Abstract Cyanotoxins pose a health threat when present in the drinking water supply since conventional water treatment processes are not effective in removing extracellular metabolites hence, advanced treatment techniques are usually applied. Powdered activated carbon (PAC) is an effective adsorbent for removing toxins. However, since a high volume is necessary, alternative adsorbents have been investigated. Biochar, especially from renewable sources, is a potential adsorbent material that could replace PAC for removing toxins. This paper aimed to investigate which PAC properties play key roles in cyanotoxin adsorption by a systematic review addressing the adsorption of toxins such as microcystins-LR (MC-LR), cylindrospermopsin (CYL), and saxitoxins (STXs). As a result, the review showed that some commonly adopted indices (i.e. total surface area) are not relevant to cyanotoxin adsorption, especially if appraised alone. Along with a multi-barrier approach, PAC has to be applied taking into account the complexity of the water system, which includes a better understanding of the characteristics of the adsorbent, the target toxin, and the aqueous medium. The biochar systematic review showed that no studies have yet been designed specifically for the removal of toxins. Since biochar has not yet been applied to water treatment processes, the knowledge gap is even greater than for PAC.

RESUMO A escassez hídrica e o aumento da demanda de água para usos múltiplos incentivaram a construção de diversos reservatórios e sistemas de transferências hídricas entre bacias hidrográficas em diversas partes do mundo, principalmente em regiões áridas e semiáridas. Apesar de essas medidas mitigarem os aspectos quantitativos do abastecimento, a diminuição da qualidade da água disponível pode se tornar uma limitação importante. Este estudo teve por objetivo avaliar a qualidade da água no sistema de transferência que abastece a Região Metropolitana de Fortaleza, Ceará. Foram analisados 20 parâmetros de qualidade de água ao longo do sistema. Aplicou-se em seguida a análise de agrupamento utilizando a distância euclidiana associada ao método de ligação de Ward para agrupar os 13 pontos de coleta que foram estabelecidos conforme suas similaridades. A piora da qualidade da água ficou evidente ao longo do sistema, com o aumento da concentração de cianobactérias, pH, nitrogênio total, oxigênio dissolvido, turbidez e clorofila-a. Com relação às cianobactérias, duas espécies mostraram-se dominantes — Oscillatoria sp. e Microcystis sp. — e sete abundantes — Merismopedia sp., Cylindrospermopsis sp., Pseudanabaena sp., Anabaena sp., Aphanizomenon sp., Aphanocapsa sp. e Dolichospermum sp. A presença de cianobactérias potencialmente tóxicas e a piora da qualidade da água tornam a realização de monitoramentos frequentes e o desenvolvimento de sistemas de alerta essenciais para a adequada gestão dos recursos hídricos, tanto do ponto de vista ambiental quanto do de saúde pública.

ABSTRACT Water scarcity and increasing water demand for multiple uses encourage the construction of reservoirs and water transfer systems between watersheds in various parts of the world, especially in arid and semi-arid regions. Although these measures may mitigate the quantitative aspects of water supply, the quality decrease of the available water may become an important limitation. This study aimed to evaluate the water quality in the water transfer system that supplies the metropolitan region of Fortaleza, Ceará. Twenty water quality parameters were analyzed throughout the system followed by the application of the Euclidean distance and Ward's method to group the 13 sampling points according to their similarities. The worsening of the water quality was evident with increasing cyanobacterial concentration, pH, total nitrogen, dissolved oxygen, turbidity, and chlorophyll-a. Regarding cyanobacteria, two species were dominant: Oscillatoria sp. and Microcystis sp. while seven were abundant: Merismopedia sp., Cylindrospermopsis sp., Pseudanabaena sp., Anabaena sp., Aphanizomenon sp., Aphanocapsa sp. e Dolichospermum sp. The presence of potentially toxic cyanobacteria and the worsening of water quality make frequent monitoring and the development of alert systems essential for the management of water resources, both from an environmental and public health point of view.

RESUMO As florações de cianobactérias vêm aumentando em intensidade e frequência em todo o mundo, ameaçando a sustentabilidade dos recursos aquáticos e o abastecimento humano. A construção de reservatórios, o uso de fertilizantes artificiais e o descarte de esgotos não tratados são os principais motores dessa expansão. As alterações climáticas, como o aquecimento global, as chuvas e as secas extremas, têm contribuído para a acelerar esse processo. Qualquer medida de mitigação dessas florações deve considerar os impactos sobre os outros organismos, os custos, além dos resíduos gerados. Nessa perspectiva, a aplicação do peróxido de hidrogênio em reservatórios artificiais traz uma série de vantagens para o controle a curto prazo, sendo uma das principais a destruição seletiva de cianobactérias. Apesar de vários estudos indicarem que as cianobactérias são o alvo preferencial do peróxido de hidrogênio, uma explicação bioquímica desse fenômeno ainda não foi encontrada. Este trabalho, portanto, procura congregar assuntos relacionados a esse tema e traz também uma coletânea de experiências recentes sobre o uso em escala real do peróxido de hidrogênio, apontando as principais lacunas de conhecimento que deverão ser preenchidas caso sua utilização em reservatórios seja para abastecimento. Uma das lacunas a ser preenchida está relacionada às vantagens do peróxido de hidrogênio sobre outros métodos de controle, pois apresentam maior eficiência no controle de cianobactérias posto que são preferencialmente destruídos pelo peróxido de hidrogênio, em relação aos fitoplânctons, sendo, dessa forma, importante o estudo de técnicas de aplicação do peróxido de hidrogênio em reservatórios de grande porte.

ABSTRACT Cyanobacterial blooms are increasing in intensity and frequency throughout the world, threatening the sustainability of aquatic resources and human supplies. The construction of reservoirs, the use of artificial fertilizers and the disposal of untreated sewage are the main engines of this expansion. Climate change, such as global warming, rainfall and extreme droughts, has contributed to accelerate this process. Any mitigation measure of the blooms should consider the impacts on the other organisms, the costs beyond the waste generated. In this perspective, the application of hydrogen peroxide in the artificial reservoirs has a number of advantages for short-term control, one of the main ones being the selective destruction of cyanobacteria. Although several studies indicate that cyanobacteria are the preferred target of hydrogen peroxide, a biochemical explanation for this phenomenon has not yet been found. This work, therefore, seeks to gather subjects related to this topic and brings a collection of recent experiences on the real scale use of hydrogen peroxide, pointing out the main knowledge gaps that should be filled if their use in reservoirs is for supply. One of the gaps to be filled is related to the advantages of hydrogen peroxide over other control methods, as they present greater efficiency in the control of cyanobacteria, as they are preferentially destroyed by hydrogen peroxide in relation to phytoplankton, therefore, it is important to study the application techniques of hydrogen peroxide in large reservoirs.

Abstract Taste and odor compounds affect drinking water safety perception and may drive consumers to less secure water sources. Adsorption, using powered activated carbon, is the most common method to remove these compounds but greatly increases the amount of sludge generated. Another way of removing taste and odor compounds is to use filters with granular activated carbon (GAC) but little is still known on how to design them. In this work, the homogeneous surface diffusion model (HSDM) was used to model bench-scale kinetic and isotherm experiments and to simulate the removal of geosmin in a full-scale GAC filter. Geosmin adsorption isotherm was best described by the Freundlich model in all used carbons and film resistance (Kf) was more relevant to adsorption kinetics than pore diffusion (Ds). The simulation showed that in a filter with an empty bed contact time of 5 minutes and raw water with geosmin concentrations of 50, 75, and 100 ng.L-1, the effluent would exceed the trash-hold concentration (10 ng.L-1) in 98, 77, and 66 days, respectively, without considering biological removal.

RESUMO Sedimentos são importantes para a dinâmica de nutrientes em reservatórios, especialmente devido à recarga interna de fósforo. Vários estudos observaram que a recarga interna pode impedir a melhoria da qualidade da água em lagos, mesmo quando a carga externa é reduzida. Assim, há uma necessidade urgente de avaliar o potencial de liberação de fósforo do sedimento e, portanto, seu potencial para impactar a qualidade da água. Neste estudo, as distribuições verticais e horizontais de diferentes frações de fósforo nos sedimentos de fundo de reservatórios artificiais, localizados na bacia de Forquilha (Ceará, Brasil), foram investigadas através de fracionamento químico sequencial. Os reservatórios da Lagoa Cercada (R#1), Riacho do Algodão (R#2), Riacho Verde (R#3), Cachoeira (R#4), Chagas Manu (R#5), Quandu (R#6) e Balanças (R#7) foram investigados. Os reservatórios R#1 (reservatório mais a jusante) e R#7 (reservatório mais a montante) apresentaram maiores concentrações de fósforo total (PT) e menores valores de pH, potencialmente exercendo um maior impacto na concentração de fósforo na coluna de água. Os reservatórios R#3 e R#4 apresentaram predomínio de frações de fósforo menos disponíveis (PCa) e, portanto, menor potencial de recarga interna. Os reservatórios R#5, R#1 e R#2 apresentaram uma tendência de diminuição do fósforo total (PT) à medida que a profundidade do sedimento aumentou, provavelmente indicando um aumento no fósforo alóctone recebido pelo reservatório ao longo do tempo. O reservatório R # 6 apresentou predominância das frações PFeAl e PCa nos pontos A e B, respectivamente, mostrando que as características do sedimento podem variar no mesmo reservatório. O fósforo móvel (PM) e o fósforo ligado a ferro e alumínio (PFeAl) foram as frações de menor e maior abundância na maioria das amostras analisadas, respectivamente.

ABSTRACT Sediments are important to nutrient dynamics, especially due to phosphorus internal loading. Several studies have observed that internal loading could prevent water quality from improving in lakes, even when external phosphorus loading is significantly decreased. Therefore, there is an urgent need to assess the potential release of phosphorus contained in the sediment, and thus, its potential to impact water quality. In this study, the vertical and horizontal distributions of distinct phosphorus forms in the bottom sediments of artificial reservoirs, located at Forquilha watershed (Ceará, Brazil), were investigated through sequential chemical fractionation. The reservoirs Lagoa Cercada (R#1), Riacho do Algodão (R#2), Riacho Verde (R#3), Cachoeira (R#4), Chagas Manu (R#5), Quandu (R#6) and Balanças (R#7) were investigated. Reservoirs R#1 (most downstream reservoir of the watershed) and R#7 (most upstream reservoir of the watershed) had higher concentrations of total phosphorus (PT) and lower pH values, potentially exerting greater influence in phosphorus concentration in the water column. Reservoirs R#3 and R#4 presented a predominance of residual phosphorus (PRe), the least available fractions of phosphorus and thus, presented a lower potential for internal loading. Reservoirs R#5, R#1 and R#2 showed a tendency of decreasing total phosphorus (PT) as the sediment depth increased, probably indicating an increase of allochthonous phosphorus loading along time. Reservoir R#6 showed the predominance of PFeAl and PCa fractions on points A and B, respectively, showing that the characteristics of the sediments may vary in the same reservoir. Mobile (PM) and iron and aluminum-bound phosphorus (PFeAl) were the least and the most abundant fractions in most of the samples analyzed, respectively.

RESUMO O problema causado pelas florações de cianobactérias em mananciais para abastecimento humano vem se tornando cada dia mais preocupante não só em regiões tropicais mas em todo o mundo. Os gestores dos sistemas de tratamento de água, muitas vezes, têm que recorrer ao uso da pré-oxidação como forma de auxiliar no tratamento apesar do incremento do potencial de liberação de metabólitos e da formação de subprodutos tóxicos. Por isso, a pré-oxidação tem sido vista como vilã, tornando-se um paradigma para os profissionais de tratamento de água. Este trabalho apresenta o estado da arte do conhecimento e evidências de que a pré e a pós-oxidação podem ser usadas com sucesso como primeira e última barreira à ameaça imposta pelas cianobactérias, desde que as características da água bruta sejam conhecidas. A partir daí, o oxidante, a dosagem e o tempo de contato podem ser selecionados e definidos com mais segurança, auxiliando na produção de água potável.

ABSTRACT The problem caused by cyanobacteria blooms in water sources for human consumption is becoming of more concern each day not only in tropical countries but worldwide. Water treatment systems often resort to the use of pre-oxidation as a form of auxiliary treatment although increasing the potential for release of metabolites and formation of toxic byproducts. Therefore, the pre-oxidation has often been seen as becoming a paradigm for the water treatment professionals. This paper presents the state of art and provides evidences that the pre and post-oxidation can be used successfully as first and last barrier to the problems caused by cyanobacteria provided that the raw water characteristics are known. From there, the oxidant, dosage and contact time can be selected and defined with greater confidence in order to produce drinking water.

RESUMO Os lagos artificiais tem um papel primordial na disponibilidade hídrica no semi-árido Brasileiro. Entretanto, além dos efeitos negativos que os barramentos dos rios causam sobre a qualidade da água, a descarga de esgotos, a irrigação e a piscicultura intensivas vêm acentuando a deterioração da qualidade da água em um ritmo sem precedentes nesta região. A mudança climática é outro fator de impacto negativo na qualidade da água. O aumento da intensidade das precipitações pode redefinir a dinâmica das comunidades de plâncton e espécies mais adaptadas a ambientes extremamente variáveis. Os reservatórios estudados, Acarape do Meio (AM) e Sítios Novos (SN), foram selecionados com base na recorrência de resultados positivos para saxitoxinas. A dinâmicas do fitoplâncton encontrada, difere de outras áreas da mesma região, no sentido em que as cianobactérias filamentosas são dominantes. Baixas diversidade, concentração média e riqueza de Chlorophyceae e Bacillariophyceae foram encontrados em ambos os reservatórios, embora tenha sido observado um aumento durante o intenso período chuvoso de 2011, sugerindo uma ligeira melhoria da qualidade da água. Em geral, a diversidade no reservatório SN (1,08) foi maior que no AM (0,60). Uma correlação inversa entre a concentração de Cylindrospermopsis sp e outras cianobactérias foi encontrada nos reservatórios SN (R2 = –0,862) e AM (R2 = –0,997). Estações de chuvas intensas podem reduzir as concentrações de cianobactérias devido, provavelmente às elevadas taxas de diluição e renovação da água.

ABSTRACT Artificial lakes play an important role in water availability in tropical semi-arid Northeastern Brazil. However, in addition to the negative effects that dams have on the water quality of rivers, other practices such as discharge of untreated wastewater, intensive crop fertilization and fish farming have been contributing to water quality deterioration. Climate change may be another driver of water quality decrease. Increases in precipitation and drought intensities as well as temperature increase may redefine the dynamics of planktonic communities and favour species more adapted to the new environment. Water samples were collected in two reservoirs selected based on the recurrence of positive results for saxitoxins, Acarape do Meio (AM) and Sitios Novos (SN). In general, diversity in SN (1.08) was higher than in the AM (0.60). Phytoplankton dynamics in these reservoirs differ from other reservoirs in the same region of Brazil, in the sense that filamentous cyanobacteria are dominant. Furthermore, lower diversity, concentration and richness of chlorophyceae and bacillariophyceae were found in both reservoirs. Increase in diversity was observed during the intense rainy season of 2011, suggesting a slight improvement of water quality. A close inverse correlation between Cylindrospermopsis sp and other cyanobacteria was found in SN (R2= –0.862) and in AM (R2= –0.997) and the data collected demonstrates that a season with intensive rainfall may lead to lower cyanobacteria concentrations probably due to water dilution and higher flushing rates.

ResumoObjetivo: O presente estudo objetivou investigar a composição e toxicidade do fitoplâncton no açude Sítios Novos, usado como fonte de abastecimento para aproximadamente 30.000 pessoas, dentre outros usos.MétodosAs amostras foram coletadas mensalmente entre janeiro de 2010 e junho de 2011.ResultadosDurante esse período foram identificados 19 táxons de cianobactérias e 22 de algas. Das 45 amostragens realizadas, em 44 as algas não constituíram mais do que 10% dos organismos quantificados. As cianobactérias constituíram 100% dos organismos quantificados em três amostras e em outras 29 foram maiores que 99%. Dentre as espécies de cianobactérias, Planktothrix agardhii (Gomont) Anagnostidis & Komárek e Cylindrospermopsis raciborskii (Woloszynska) Seenaya & Subbaraju dominaram. Ambas as espécies foram isoladas e identificadas como produtoras de toxina paralisante de molusco. A cepa de C. raciborskii mostrou-se produtora de STX e dcSTX, e a cepa de P. argardhii mostrou-se produtora de dcGTX2 ou 3.ConclusõesAo conhecimento dos autores, este é o primeiro relato de espécies de cianobactérias produtoras de PSP isoladas no Nordeste Brasileiro além do primeiro relato da especie P. agardhii como produtora de dcGTX 3/2.

Aim: The present study aimed to investigate the composition and toxicity of the phytoplankton in Sítios Novos reservoir, used mainly as drinking water supply for approximately 30,000 people.MethodsSamples were collected between January 2010 and June 2011.ResultsDuring this period 19 taxa of cyanobacteria and 22 of algae were identified. Out of 45 samples collected, algae accounted for no more than 10% of the quantified organisms in 44 samples. Cyanobacteria accounted for 100% of the organisms quantified in three samples and for 99% in other 29 samples. Among the cyanobacteria group, Planktothrix agardhii (Gomont) Anagnostidis & Komárek and Cylindrospermopsis raciborskii (Woloszynska) Seenaya & Subbaraju prevailed and both strains were isolated and identified as paralytic shellfish poison (PSP) producers. C. raciborskii strain has shown to produce SXT and dcSXT while P. agardhii strain has shown to produce dcGTX2 or 3.ConclusionsTo the author’s knowledge, this is the first report of PSP-producer cyanobacteria species isolated in Northeastern Brazil and the first reported of a P. agardhii synthesizing dcGTX2/3.

A implantação de uma unidade de pré-tratamento a montante de um filtro ascendente (FA) existente objetiva condicionar a água bruta eutrofizada à capacidade de tratamento do FA. Essa solução esbarra na necessidade de se instalar essa unidade de pré-tratamento com cota mais elevada que o filtro a jusante. Nesta pesquisa, a instalação de um filtro de pressão de fluxo descendente possibilitou a eliminação do problema do desnível geométrico e a adequação da água bruta com elevada presença de fitoplâncton às limitações da filtração direta ascendente (FDA). O pré-filtro de pressão com melhor eficiência, o PFP1, apresentou uma remoção de 50% de cor aparente e 63% de turbidez. A eficiência global do sistema PFP/FA foi satisfatória, apresentando turbidez final inferior a 0,5 uT, cor aparente em torno de 5 uH, além de reduzir as perdas da água tratada de 11,7 para 4,5%.

The implementation of a pretreatment unit before existing upward filter, to condition the eutrophic raw waters to its capacity, is an option which runs into a problem of technical nature, the need of a pretreatment unit with enough hydraulic load to properly feed the existing filter. Typically, the available studies on double filtration present upward filters followed by descendant ones. In this study, the installation of a pressure filter downflow adapted the raw water with high algae concentration to the upward direct filtration system limitations, improving the quality of water produced and reducing losses by washing. The pressure filter with better efficiency was the PFP1 filter showed a removal of 50% of apparent color and 63% of turbidity. The overall efficiency of the PFP/FA system was satisfactory, presenting final turbidity of less than 0.5 uT, apparent color around 5 uH and reducing losses from 11.7 to 4.5% of the total treated water.

Muitos reservatórios são alvo de impactos resultantes de diversas atividades antrópicas, principalmente os localizados nos domínios das bacias metropolitanas. O açude Gavião, responsável pelo abastecimento de água potável da Região Metropolitana de Fortaleza, apresenta a presença excessiva de fitoplâncton, consequência direta do enriquecimento da água por nutrientes, dificultando substancialmente o tratamento da água no reservatório e elevando os custos de tratamento. Torna-se imprescindível, portanto, estudos, planos de gerenciamento, ações corretivas e/ou preventivas a fim de que, futuramente, a qualidade das águas não seja prejudicada a ponto de culminar na necessidade da modificação da tecnologia de tratamento utilizada na estação. A determinação da carga de nutrientes e os balanços de massa podem avaliar o processo de eutrofização no sistema verificando-se se há exportação ou retenção de nutrientes no corpo d'água. Amostras mensais de janeiro a maio de 2011 foram coletadas em cinco pontos do açude com o objetivo de estudar o balanço de massa dos macronutrientes. No período de estudo o açude acumulou cerca de 28,06 t de fósforo e 121,42 t de nitrogênio podendo ser classificado eutrófico.

Many reservoirs are subjected to impacts resulting from various anthropogenic activities, especially those located in metropolitan areas of the basins. The reservoir Gavião is responsible for drinking water supply in the Metropolitan Region of Fortaleza and contains excessive presence of algae, a direct result of the enrichment of water by nutrients, which substantially hampers the treatment of water collected in the reservoir and increase the treatment costs. Therefore, it is essential to carry out studies of corrective and/or preventative management plans so that future water quality is not impaired to the point that it culminates with the replacement or modification of the technology used in the treatment plant. The determination of nutrient loading and mass balances can evaluate the eutrophication process in the system, checking for export or retention of nutrients in the water body. Samples were collected monthly from January to May 2011, at five points in the reservoir in order to study the mass balance of macronutrients. During the study period the reservoir accumulated approximately 28.06 t of phosphorus and 121.42 t of nitrogen, and can be classified as eutrophic.

A determinação da quantidade de percolado gerado em aterros sanitários continua sendo uma tarefa difícil, principalmente no semi-árido nordestino onde predominam caracteríticas meteorológicas e geológicas bem peculiares. O programa HELP (avaliação do comportamento hidrológico em aterros sanitários), desenvolvido por Schroder et al (1984), foi utilizado na simulação de várias configurações de drenagem de fundo. Aplicou-se ao modelo, dados meteorológicos e de solos da região onde está o aterro sanitário de Caucaia (ASMOC), a qual é representativa do semi-árido nordestino. Três características da drenagem de fundo foram variadas (configuração da drenagem, inclinação de fundo e adição de uma camada drenante com alta permeabilidade) com o objetivo de avaliar a altura da coluna de percolado, a quantidade de percolado infiltrado no solo e o volume coletado para tratamento. Nas trincheiras sem camada drenante, o aumento da inclinação de fundo e a alteração da configuração dos drenos tiveram pouca influência sobre as variáveis estudadas. A adição da camada drenante proporcionou uma redução significativa da altura da coluna e na infiltração de percolado no solo, mostrando que é um componente fundamental para o bom funcionamento do sistema de drenagem horizontal em aterros sanitários.

Leachate quantification in sanitary landfills has always been a difficult task for designers. In the semi-arid northeast of Brazil, where meteorological and geological characteristics are very peculiar, this task becomes even more complicated. With the aid of the computer program HELP-Hydrologic Evaluation of Landfill Performance developed by Schroeder et al (1984), and using local meteorological and geological data, various scenarios were simulated altering trench bottom inclination, drainage system configurations, and adding a layer with high hydraulic conductivity. With those changes, leachate head accumulated in the waste, leachate soil infiltration and collection were studied. The results showed that in the trench without drainage layer the increase in trench bottom inclination had practically no effect in the studied variables while drainage configuration changes affected those variables in a small scale. With the addition of the drainage layer, it was observed a significant decrease in the leachate head and soil infiltration. The addition of the drainage layer also makes the effects of bottom inclination and drainage system configuration changes, unimportant.