UTILIZAÇÃO DO OZÔNIO NA DESINFECÇÃO DE EFLUENTES SANITÁRIOS

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1 UTILIZAÇÃO DO OZÔNIO NA DESINFECÇÃO DE EFLUENTES SANITÁRIOS Leandro Bassani (*) Engenheiro Sanitarista (UFSC, 1999); Mestrando em Engenharia Ambiental (UFSC). Maria Eliza Nagel Hassemer Universidade Federal de santa Catarina - UFSC Diedre Lauffer Damásio Universidade Federal de santa Catarina - UFSC Flávio Rubens Lapolli Universidade Federal de santa Catarina UFSC (*): Rua João Pio Duarte Silva, N o 576, Bloco B, Apto 203. Bairro: Córrego Grande , Florianópolis, SC Brasil. Fone: (048) lbassani@hotmail.com RESUMO A aplicação de ozônio no tratamento de efluentes domésticos ainda é incipiente no Brasil, não se conhecendo bem os parâmetros de operação destas unidades para seu funcionamento seguro e eficiente. Este trabalho avaliou a eficiência da desinfecção por ozônio em efluentes domésticos tratados por processo de lodos ativados de aeração prolongada e reator anaeróbio UASB, avaliando a remoção de bactérias, ovos de helmintos e cistos de protozoários. Para o processo de lodos ativados, também foram realizados testes de toxicidade aguda e teste de formação de micronúcleos em eritrócitos de peixes. Os resultados evidenciaram que uma concentração próxima a 4 mgo 3 /L foi suficiente para uma desinfecção satisfatória do efluente do sistema de lodos ativados, não apresentando toxicidade aguda, nem genotoxicidade. Análise econômica do tratamento considerando essa dosagem para a ETE Insular - Florianópolis, SC - resultou em valores entre R$0,89 a R$1,99 por economia mês, no primeiro e no décimo ano respectivamente, para um financiamento com taxa de juros de 13% ano. A desinfecção do efluente do reator UASB revelou-se ineficiente para a colimetria e inativação de ovos de helmintos mesmo para as altas dosagens de ozônio testadas. Fato esse atribuído à baixa qualidade físico-química e altas densidades de patógenos desse efluente. Palavras Chave: desinfecção, efluente sanitário, ozônio, toxicidade. INTRODUCÃO A maioria das estações de tratamento de esgoto no Brasil, não possui uma etapa específica para a desinfecção; não existindo sequer um padrão de lançamento para coliformes ou qualquer outro organismo indicador. No que se refere ao padrão coliformes fecais, este aparece relacionado a classificação do corpo receptor (1000 coliformes fecais / 100 ml para classe 2). Caso queiramos atingir o padrão para classe 2, teremos que necessariamente incluir uma etapa específica de desinfecção no processo de tratamento, a não ser que contássemos com razões de diluição (vazão do rio/vazão de esgotos) superiores a 1/100, que são via de regra, bastante incomuns em áreas urbanas aonde localizamse as maiores estações de tratamento de esgotos (SPERLING, 1998). Além das bactérias patogênicas, indicadas pelos coliformes, existem riscos associados a presença de vírus entéricos e protozoários, ambos apresentando baixas dosagens infectivas e tempos de sobrevivência no meio superiores as bactérias patogênicas. Os vírus, principalmente devido a sua persitência em água e a sua baixa dose infectiva, têm sido associados a surtos de gastroenterite viral provocados por natação em águas contaminadas. Ressalta-se que a sobrevivência dos vírus também é relativamente alta em águas marinhas, até cinco dias para Poliovírus 1. Estudos epidemilógicos conduzidos na África do Sul mostraram risco de gastroenterites de alto a moderado associado a natação em praias contaminadas (BITTON, 1994). A eliminação de vírus entéricos, torna-se por esses motivos, relevante para as estações de tratamento situadas no litoral, com vistas a garantir a balneabilidade das praias de entorno.

2 Quanto aos protozoários, o risco maior está relacionado a suas formas encistadas de pequenas dimensões, quando presentes em mananciais destinados ao abastecimento, uma vez que sua remoção não é facilmente conseguida pelo tratamento convencional. É evidente que os riscos associados a não existência da desinfecção em estações de tratamento de esgotos são muito variáveis em função do uso e da vazão do corpo receptor, mas de uma maneira geral existe a necessidade da implantação de algum processo de desinfecção. 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 e, desse modo, haverá 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). Os fatores mais importantes para a desinfecção pelo ozônio são o COT, ph, temperatura e alcalinidade. Conhece-se pouco a respeito da influência do ph sobre o poder desinfetante do ozônio, os estudos até aqui realizados indicam que na faixa de 6,0 a 8,5 a desinfecção não é afetada, assim como a influência da temperatura também é pouco conhecida, porém sabe-se que para as formas encistadas o aumento de temperatura facilita a desinfecção (DI BERNARDO, 1993). O presente trabalho tem como objetivo avaliar as concentrações de ozônio e os tempos de contato para a desinfecção de efluentes de diferentes sistemas de tratamento, verificar a toxicidade a nível aguda (CL50) e a nível celular (formação de micronúcleos em eritrócitos de peixes) para as concentrações seguras, e estudar a viabilidade econômica do processo de desinfecção por ozônio. 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. A avaliação da capacidade da desinfecção foi verificada através do monitoramento físico-químico e biológico do efluente bruto e do efluente desinfetado. GERAÇÃO DE OZÔNIO E DISPOSITIVOS DE TRANSFERÊNCIA O gerador de ozônio operou com oxigênio puro, sendo a determinação de sua capacidade de produção 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), conforme a equação (1). [ O3 ] feed gás [ O3 ] [ O ] feed gás off gás Eficiência ( E) = (1) 3 Os ensaios de desinfecção foram realizados por processos contínuos e descontínuos (batelada). 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 à direção do fluxo do gás, conforme a Figura 1. A variação da dosagem de ozônio foi verificada através da variação do tempo de detenção no sistema acima descrito. A concentração de ozônio transferida foi determinada conforme a equação (2). [ O ] [ O ] E 3 feed gás Qg t 3 transferido (mg/l) = (2) 60 Vef Sendo: E = eficiência de transferência (decimal); [O 3 ]feed gás = concentração de ozônio gerado pelo ozonizador (mg/l); Qg = vazão de gás (L/h); t = tempo de contato nas colunas (min); Vef = volume de efluente nas colunas (L).

3 Coluna de contato Saída de gás excedente Gerador de ozônio Fluxo do efluente Sentido do gás Bomba de recirculação Rotâmetro Cilindro de oxigênio Figura 1: Esquema do sistema de ozonização em batelada No processo em contínuo, o ozônio foi introduzido na parte superior de um cilindro de aproximadamente 2cm de diâmetro e 20cm de comprimento, contendo em seu interior módulos de colmeias metálicas dispostas transversalmente umas as outras (misturador estático). O líquido tem fluxo descendente o que provoca a sucção do gás para seu interior (efeito Venturi). As colmeias provocam turbulência necessária para uma boa transferência do ozônio para a fase líquida. A concentração de ozônio transferida foi determinada conforme a equação (3). [ O ] [ O ] E 3 feed gás Qg 3 transferido = (3) Qef Sendo: E = eficiência de transferência (decimal); [O 3 ]feed gás = concentração de ozônio gerada pelo ozonizador (mg/l); Qg = vazão do gás ozônio (L/h); Qef = vazão de efluente (L/h). Para avaliar a eficiência da desinfecção frente aos oocistos de Cryptosporidium sp e cistos de Giardia sp, foi utilizado um reator de duas colunas, em contínuo, onde na primeira coluna ocorria a introdução do gás ozônio e a segunda coluna era destinada a aumentar o tempo de contato; ambas as colunas tinham 1,70m de altura e 0,10m de diâmetro. O residual de ozônio foi medido ao longo das duas colunas para determinar o perfil de concentração do reator. A integração do perfil de concentração no tempo, para cada uma das colunas fornece o fator CT (concentração de O 3 residual x tempo) parcial. A soma dos dois fatores CT parciais fornece o CT global do reator. O perfil de concentração residual é dependente da concentração aplicada de ozônio. Foram testadas as concentrações de 4 e 7 mgo 3 /L, sendo determinados os respectivos perfis de concentração residual. TIPOS DE EFLUENTES TESTADOS E ENSAIOS REALIZADOS Foram testados efluentes provenientes de dois sistemas de tratamento, um sistema de lodos ativados por aeração prolongada com tempo de detenção celular de 26 dias e, um reator UASB funcionado precariamente, (apresentando arraste de lodo). Como parâmetro de controle da qualidade desses efluentes foram adotados a DQO, SST, ph, temperatura, turbidez e NMP/100ml de E. coli. Os ensaios realizados para cada sistema foram os seguintes: Para o Sistema de Lodos Ativados: Determinação da dosagem segura para a desinfeção de E. coli através de oito testes para cada uma das quatro concentrações testadas (3, 5, 6 e 9 mgo 3 /L), sendo estes feitos em batelada; Aplicação da dosagem segura de desinfecção para E. coli, anteriormente determinada no sistema em batelada, para o sistema com contínuo. Os testes em contínuo foram realizados com uma vazão de efluente de 256,8 L/h e

4 uma vazão de gás de 40 L/h (relação vazão gás-q g /vazão líquido-q L de 0,156). Segundo LAPLANCHE (citado em HASSEMER, 2000), para se obter bons resultados na transferência do ozônio para o meio líquido deve-se observar a relação Q g /Q L < 0,15; Teste de toxicidade aguda em Daphnia magna com o efluente recebendo uma dosagem de 5mgO 3 /L em batelada, e teste de formação de micronúcleos em eritrócitos de peixes da espécie Geofagus brasiliensis e Oreochromis niloticus onde foram analisados cinco peixes em três grupos de aquários. O primeiro grupo continha água reconstituída em laboratório, sendo portanto o controle; o segundo continha o efluente tratado por lodo ativado sem sofrer ozonização; e o terceiro continha efluente tratado e ozonizado (5mgO 3 /L). Os resultados foram obtidos após 24 e 48 horas de exposição; Teste da dosagem de ozônio para a destruição de ovos de helmintos das espécies Ascaris lumbricoides e Trichuris trichiura, sendo estes ensaios realizados em batelada. O método adotado para a contagem de ovos de helmintos foi a sedimentação-centrifugação e para a determinação de sua viabilidade foi utilizado o método do corante biológico; Melhor dosagem para remoção de protozoários (Giardia sp e Cryptosporidium sp), sendo estes ensaios realizados em contínuo. Metodologia utilizada: concentração com CaCO 3 /IMS/IFA. Para o Efluente do Reator UASB: Determinação da dosagem segura de ozônio para a desinfeção de E. coli através de seis ensaios para cada uma das concentrações testadas (12, 15, 20 e 25 mgo 3 /L), em batelada; Verificação da dosagem de ozônio para remoção de ovos de helmintos, em batelada. RESULTADOS SISTEMA DE LODOS ATIVADOS Este efluente apresenta valores de DQO, SST e turbidez muito baixos, como mostra a Tabela 1. Tabela 1: Características físico-químicas do efluente tratado por lodos ativados de aeração prolongada DQO DBO ph Temp SST Cor apar Turbidez E. coli Mg/L mg/l o C mg/l UC NTU Log NMP/100ML Min/ Max < Média 92 < ,0 40 5, Remoção de E. coli: Foram realizados oito ensaios em batelada para cada concentração de ozônio testada, como mostra a Figura 3. Conforme mostram os resultados, uma concentração em torno de 5 mgo 3 /L foi suficiente para uma boa desinfecção com valores de E. coli remanescentes na ordem de 1,56 unidades logarítmicas. LOG NMP/100ML (E. COLI) 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Média log NMP inicial Média Log NMP Desvio Padrão Log NMP 3,3 5,1 6,35 9,15 O3 (mg/l) Figura 3: Remoção de E. coli x Concentração de O 3 (batelada)

5 Após a realização dos ensaios em batelada, testou-se o melhor resultado em relação a remoção de E. coli para os testes em contínuo. Os resultados em termos de eficiência de remoção mostram que a dosagem de 4,1 mgo 3 /L é suficiente para se obter um efluente com 1,68 log de NMP de E. coli/100ml, conforme Figura 4. O tempo de contato do reator em contínuo foi de aproximadamente 0,55 segundos. O fator CT (concentração x tempo) ficou em 0,038, sendo maior que o recomendável para 90% de remoção de E. coli. A relação vazão líquido/vazão gás ficou um pouco acima da recomendada; ficando, portanto, a eficiência média de transferência de ozônio em 50%. 6,0000 5,0000 Log NMP E. coli inicial Log NMP E. coli remanescente Log NMP/100ML (E. coli) 4,0000 3,0000 2,0000 1,0000 0, amostras Figura 4: Remoção de E. coli para 4,1 mg/l de O 3 (contínuo) Remoção de Ovos de Helmintos: O efluente apresentou uma concentração inexpressiva de ovos de Ascaris, principalmente devido ao fato dos mesmos serem removidos na decantação. Para avaliar o efeito do ozônio sobre estes foi necessário preparar um concentrado de ovos a partir do lodo anaeróbio e fazer uma diluição no efluente tratado da ETE, atingindo a concentração de 10 ovos/l.esses ensaios foram realizados em batelada, não sendo possível avaliar o fator CT, importante para formas mais resistentes de microrganismos. Nos cinco ensaios realizados, notou-se pouca efetividade do ozônio, mesmo para concentrações elevadas (20 mgo 3 /L em todas as amostras), conforme Figura ovos viáveis iniciais ovos viáveis remanescentes 7 ovos viáveis / litros amostras Figura 5: Remoção de Ovos de Ascaris lumbricoides (batelada) Inativação de Oocistos de Cryptosporidium sp e Cistos de Giardia sp : A concentração aplicada de 4 mg/l de ozônio resultou em um fator CT de 0,283mg.min/L, que revelou-se suficiente para inativar totalmente uma concentração inicial média de 39 cistos/l de Giardia sp e de 11 oocistos de Cryptosporidium sp. A concentração aplicada de 7 mg/l de ozônio resultou em um fator CT de 0,6mg.min/L, apresentando também remoção total dos dois tipos de protozoários acima citados. Ensaios de Toxicidade: Nos ensaios de toxicidade aguda com Daphnia magna com efluente ozonizado com 5mgO 3 /L, não foi detectado qualquer efeito sobre esses organismos, mesmo nos tubos que continham 100% de efluente ozonizado. Também não foi observada qualquer diferença significativa na formação de micronúcleos nos eritrócitos dos peixes entre os grupos de aquários. Isto indica que o ozônio não apresentou efeito genotóxico.

6 REATOR UASB Esse reator apresentava deficiência em seu funcionamento, com visível arraste de lodo. As características médias do efluente, calculadas a partir de seis amostras, encontram-se na Tabela 2. Tabela 2: Características médias do efluente tratado por reator UASB DQO PH SST Temp Cor apar Turbidez E. coli mg/l mg/l o C UC NTU Log NMP/100ml Max-Min Média Remoção de E. coli: Foram realizados seis ensaios com diferentes concentrações de ozônio (12, 15, 20 e 25 mgo 3 /L). A remoção de E. coli para este efluente foi insuficiente para atingir-se um padrão de desinfecção aceitável. A eficiência de remoção é aparentemente influenciada pelo teor de sólidos suspensos. Na amostra que apresentou o menor valor de SST, a eficiência foi significativamente maior que nas demais, utilizando uma concentração de ozônio de 15 mgo 3 /L. A Figura 6 mostra a remoção média de E. coli para as concentrações testadas para esse efluente. LOG NMP/100ML (E. Coli) 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Média Log NMP inicial Média Log NMP Remanescente Desvio Padrão Log NMP Remanescente 12, O3 (mg/l) Figura 6: Remoção de E. coli x Concentração de O 3 Remoção de Ovos de Helmintos: Foram realizados cinco ensaios com diferentes concentrações de ozônio (12, 15, 20 e 25 mgo 3 /L), em batelada, não sendo possível avaliar o fator CT. A eficiência de remoção dos ovos de Ascaris lumbricoides mostrou-se fortemente dependente da concentração dos mesmos no efluente. Essa influência chega mesmo a ser mais importante que a variação da dosagem de ozônio. A Figura 7 mostra a remoção desses ovos em função da dosagem de ozônio. Para os ovos de Trichiuris trichiura o ozônio atingiu eficiência de 100% de remoção em quatro das cinco amostras testadas.

7 ovos viáveis iniciais / litro ovos viáveis remanescentes / litro eficiência de remoção % ovos viáveis / litro O3 (mg/l) Figura 7: Concentração inicial de ovos viáveis de Ascaris lumbricoides x Eficiência de remoção Análise econômica: A avaliação de custo foi realizada mediante os seguintes parâmetros: Geração a partir do oxigênio Preço do oxigênio: R$ 0,5 / m 3 Capacidade de geração de O 3 : 5 kg/h Custo equipamento: R$ ,00 Vazão de tratamento: 300L/s Custo energia atual: R$ 0,22 Consumo específico de energia: 9 Kwh/kgO 3 Taxa de juros de 13% ano com prazo de financiamento de 10 anos e um incremento no custo da energia de 20% ano Número de economias servidas: (3,75 habitantes por economia) Levando em consideração os parâmetros citados, o custo por economia resultou em R$ 0,89 no primeiro ano de financiamento e R$1,99 no décimo ano. CONCLUSÕES Com base no trabalho realizado, concluiu-se que: O ozônio é altamente eficiente para a desinfecção de E. coli mesmo em baixas concentrações; Os resultados indicam que o processo de remoção de E. coli depende muito do valor de SST no efluente a ser ozonizado; Para as dosagens de ozônio testadas, a remoção de ovos de Ascaris lumbricoides foi ineficiente para os dois tipos de efluentes, comprovando com isso que os processos físicos (decantação, filtração) são os mais indicados para a remoção desses ovos. A remoção de Trichuris trichiura foi de 100% para quase a totalidade das amostras; O ozônio mostrou-se eficiente na inativação de cistos de Giardia e oocistos Cryptosporidium com uma concentração de 4mgO 3 /L O ozônio mostrou ausência de toxicidade aguda para Daphnia magna e nenhuma influência sobre a divisão celular dos eritrócitos dos peixes, quando aplicado 5mgO 3 /L em um efluente de boa qualidade. O processo de desinfecção por ozônio revelou viabilidade econômica para a ETE em questão; ressalta-se que esta tecnologia é sensível ao fator escala, ou seja, a partir de uma certa vazão os custos decrescem significativamente. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BITTON, G. Wastewater Microbiology, Willey-Liss, New York : 1994 DI BERNARDO, L. Desinfecção de Águas de Abastecimento, I Seminário Nacional de Microbiologia Aplicada ao Saneamento, Vitória, 2000.

8 DI BERNARDO, L. Métodos e Técnicas de Tratamento de Àgua, vol 2, ABES,1993. HASSEMER, M. E. N. Tratamento de Efluente Têxtil - Processo Físico-Químico com Ozônio e Floculação em Meio Granular, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis: 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, USA : VON SPERLING, M. Associação entre a legislação brasileira de qualidade da água e a seleção de processos de tratamento de esgotos. In Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, vol. 3, n 2, 1998.