22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina II ESTUDO COMPARATIVO DOS PROCESSOS DE DESINFECÇÃO EM EFLUENTES DOMÉSTICOS: OZÔNIO, RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA E DIÓXIDO DE CLORO Flávio Rubens Lapolli (1) Engenheiro Civil (UFSC, 1976) e Sanitarista (USP, 1977). Doutor pelo Programa de Pós- Graduação em Hidráulica e Saneamento USP, São Carlos e Universidade de Montpellier II França (1998). Professor do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFSC. Maria Eliza Nagel Hassemer Engenheira Sanitarista (UFSC, 1983); Mestre em Engenharia Ambiental (UFSC, 2000); Doutoranda em Engenharia Ambiental (UFSC). Edson Carlos Machado de Oliveira Engenheiro Sanitarista (UFMT, 2000); Mestre em Engenharia Ambiental (UFSC, 2003). Leandro Bassani Engenheiro Sanitarista (UFSC, 2000); Mestre em Engenharia Ambiental (UFSC, 2003). Diedre Lauffer Damásio Engenheira Sanitarista (UFSC, 2003).

2 Endereço(1): Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. Universidade Federal de Santa Catarina - Campus Universitário Trindade, Florianópolis, SC. CEP: Fone: 0(XX) Fax: 0(XX) frl@ens.ufsc.br RESUMO A cidade de Florianópolis é um dos principais pólos turísticos de Santa Catarina devido as suas praias, e uma de suas baías é corpo receptor dos efluentes tratados da cidade. Para a preservação destas águas e da saúde da população, torna -se relevante a eliminação dos organismos causadores de doenças de veiculação hídrica, exigindo, assim, que o tratamento de esgotos possua uma etapa de desinfecção. Este trabalho tem como objetivo comparar a eficiência da desinfecção em relação a remoção de E. coli, utilizando-se o ozônio (O3), a radiação ultra violeta (UV) e o dióxido de cloro (ClO2). Os testes foram desenvolvidos na Estação de Tratamento de Esgotos Insular de Florianópolis SC (sistema de lodos ativados por aeração prolongada), avaliando-se os parâmetros físico-químicos e biológicos do efluente desinfetado e não desinfetado. Os resultados mostraram que os processos são eficientes mesmo para pequenas dosagens de ozônio e dióxido de cloro (4 mgo3/l e 4 mg ClO2/L), e com uma radiação UV de 20 mw.s/cm2. PALAVRAS-CHAVE: Desinfecção, Dióxido de Cloro, Efluentes Domésticos, Ozonização, Radiação Ultravioleta. INTRODUÇÃO A preocupação com a preservação, proteção e melhoria da qualidade das águas, tanto dos mananciais subterrâneos ou superficiais, é admitida praticamente sem muitas discussões, tanto que a população de diversas nações está começando a tomar consciência de que é necessário compatibilizar o desenvolvimento econômico com preservação ambiental. Ações de proteção sanitária e ambiental tendo como objetivo principal minimizar os impactos negativos que efluentes sanitários causam ao meio ambiente já estão sendo impostas através da aplicação das legislações (CHERNICHARO et al., 2001). O interesse na desinfecção desses efluentes é cada vez maior, dado a crescente deterioração das fontes de abastecimento de água para uso humano. O objetivo principal da desinfecção de esgotos é destruir os patogênicos entéricos, que podem estar presentes no efluente tratado, para tornar a água receptora segura para uso posterior. A eliminação de vírus entéricos torna-se, por esse motivo, relevante para as estações de tratamento situadas no litoral, com vistas a garantir a balneabilidade das praias de entorno, como é o caso de Florianópolis.

3 A possibilidade do reúso ou o lançamento de efluentes sanitários no meio ambiente sem que este acarrete riscos de transmissão de doenças de veiculação hídrica, passa obrigatoriamente pela desinfecção. Com base nas evidências epidemiológicas, recomendase um padrão bacteriológico de uma média geométrica de 1000 coliformes fecais/100ml de água para irrigação irrestrita de qualquer cultura, o que é considerado tecnologicamente viável (OMS, 1996). Desinfecção é a destruição seletiva dos organismos causadores de doenças, sem que seja necessária a eliminação de todos os organismos. É usualmente conseguida através do uso de agentes químicos ou físicos; meios mecânicos; radiação. Neste trabalho foram utilizados para a desinfecção, o ozônio, o dióxido de cloro e a radiação ultra violeta. O ozônio apresenta alto poder oxidante, tornando-se atrativo para a desinfecção de esgotos domésticos. O alto poder oxidante é desejável porque diminui muito as concentrações e o tempo necessário para a desinfecção, havendo economia na construção e operação das instalações. Outro benefício a considerar é que os subprodutos orgânicos da ozonização de efluentes domésticos tratados a nível secundário geralmente apresentam pouca ou nenhuma toxicidade a nível agudo. Existe ainda a vantagem da redução de cor, que, mesmo nas dosagens relativamente baixas, tem se mostrado efetiva. O poder desinfetante do ozônio é cerca de dez vezes superior ao do cloro, e isto para todos os tipos de microrganismos (DI BERNARDO, 1993). A desinfecção pelo ozônio ocorre através da destruição da parede celular e pela reação dos microrganismos com espécies reativas de O2. Além da desinfecção, o ozônio promove a oxidação da matéria orgânica remanescente e a reaeração do efluente, e não deixa residual químico devido a sua rápida decomposição (LANGLAIS et al., 1991). Os fatores mais importantes para a desinfecção pelo ozônio são a DQO, cuja quantidade de material a oxidar gera uma demanda por O3 que não é empregada diretamente na destruição dos microrganismos, e os sólidos suspensos totais (SST), que podem interferir na transferência de ozônio para a fase líquida, além de protegerem os microrganismos da ação do gás. A radiação ultravioleta é aplicada como desinfetante em águas para abastecimento público desde o início do século XX. Recentemente, os estudos estão concentrados para utilização deste processo em águas residuárias, mostrando-se apropriados para esse fim, pois é um eficiente germicida e não forma compostos tóxicos. A desinfecção com radiação ultravioleta é um mecanismo físico, no qual a energia ultravioleta é absorvida pelos diferentes componentes orgânico-moleculares essenciais ao funcionamento normal das células. A ação germicida da radiação UV está associada às alterações estruturais que esta provoca no DNA das células, consequência de reações fotoquímicas desencadeadas pela absorção da radiação pelas moléculas que constituem o DNA. Ao ocorrer o processo natural de divisão celular com a duplicação do DNA, a estrutura formada pela absorção de radiação ultravioleta não é reconhecida, o que interrompe o processo de duplicação. Assim, a célula pode manter temporariamente as atividades metabólicas, mas não consegue se reproduzir. Por isso diz-se que ocorre a inativação e não a morte dos microrganismos. O dióxido de cloro é um desinfetante de ação rápida, igual ou superior ao cloro na inativação de bactérias e vírus, sendo mais efetivo na destruição de cistos de protozoários patogênicos. Ele inibe a síntese de proteínas e lipídios em células bacterianas e provoca a

4 ruptura da membrana citoplasmática de bactérias gram negativas. Segundo AIETA et al. (1986), citados por BITTON (1994), o dióxido de cloro foi descoberto por Sir Humphrey Davy em 1811, acidificando clorato de potássio com ácido sulfúrico e assim produzindo o gás. Deve ser gerado in loco, a partir do clorito de sódio, clorato de sódio, ou do ácido sulfúrico. O gás torna-se explosivo a partir de uma concentração superior a 300g/m3, mas seu comportamento em solução aquosa pode ser estável durante muito tempo, se houver condições adequadas para isto, como a pureza da solução aquosa, o ph da solução ser inferior a 7, a temperatura inferior a 25oC e o ambiente sem a presença de luz. Se estas condições não forem obedecidas haverá uma aceleração na decomposição do mesmo, formando o clorito e o clorato. MATERIAIS E MÉTODOS A pesquisa foi desenvolvida junto a Estação de Tratamento de Esgotos Insular da CASAN (Companhia Catarinense de Águas e Saneamento) Florianópolis, SC. O efluente testado era proveniente desta ETE - sistema de lodos ativados por aeração prolongada, atendendo habitantes. A avaliação da capacidade da desinfecção foi verificada através do monitoramento físico-químico e biológico do efluente bruto e do efluente desinfetado, para os três processos utilizados. OZONIZAÇÃO O gerador de ozônio utilizado nesta etapa da investigação experimental, foi fabricado pela Trailigaz, modelo LABO 6LO, produzindo ozônio a partir do oxigênio puro. A produção de ozônio ocorre pelo efeito Corona com capacidade de 22 go3/h e com uma concentração de 40 go3/m3. A determinação da capacidade de produção foi avaliada através da titulação com uma solução de iodeto de potássio. A eficiência de transferência foi determinada pela diferença entre a concentração de ozônio no gás gerado pelo ozonizador (feed-gás) e a concentração de ozônio no gás excedente que saía da coluna (off-gás). Os ensaios de desinfecção foram realizados por processos descontínuos (batelada) e contínuos. No processo em descontínuo, o reator era formado por uma coluna de acrílico com 1,80m de altura útil e 0,06m de diâmetro interno. A alimentação do sistema ocorreu através da adição de efluente por bombeamento, sendo o ozônio introduzido na base da coluna através de um difusor poroso capaz de gerar bolhas com diâmetro médio de 2mm. O efluente era recirculado em contra corrente a direção do fluxo do gás. A variação da dosagem de ozônio foi verificada através da variação do tempo de detenção no sistema acima descrito. Foram realizados 8 ensaios para cada uma das quatro concentrações testadas (em torno de 3, 5, 6 e 9 mgo3/l) para determinar a dosagem eficiente para a redução de E. coli. No processo em contínuo, o ozônio era introduzido na parte superior de um cilindro de aproximadamente 20mm de diâmetro e 275mm de comprimento, contendo em seu interior

5 módulos de colmeias metálicas dispostas transversalmente umas às outras (misturador estático). O líquido, com fluxo descendente, provocava a sucção do gás para seu interior (efeito Venturi). As colméias provocavam turbulência necessária para uma boa transferência do ozônio para a fase líquida. Foi aplicada a melhor dosagem de ozônio determinada no sistema em batelada. Os testes foram realizados com uma vazão de efluente de 256,8 L/h e uma vazão de gás de 40 L/h. Segundo LAPLANCHE (1997), citado por DALSASSO (1999), para se ob ter bons resultados na transferência do ozônio para o meio líquido deve-se observar a relação Qg/QL 0,15. A Figura 1 mostra os sistemas piloto de ozonização em batelada e em contínuo, e a Figura 2 mostra detalhes da transferência do ozônio para o meio líquido no sistema em contínuo (misturador estático). Figura 1: Pilotos de ozonização utilizados nos ensaios de desinfecção Figura 2: Detalhes do sistema de transferência de ozônio no sistema em contínuo RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA Na realização dos ensaios de desinfecção com radiação ultravioleta foram utilizados um colimador UV (batelada) e um reator (contínuo). A medição da radiação emitida foi feita através de um fotômetro portátil (Instrutherm MRUR) que mede o espectro eletromagnético na faixa de 254nm. As doses utilizadas de UV variaram entre 5 e 80 mw.s/cm2. A dose UV é produto da intensidade (mw/cm²) pelo tempo (segundos). Nos testes com o colimador (equipado com uma lâmpada de 30W, da Philips), um volume de efluente de 150mL, foi colocado em um Becker, atingindo uma lâmina líquida de 4,5cm. Durante a irradiação o efluente recebeu uma pequena agitação (± 100 rpm) através de um agitador magnético a fim de manter os sólidos em suspensão e homogeneizar a amostra. Nos testes realizados com amostras do efluente da ETE Insular, acrescentou-se efluente do tanque de aeração (rico em sólidos em suspensão) para obtenção de amostras com características diferenciadas. Desta forma, obteve-se um aumento na cor, turbidez, DQO, SST do efluente a ser irradiado. Foram adicionados 0,5%, 1% e 2,5% de efluente do tanque de aeração nas amostras. O reator UV trabalhou em fluxo contínuo, podendo ser equipado com até 6 lâmpadas UV de baixa pressão de mercúrio, de 30W cada. O equipamento permitia a variação da intensidade da radiação, através de mudanças na altura ou do número de lâmpadas. Também possibilitava variações na altura da lâmina d'água utilizando-se vertedores retangulares móveis. A Figura 3 mostra os sistemas UV utilizados na pesquisa, o colimador (batelada) e o reator (contínuo). reator colimador

6 Figura 3: Sistemas UV utilizados, reator (contínuo) e colimador (batelada) DIÓXIDO DE CLORO A produção de dióxido de cloro foi feita in loco, através de um gerador da marca BI-O- CHLOR, modelo BOC PLUS 10000, com capacidade produtiva de 12 a 120 gclo2/h, construído pela Sodi Scientificaã Italiana. A reação química foi feita em ambiente controlado, com os reagentes químicos de Clorito de Sódio (NaCl2) 25%, Ácido Clorídrico (HCl) 32%, e água de diluição. Estes reagentes não podem ser utilizados nas suas concentrações comerciais, pois podem formar o desinfetante em concentração explosiva, razão pela qual é utilizada a água de diluição durante a produção do ClO2. Os reagentes foram armazenados em tanques fechados de polietileno, com capacidade de 310 litros, de onde vão para o gerador através de mangueiras. A adução dos reagentes e da água de diluição ao reator foi feita por meio de três bombas dosadoras eletromagnéticas, alimentadas por tanques a nível constante no aparelho. A solução de dióxido de cloro formada era direcionada para um tanque de contato de 1,8m3 de volume útil, com dimensões úteis de 3,00x1,00x0,60 m. Possuía 11 chicanas, de modo a aumentar o tempo de retenção hidráulico e era coberto para evitar a influência da luz. Possuía 12 pontos para coleta de amostras, ao longo das duas paredes externas. A entrada do efluente dava-se em uma das extremidades por bombeamento (mesmo ponto de entrada do dióxido), e a saída, na extremidade oposta, por uma canalização de saída livre. O tempo de contato podia ser variado de acordo com a variação da vazão. A dosagem de dióxido de cloro era controlada por processo manual no próprio gerador, onde muda-se a taxa de alimentação para uma situação específica. A Figura 3 mostra o gerador de dióxido de cloro e o tanque de contato. Figura3: Gerador de dióxido de cloro e tanque de contato Foram realizados ensaios para diferentes dosagens de dióxido de cloro, sendo elas 4, 6, 8 e 10 mgclo2/l. O efluente foi bombeado de um reservatório para o tanque de contato com uma vazão média de 3600L/s de efluente, para os testes com 4, 6 e 8 mgclo2/l, e de 1200L/s, para os testes com 10 mgclo2/l, propiciando um tempo de contato máximo de 30 minutos. As amostras para análise dos parâmetros foram coletadas em seis pontos do tanque de contato, possibilitando a variação dos tempos de contatos em intervalos de 5 minutos. RESULTADOS E DISCUSSÕES

7 O efluente testado apresentou valores de DQO, SST e turbidez muito baixos, como mostra a Tabela 1. Também os valores de E. coli se apresentavam relativamente baixos. Tabela 1: Características físico-químicas do efluente testado DQO (mg/l) DBO (mg/l) ph SST (mg/l) Turbidez (NTU) E. coli (Log NMP/100mL) Min/Max <10 6,1-6,5 6,0-13,2 3,9-7,1 4,041-4,987 Média 92

8 <10 6,3 8,0 5,0 4,720 Desinfecção com Ozônio Foram realizados oito ensaios para cada concentração de ozônio testada, em batelada, como mostra a Figura 4. Conforme mostram os resultados, uma concentração em torno de 5 mgo3/l foi suficiente para uma boa desinfecção com valores de E. coli remanescentes na ordem de 1,56 unidades logarítmicas. Figura 4: Remoção de E. coli x Concentração de O3 (batelada) Após a realização dos ensaios em batelada, testes em contínuo foram realizados utilizandose uma dosagem de apenas 4 mgo3/l. A Figura 5 mostra os resultados dos ensaios. Figura 5: Remoção de E. coli para 4mg/L de O3 (contínuo) Os resultados mostram que a dosagem de 4 mgo3/l foi suficiente para se obter uma boa eficiência de remoção em relação a E. coli, chegando a 100% no caso da amostra 3, lembrando que o objetivo era chegar em 3 LogNMP/100mL. O tempo de contato do reator em contínuo foi de aproximadamente 9345 minutos, e o fator CT (concentração residual x tempo) foi 2336 mg.min/l, considerando uma concentração de ozônio residual medida de 0,25mg/L. Desinfecção com Radiação Ultravioleta Nos testes em contínuo, diferentes doses foram aplicadas (5, 10, 20, 30, 40, 50, 60 e 80 mw.s/cm2 ou mj/cm2), fixando-se a lâmina líquida em 4,5 cm e variando-se a vazão. As doses de 20 e 30 mw.s/cm2 foram as que tiveram melhores resultados, reduzindo para 102 e zero, respectivamente, o NMP de E. coli/100ml.

9 Nos testes onde foram variadas as alturas da lâmina líquida (2, 3, 4,5 e 8 cm) e mantidas constantes a vazão (1,5 m³/h) e a intensidade UV (0,36 mw/cm2), os ensaios com maior lâmina (8cm) apresentaram a melhor inativação de microrganismos; para estes ensaios a lâmina d`água maior resultou em um maior tempo de exposição e conseqüentemente maior dose UV (30mJ/cm2). Os resultados foram semelhantes aos ensaios com lâmina fixa. Nos ensaios em batelada (no colimador), apesar de terem sido realizados com pequenos volumes de amostras (250 ml), os resultados encontrados em relação a remoção de Coliformes Totais foram semelhantes aos do reator, para as mesmas doses aplicadas, como mostra a Figura 6. Figura 6 Número de Coliformes Totais x Dose UV, para ensaios realizados no reator e colimador. Nos ensaios com amostras acrescidas de efluente do tanque de aeração, as concentrações médias de SST variaram de 7,5 a 214 mg/l. A adição do mesmo não alterou significativamente o número inicial de microrganismos (± 105 NMP/100mL). Observa-se pela Figura 7 que mesmo para as maiores concentrações de SST, uma dose de 60 mw.s/cm² conseguiu enquadrar o efluente às exigências legais (NMP E. coli/100ml<1000). Figura 7: Remoção de E. coli em função da dose UV e SST Desinfecção com Dióxido de Cloro Os resultados obtidos nos testes com dióxido de cloro estão expressos na Tabela 2, apresentando a concentração de coliformes fecais (E. coli) para as dosagens testadas. Tabela 2: E. coli para as concentrações de 4, 6, 8 e 10 mgclo2/l Tempo de Contato (min) Concentração de E. coli (lognmp/100ml) 4mgClO2/L 6mgClO2/L 8mgClO2/L 10mgClO2/L 5

10 1,00 1,

11 30 Os resultados indicam que, para todas as concentrações testadas, um tempo de contato de 5 minutos foi suficiente para uma boa desinfecção, considerando-se o número de coliformes fecais de acordo com as características estabelecidas para as Classes 2, 3 e 4 da Legislação Ambiental do Estado de Santa Catarina, conforme Artigos 12, 13 e 15, Subseção III. A Figura 8 apresenta as concentrações de E. coli para um tempo de contato de 5 minutos. Figura 8: Coliformes totais e fecais após a desinfecção com 4, 6, 8 e 10 mgclo2/l, para um tempo de contato de 5min A concentração de 4 mgclo2/l apresenta uma boa desinfecção de forma a atender a Legislação Ambiental de lançamento de efluentes e os padrões da OMS, o que mostra que dosagens menores possam ser utilizadas. A Tabela 3 apresenta um resumo dos resultados da desinfecção com os desinfetantes utilizados. Tabela 3: Melhores resultados da desinfecção com os desinfetantes utilizados (média) Parâmetros Ozônio (mgo3/l) Radiação Ultra Violeta (mw.s/cm²) Dióxido de Cloro (mgclo2/l)

12 Batelada Contínuo Batelada Contínuo Contínuo Dosagem 5,0 4,0 20,0 20,0 4,0 ph 6,45 6,45 6,54 6,54 6,77 DQO (mg/l) 39,17 39, ,00 99,00

13 SST (mg/l) <10 < <10 E. coli (lognmp/100ml) 1,56 1,68 1,04 <1,00 <1,00 CONCLUSÕES O ozônio é altamente eficiente para a desinfecção de E. coli mesmo em baixas concentrações; Para as dosagens testadas de dióxido de cloro, a remoção de coliformes foi eficiente, mesmo para tempos de contato baixos, como de 5 minutos, mostrando que dosagens menores podem ser utilizadas; A viabilidade da radiação UV pode ser notada na excelente remoção de E. coli, acima de 99,99% de eficiência; Para todos os desinfetantes utilizados, atingiu-se os padrões da Organização Mundial da Saúde, ou seja valores de 1000 Coliformes Fecais/100mL, utilizando-se pequenas dosagens de ozônio e dióxido de cloro, como também baixa intensidade de radiação ultravioleta. AGRADECIMENTOS

14 Os autores agradecem o apoio técnico e financeiro obtido da Companhia de Saneamento de Santa Catarina CASAN, do Programa de Pesquisa em Saneamento Básico PROSAB/FINEP e do CNPq. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BITTON, G. Wastewater Microbiology. Wiley-Liss, p. 478, CHERNICHARO, C. A. L. (Coordenador). Pós-Tratamento de Efluentes Anaeróbios. PROSAB 2. Segrac Editora e Gráfica Belo Horizonte, MG. 544p, DALSASSO, R. L. Pré-Ozonização de Águas Contendo Agrotóxico, seguida de Filtração Direta. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental). Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de Santa catarina, UFSC, BERNARDO, L. Métodos e Técnicas de Tratamento de Àgua, vol 2, ABES,1993. LANGLAIS, B., RECKHOW, D. A. e BRINK, D.R. Ozone in Water Treatment: Application and Engineering. American Water Association Research Foundation: Compagnie Générale des Eaux, Lewis Publishers,1991, USA. OMS - Tatamiento y uso de Aguas Residuales, CEPIS-OPS-OMS, Lima, 1996