PRÉ-OXIDAÇÃO DE ÁGUAS BRUTAS COM OZÔNIO - UMA INVESTIGAÇÃO - PILOTO
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1 PRÉ-OXIDAÇÃO DE ÁGUAS BRUTAS COM OZÔNIO - UMA INVESTIGAÇÃO - PILOTO Frederico de Almeida Lage Filho (1) Professor Doutor Visitante do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Endereço (1) : Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - Av. Prof. Almeida Prado, travessa 2, s/n - Prédio de Engenharia Civil Cidade Universitária - São Paulo - SP - CEP Tel: (011) / , Fax: (011) fredlage@usp.br. FOTO RESUMO Este trabalho apresenta alguns resultados selecionados de ensaios de ozonização de águas brutas. Os resultados mostram efeitos de: (1) tipo de água bruta, (2) vazão de água bruta, (3) tempo de contato, (4) dose de ozônio na fase líquida, (5) do modo de aplicação desta dose e (6) da concentração de ozônio na fase gasosa, no grau de inativação microbiana e viral obtida por ozonizador de contato do tipo contra-corrente entre as fases líquida e gasosa. O grau de inativação é melhor representado pela somatória? Ci x ti ao longo das colunas do ozonizador, onde C i é um valor de concentração na fase líquida em mg/l e t i é o tempo de contato correspondente na coluna. Os resultados mostraram que o grau de inativação microbiana e viral aumentou com o aumento do tempo de contato (equivalente à diminuição da vazão líquida) e da dose de ozônio na fase líquida, diminuindo com o aumento da turbidez da água. Não se abordou as influências de outras características das águas, tais como alcalinidade, ph, teor de ferro e manganês, etc., por estarem fora do escopo desse trabalho. Este trabalho mostra ainda os efeitos de: (1) tipo de água bruta, (2) vazão de água bruta, (3) tempo de contato e (4) dose de ozônio na fase líquida sobre o coeficiente de decaimento de ozônio (k). O modelo exponencial de decaimento da concentração de ozônio na fase líquida parece representar muito bem os resultados de decaimento verificados na prática. Verificou-se ainda que (k) tendeu a aumentar com a diminuição da dose de ozônio na fase líquida e com o aumento do tempo de contato (t). O grau de inativação microbiana/viral e o coeficiente de decaimento (k) são parâmetros conflitantes com respeito ao tempo de contato, pois um aumento do tempo de contato proporcionou um aumento da somatória? C i x t i enquanto que ao mesmo tempo proporcionou um aumento de (k). PALAVRAS-CHAVE: Água Bruta, Pré-Oxidação, Ozônio, Parâmetros. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1193
2 INTRODUÇÃO A descrição e os resultados dessa investigação fizeram parte de um estudo de 24 meses de duração denominado Water Quality Planning Studies [1], contratado pelo Departamento de Águas da Cidade e Condado de São Francisco, California, Estados Unidos. Tal estudo teve por finalidade a otimização conjunta de objetivos múltiplos de qualidade de águas: a) processos de tratamento - filtração convencional, filtração direta e filtração in-line, particularmente as operações de pré-oxidação, coagulação-floculação, sedimentação e filtração; b) controle da formação de sub-produtos de desinfecção; c) controle da corrosão em tubulações de distribuição; d) controle de recrescimento bacteriano; e) controle de fatores estéticos de qualidade das águas tratadas, particularmente cor e odor. A otimização conjunta dos objetivos múltiplos foi realizada por meio de investigações sistemáticas em escala-piloto. OBJETIVO Discutir resultados selecionados da pré-oxidação de três tipos de mananciais de água bruta por meio de ozonização, estabelecendo ao longo do processo investigativo faixas de operação do sistema de ozonização e valores de parâmetros de projeto. OZONIZADOR DE CONTATO 1. Sistema de ozonização/componentes: composto por compressor de ar, unidade separadora de de gas (oxigênio) do ar, unidade geradora de gas ozônio, 4 colunas de contato em série, unidade monitora de gas ozônio na alimentação e saída das colunas e unidade de destruição de ozônio. Em adição a esses elementos, equipamentos de bombeamento de água e de controle (vazões líquida, do gás de alimentação e de gás ao final da série de colunas), assim como equipamentos para introdução nas colunas de quaisquer produtos químicos de interesse. 2. Colunas de contato: cada coluna com 4.6 m de altura e 15.2 cm de diâmetro, feita de plexiglass, com sistema individual de introdução de gás ozônio no fundo das mesmas por meio de difusores de pequeno tamanho uniformemente distribuídos numa placa difusora, geradores de bolhas de tamanho uniforme. A transferência de ozônio da fase gasosa para a fase líquida era do tipo contra-corrente, com a água bruta entrando por bombeamento no topo de cada coluna. Um ensaio de caracterização hidráulica executado com traçador do tipo fluoreto mostrou que o comportamento hidráulico de cada coluna se aproximava do de um reator tubular ideal (sem dispersão). Cada coluna era dotada de oito pontos de amostragem de água ozonizada (torneiras) distribuídos ao longo da mesma, de modo que a concentração de ozônio na fase líquida ao longo de cada coluna podia ser monitorada. A flexibilidade desse esquema como um todo permitia que se aplicasse uma determinada dose de ozônio somente em uma coluna ou distribuída por mais de uma coluna. Quaisquer colunas poderiam ser desvinculadas do sistema se assim fosse desejável. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1194
3 PARÂMETROS DE PROJETO: OZONIZAÇÃO [2] 1.Produto C.t : expresso em mg O 3. min/l, relativo ao grau de inativação microbiana e viral proporcionado pelas colunas de contato sob determinadas condições de vazão, concentração do gas ozônio de alimentação na fase gasosa, concentração de ozônio na fase líquida, dose total de ozônio aplicada e sua distribuição nas colunas e características físico-químicas da água bruta. O valor de C.t total proporcionado pelas colunas era calculado por integração numérica da plotagem das concentrações Ci de ozônio na fase líquida por ponto de amostragem ao longo de cada coluna versus o tempo de contato t i acumulado ao longo de cada coluna sucessiva do ozonizador. As concentrações de ozônio na fase líquida foram medidas por meio de um espectrofotômetro DR2000 Hach (Hach Corporation, USA), do seguinte modo: as torneiras de amostragem eram abertas e fechadas uma a uma; amostras de água ozonizada eram coletadas de cada torneira de amostragem uma a uma em um béquer e imediatamente uma ampola de reagente com ponteira capilar era introduzida no mesmo, onde a extremidade da ponteira era forçada a quebrar-se. A água ozonizada fluia para dentro da ampola por capilaridade. Uma ampola extra era então utilizada com água bruta não-ozonizada para servir de blank para as medições com o DR O valor de C.t total obtido pela integração gráfica era multiplicado pelo fator de segurança igual a 0.5, recomendado pelos responsáveis pelo ozonizador. Tal fator conservativo era usado como um corretivo de eventuais perdas ou ineficiências da atuação das concentrações na fase líquida na inativação de virus e outros microorganismos patogênicos. 2.Tempo de contato nas colunas: ditado pela vazão de água bruta pelo sistema, que variou de 7.6 a 15.2 L/min, correspondendo respectivamente a tempos de contato de 41.2 e 20.6 minutos. 3. Configuração de trabalho das colunas: ditada pela distribuição nas colunas da dose total de ozônio na fase líquida a ser aplicada; por exemplo, seja a dose de 2.0 mg O3/L: esta poderia ser aplicada integralmente na coluna 1 da série de quatro colunas ou dividida por exemplo em 1.0 mg/l para a coluna 1 e 1.0 mg/l para a coluna 2 da série. 4. Concentração de gas ozônio: refere-se à concentração na fase gasosa aplicada por meio de difusores em uma placa de fundo de cada uma das colunas da contato: podia ser um valor constante dentro da faixa de operação dos sistema, de 1.0 % a 6.0 % em peso. 5. Coeficiente de decaimento da concentração de ozônio na fase líquida (k): foi obtido para diversas condições de operação das colunas de contato. Volumes de água ozonizada coletados nos pontos de amostragem mais próximos às bases das colunas tiveram suas concentrações de ozônio medidas ao longo do tempo decorrido desde a coleta. Foi assumido decaimento do tipo exponencial, o que foi inferido de estudo anterior. A equação representativa é do tipo: [O 3 ] t = [O 3 ] t=0. e -k.t, onde [O 3 ] t e [O 3 ] t=0 são concentrações nos tempos t e t = 0 (inicial). Dentro desta hipótese de decaimento exponencial, pode-se estimar o coeficiente de decaimento (k) a partir da determinação da declividade da reta de interpolação dos pontos da curva [O 3]t versus (t) plotados em papel mono-logarítmico. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1195
4 MANANCIAIS INVESTIGADOS Três tipos de mananciais foram utilizados. Manancial 1, com ótima qualidade natural da água (baixíssimas turbidez, alcalinidade, concentrações de partículas e cor) e ph levemente ácido, como principais características. Mananciais 2 e 3, com média qualidade natural das águas (valores médios de turbidez e concentrações de partículas, médios teores de cor, baixa alcalinidade) e ph levemente a medianamente básico, dentre outras características. Os mananciais 2 e 3 foram utilizados misturados durante a investigação experimental, na proporção 70% de (2), 30 % de (3). A tabela 1 a seguir mostra as principais características físicas e químicas do manancial 1 e da mistura 2/3. Tabela 1 - Características das Águas Brutas Utilizadas nos Testes: Valores Médios [2]. CARACTERÍSTICA Manancial: 1 Manancial: 70%(2), 30%( 3) ph 6.6? ? 0.3 turbidez (UNT) 0.6? ? 0.3 temperatura ( o C) 12.5? ? 4.0 alcalinidade (mg CaCO3/L) 6.5? ? 2 absorbância UV254 (cm -1 ) 0.064? 0.116? condutividade (?S/cm) 19? 3 329? 7 conc. de partículas (#/ml), faixa de tamanho 1-300?m 3.750? ? conc. de partículas (#/ml), faixa de tamanho 4-10?m 75? ? 42 COT (mg/l) 1.7? ? 0.2 Ferro Total (?g/l) 31? 10 27? 11 Manganês Total (?g/l) < 3 6? 1 Demanda de cloro livre de 2 hrs (mg/l) 0.2? ? o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1196
5 RESULTADOS A Figura 1 mostra gráficamente alguns dos resultados obtidos durante a investigação. Figura 1 - Grau de Inativação Microbiano/Viral versus Tempo de Contato, Dose de Ozônio Aplicada e Tipo de Manancial. C.t total (manancial 1) 10 x C.t total (mananciais 2/3) (mg O3.min/L) t (min) manancial 1, [O3] = 1.0 mg/l manancial 1, [O3] = 2.0 mg/l mist.mananciais 2/3, [O3] = 1.0 mg/l mist. mananciais 2/3, [O3] = 1.5 mg/l mist. mananciais 2/3, [O3] = 1.9 mg/l Linear (mist. mananciais 2/3, [O3] = 1.9 mg/l) Linear (mist. mananciais 2/3, [O3] = 1.5 mg/l) Linear (mist.mananciais 2/3, [O3] = 1.0 mg/l) Linear (manancial 1, [O3] = 1.0 mg/l) Linear (manancial 1, [O3] = 2.0 mg/l) As principais características das águas brutas e do ozonizador utilizadas nos testes foram: ph = 7; Temperatura = o C; Turbidez média = 0.4 UNT (manancial 1), 1.3 UNT (manancial 2) e 1.8 UNT (manancial 3). As doses de ozônio na fase líquida foram totalmente aplicadas na primeira coluna do ozonizador. Percentual aplicado de ozônio na fase gasosa: 4 % por peso. A somatória? C i x t i (ou C.t total de acordo com a figura 1) aumentou com o aumento do tempo de contato, para um determinado tipo de água e dose de ozônio na fase líquida aplicada. Fixando-se o tipo de manancial e o tempo de contato, verificou-se que o valor de C.t total aumentou com o aumento da dose de ozônio aplicada. Observou-se ainda que o aumento da turbidez da água diminuiu significativamente o valor de C.t total. A Figura 2 abaixo mostra a 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1197
6 plotagem de dados de decaimento do ozônio na fase líquida versus o tempo de contato em escala logarítmica, obtidos para o manancial o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1198
7 Figura 2 - Ensaio de Decaimento de Ozônio com o Tempo de Contato. 10 O3 (mg/l) Expon. (O3 (mg/l)) 1 tempo de contato (min) Principais caracteristicas da água bruta durante o ensaio foram: temperatura = 11 o C, ph = 7 e turbidez = 0.8 UNT e tempo de contato = 20.6 minutos. A declividade da reta de interpolação é igual a 0.37 min -1, o valor de (k) nessas condições. A Tabela 2 mostra resultados obtidos para o coeficiente de decaimento k, utilizando a mistura de 70 % do manancial (2)/ 30 % do manancial (3). Tabela 2 - Valores de k (min -1 ) para ensaios selecionados. Tempo de contato (min) [O 3 ] tot = 1.5 mg/l [O 3 ] tot = 1.9 mg/l Obs.: 1. Concentração de gas ozônio na alimentação do sistema: 4.0 % por peso. 2. Dose total [O 3 ] tot aplicada sómente na primeira coluna da série de quatro. 3. Turbidez da água bruta (mistura 70%/30% dos mananciais 2/3): UNT 4. Temperatura da água: 16.7 o C. A tabela 2 mostra que o coeficiente de decaimento de ozônio na fase líquida (k) tendeu a aumentar com o aumento do tempo de contato e com a diminuição da dose de ozônio aplicada na fase líquida. De acordo com a tabela 2 e a figura 1, observou-se que o produto (C i xt i ) e (k) são parâmetros conflitantes com relação à otimização da pré-oxidação com ozônio, ou seja: um aumento do tempo de contato tende a produzir um aumento do produto (C i xt i ) do ozonizador mas ao mesmo tempo leva a um aumento do coeficiente de decaimento do ozônio. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1199
8 CONCLUSÕES O grau de inativação microbiana e viral na água bruta por meio de pré-oxidação com ozônio aumentou com o aumento da dose de ozônio aplicada na fase líquida e/ou com o aumento do tempo de contato nas colunas de ozonização, quando os demais parâmetros (configuração de aplicação nas colunas de contato, concentração de gas ozônio na alimentação) foram mantidos contantes. O coeficiente de decaimento do ozônio aumentou com o aumento do tempo de contato e com a diminuição da dose de ozônio na fase líquida. Óbviamente as características físicas e químicas das águas utilizadas exerceram grande influência nos resultados obtidos para a fase líquida do sistema de ozonização e consequentemente são muito importantes na definição dos parâmetros de operação. O grau de inativação microbiana e viral diminuiu com o aumento da turbidez e da alcalinidade da água bruta e na direção oposta se comportou o coeficiente de decaimento de ozônio. Outras características como a concentração de partículas, ph, teor de ferro e manganês, etc. também são importantes na definição dos parâmetros de operação do sistema de ozonização, tais como: dosagens de ozônio na fase líquida, concentração de ozônio na fase gasosa (alimentação) do sistema, tempo de contato, etc. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. WEST, T.E., LAGE FILHO, F.A. - Hetch Hetchy Source: Treatability Report. Water Quality Planning Studies / San Francisco Water Department. Relatório técnico, LAGE FILHO, F. A. - Raw Water Ozonation: A Discussion on Design Parameters. Artigo não-publicado, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1200
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