 ± 0,31 log de E. coli, porém não elevaram as remoções de cistos e oocistos. O pós-tratamento foi ineficiente na inativação de bactérias e protozoários, todavia, os sistemas domiciliares propostos melhoraram significativamente a qualidade da água de consumo. Portanto, a implantação de um sistema de tratamento com FLD compacto é executável, porém demanda pesquisas adicionais para produção de águas seguras livres de patógenos.The lack of drinking water services is still a reality for millions of people worldwide, especially for those living in isolated communities. One solution for these communities is to allow users to improve the quality of drinking water through decentralized treatment technologies. The Household Slow Sand Filter (HSSF) is an example of decentralized technology with several technical, constructive, and operational advantages; however, as it is a relatively recent technology, gaps related to its efficiency still persist. For the transfer to isolated communities, it is essential that, besides being efficient, the HSSF has a structure size suitable for the users\' homes. Therefore, this study evaluated the impact of reducing the filter media depth to make it smaller, lighter, and liable to be placed on a kitchen counter. To compare the quality and quantity of filtered water, two models of HSSF were evaluated, a traditional (HSSF-T) with 50 cm of fine sand and a compact (HSSF-C) with 25 cm of fine sand, fed by surface waters of the Monjolinho River and operated in a continuous flow. Due to the limitations of HSSFs, pre- and post-treatment steps were inserted to assess a complete home system. The system was operated for 436 consecutive days with 1) pre-treatment by sedimentation and filtration in blankets, 2) FLDs applied at a constant filtration rate of 0.90 m3 m-2 d-1, considering an individual production of 48 L d-1, and 3) post-treatment by disinfection with 2.5% sodium hypochlorite at 60 mg min L-1. The model\'s efficiencies were compared in terms of water quality parameters - including turbidity, E. coli, Giardia spp. cysts and Cryptosporidium spp. oocysts - as well as the duration of filtration runs, dissolved oxygen profiles, and compositions of the developed schmutzdeckes. The results showed that the pre-treatment reduced river water turbidity by 46 ± 23% – reducing overhead and allowing the filter operation – but it was not able to mitigate seasonal variations and maintain clarified water quality throughout the operation. Seasonal variations were equally reflected in the two HSSF models, as both produced filtered water with statistically similar quality (p > 0.05) in all evaluated parameters, indicating that the reduction in filter media depth did not influence the performance, nor the filter run, the dissolved oxygen consumption profile and the schmutzdecke composition. However, seasonality impacted performance on some parameters, such as turbidity and total coliforms, so that the variance in the river water quality was more relevant to the filtered water quality than the media depth. The FLDs by themselves removed 73 ± 20% of turbidity, 1.99 ± 0.66 log of E. coli, 2.82 ± 0.45 log of Giardia cysts, and 1.09 ± 0.23 log of Cryptosporidium oocysts. Considering the pre- and post-treatment stages, the systems removed 87 ± 15% of turbidity and 2.91 ± 0.31 log of E. coli but did not increase the removal of cysts and oocysts. Post-treatment was inefficient in inactivating bacteria and protozoa; however, the proposed household systems have significantly improved the drinking water quality. Therefore, the implementation of a treatment system with compact HSSF is feasible; nonetheless, further research is required to produce safe water free of pathogens