I-123 INFLUÊNCIA DA VAZÃO NO DESEMPENHO DO PROCESSO DE DESINFECÇÃO EM UNIDADES DE FLUXO CONTÍNUO

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1 I-123 INFLUÊNCIA DA VAZÃO NO DESEMPENHO DO PROCESSO DE DESINFECÇÃO EM UNIDADES DE FLUXO CONTÍNUO Kristiane Roris de Freitas Tecnóloga em Saneamento Ambiental pelo Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo (CEFET/ES). Graduanda em Química pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Priscila Elaine Volkers de Carvalho Tecnóloga em Saneamento Ambiental pelo Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo (CEFET/ES). Ismênia Resende Fonseca Química pela Universidade do Vale do Rio Doce (UNIVALE). Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Professora do departamento de química do Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo (CEFET/ES). Renato do Nascimento Siqueira Engenheiro Mecânico e Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Doutor em Engenharia Civil pela Loughborough University of Technology, Loughborough, Inglaterra. Professor Visitante do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da UFES. Edmilson Costa Teixeira (1) Engenheiro Civil pela Universidade Federal da Bahia (UFBA). Mestre em Engenharia Civil pela Universidade de São Paulo (USP) e Doutor em Engenharia Civil pela University of Bradford, Bradford, Inglaterra. Professor do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Endereço (1) : Departamento de Engenharia Ambiental GEARH CT / UFES. Avenida Fernando Ferrari, s/n, Goiaberias, Vitória ES. CEP: ; Tele-fax: (27) edmilson@npd.ufes.br RESUMO A eficiência da maioria dos processos de tratamento de água é altamente dependente das características do escoamento nas unidades onde se processam as reações. Entre os parâmetros de projeto destes tipos de unidades encontram-se a vazão e o tempo teórico de detenção. Entretanto, a vazão de operação pode ser diferente da vazão de projeto, o que afeta a eficiência do processo através de alterações no comportamento hidrodinâmico do reator. A partir de experimentos em modelos reduzidos, este estudo avalia a influência da vazão sobre as características hidrodinâmicas da unidade e utilizando modelos analíticos, verifica a sua influência sobre o desempenho do processo de desinfecção. Os resultados deste estudo permitem concluir que apesar da variação de vazão ter pouca influência sobre a eficiência hidráulica da unidade, esta pequena diferença pode resultar em alterações significativas no desempenho do processo de desinfecção. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de água, desinfecção, variação de vazão, eficiência hidráulica e hidrodinâmica. INTRODUÇÃO A desinfecção é uma etapa importante do tratamento convencional da água destinada ao abastecimento doméstico. No Brasil, a cloração tem sido o processo de desinfecção mais utilizado para o controle de organismos patogênicos em unidades de contato (UC). Sabe-se que a eficiência da maioria dos processos de tratamento de água é altamente dependente das características do escoamento nas unidades onde se processam as reações (Teixeira, 1993). Para fins de projeto, é comum adotar como parâmetros determinantes do comportamento hidrodinâmico a vazão e o tempo teórico de detenção. Entretanto, a vazão de operação pode ser diferente da vazão de projeto, o que afeta a eficiência do processo através de alterações no comportamento hidrodinâmico do reator (Figueiredo, 2001). Para avalaiar a eficiência do processo de desinfecção, dois modelos analíticos são normalmente utilizados (Chick-Watson e Wilhelm e Wehner). O modelo de Chick-Watson (1908) foi um dos primeiros modelos para inativação de microrganismos através do uso de desinfetante. Através deste modelo é possível interpretar a ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 importância do tempo de contato e da concentração do desinfetante em um determinado processo da desinfecção (Equação 01). Ln (N/No) = - k. C n. t equação (01) Onde: N é o número de microrganismos presentes na amostra após o tempo de contato t; No é o número de microrganismos presentes na amostra em t = 0; C é a concentração do desinfetante; n é o coeficiente de diluição; k é uma constante empírica; k = k. C n é o coeficiente da cinética reacional de 1 o ordem; e t é o tempo de contato entre o desinfetante e os microrganismos. Apesar de amplamente utilizado, o modelo de Chick-Watson foi concebido para reatores do tipo batelada ou pistão ideal (dispersão longitudinal zero). Ou seja, teoricamente, o seu emprego para a grande maioria de unidades de desinfecção de fluxo contínuos não é apropriado. O modelo de Wehner e Wilhelm (1956) considera, além das variáveis citadas acima, o grau de mistura no interior da unidade (Equação 02), podendo, a priori, ser empregado para unidades de desinfecção em fluxo contínuo. N/No = 4a exp(1/2d) / [(1 + a) 2 exp(a/2d) (1- a) 2 exp(1/2d)] equação (02) Onde: a = (1 + 4 k T d) 1/2 ; d é o coeficiente adimensional de mistura; e T é o tempo teórico de detenção. A Equação (02) foi desenvolvida para unidades cujo fluxo tenda ao regime ideal, ou seja, escoamento do tipo pistão (pequenos valores de d). A partir de experimentos em modelos reduzidos, este estudo avalia a influência da vazão sobre as características hidrodinâmicas da UC e utilizando os modelos analíticos verifica a sua influência sobre o desempenho do processo de desinfecção. METODOLOGIA O reator que serviu como referência para este trabalho foi o modelo reduzido em escala 1:24 do tanque de contato utilizado na desinfecção de água com cloro da Estação de Tratamento de Água (ETA) da sede do município de Linhares / ES SAAE (Serviço Autônomo de Água e Esgoto). Uma representação esquemática do reator é mostrada na Figura 1. Figura 1 Unidade de contato utilizada para a avaliação da influência da Eficiência Hidráulica na Eficiência de desinfecção. Para observar os efeitos da vazão no comportamento hidrodinâmico da unidade, foram utilizadas diferentes vazões, partindo-se da vazão de projeto (0,074 l/s) e variando esse valor de 6 à 12% para mais e para menos. Foram também realizados experimentos baseados nas técnicas de traçagem. Com a ajuda dessa técnica, tornou-se possível verificar os efeitos da variação da vazão na eficiência hidráulica da UC. O traçador utilizado foi o cloreto de potássio (KCl). Figueiredo (2001) e Oliveira et al. (2005), fornecem maiores detalhes sobre a utilização desta técnica. A concentração de KCl injetada foi monitorada por um condutivímetro, cuja sonda foi posicionada na saída do reator. As informações obtidas foram processadas, fornecendo as curvas de passagem para cada vazão estudada, além dos indicadores necessários para avaliação da EH da unidade. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 A previsão do consumo de cloro foi feita para a E. coli e para Naegleria, para as diferentes vazões estudadas, de forma a promover uma ED de 99,99%. A utilização desses microorganismos possibilitou a avaliação dos seus comportamentos diferenciados em relação à ação desinfetante do cloro e, ainda, a influência da vazão na ED. Na simulação da ED, foram utilizados os modelos de Chick-Watson e de Wehner e Wilhelm, os modelos mais comuns de previsão da ED. A partir da concentração de cloro determinada pelo modelo de Chick para a E. coli (ED = 99,99%), simulouse a ED para essa dosagem, utilizando o modelo de Wehner e Wilhelm para as diferentes vazões estudadas. Esse procedimento buscou avaliar a influência dos modelos analíticos na previsão da ED. RESULTADOS E DISCUSSÃO A partir da análise dos indicadores de Eficiência Hidráulica (Figura 1), bem como da observação das curvas de passagem, verificou-se a baixa eficiência hidráulica da unidade, que em geral é caracterizada pela presença de curtos-circuitos, zonas mortas e mistura. 0,35 0,6 10 0,5 8 ti e t10 0,25 ti 0,15 t10 s2 e d 0,4 0,3 s2 d Mo Mo 0,05 0,06 0,07 0,08 0,2 0,06 0,07 0,08 0 (a) indicadores de curto-circuito (b) indicadores de mistura Figura 1 Influência da vazão na eficiência hidráulica de unidades de contato. As variações observadas nos indicadores de Eficência Hidráulica (EH) apresentados na Figura 1 encontram-se entre 2% e 21%. Por se tratar de uma faixa de valores muito pequena, essa variação se torna irrelevante à primeira vista. Porém, como será visto a seguir, pequenas variações na EH de UC podem resultar em Eficiências de Desinfecção (ED) consideravelmente diferentes. Os resultados obtidos para a vazão de 0,069 l/s merecem destaque. Os maiores valores de t i e t 10 foram encontrados para essa vazão (Figura 1a), o que sinaliza menores índices de curto-circuito. Além disso, para os indicadores de mistura (Figura 1b), a vazão apresentou os menores valores, indicando baixo grau de mistura quando comparado com as outras vazões estudadas. Isso pode significar que essa vazão representa uma vazão ótima para a UC em estudo. Em geral, para a faixa de vazão estudada, a variação da vazão implica em variação do coeficiente de mistura global e do tempo teórico de detenção, que influenciam na dosagem de cloro necessária para a inativação dos microrganismos. O comportamento da eficiência de desinfecção foi avaliado de acordo com o modelo de Wehner e Wilhelm, utilizando-se uma concentração de cloro igual a 0,17 mg/l, determinada pelo modelo de Chick-Watson, para a vazão de projeto da unidade de contato (0,074 l/s). Os resultados encontram-se resumidos na Tabela 1. Na Tabela 2 estão descritas as concentrações que, de acordo com o modelo de Wehner e Wilhelm, seriam suficientes para efetuar a desinfecção. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Tabela 1 ED estimada pelo modelo de Wehner e Wilhelm para E. coli, utilizando a dosagem de cloro prevista no modelo de Chick. d C (mg/l) ED (%) 0,065 0,322 99,81 0,069 0,306 99,80 0,074 0,363 0,17 99,60 0,078 0,382 99,47 0,083 0,422 99,21 Os resultados indicam que a concentração prevista de acordo com o modelo de Chick-Watson (0,17 mg/l) não efetuou eficientemente a desinfecção da água em nenhuma das vazões estudadas. Apesar de em termos percentuais, a diferença da eficiência de desinfecção entre as cinco vazões estudadas não ser significativa, em valores absolutos essa diferença representa risco à saúde pública. Tabela 2 - Previsão da dosagem de cloro para a inativação da E. coli (ED = 99,99%). d Wehner e Wilhelm Chick C (mg/l) C (mg/l) 0,065 0,322 0,45 0,14 0,069 0,306 0,46 0,15 0,074 0,363 0,61 0,17 0,078 0,382 0,69 0,18 0,083 0,422 0,84 0,19 De acordo com a Tabela 2, as dosagens de desinfetante variam proporcionalmente à vazão (modelo de Chick Watson), mas as diferenças entre as dosagens a serem aplicadas em função do aumento da vazão foram menores para as vazões de 0,065 l/s e 0,069 l/s, quando estimadas utilizando-se o modelo de Wehner e Wilhelm, pois para estas vazões a eficiência hidráulica da unidade foi maior. CONCLUSÕES A variação da vazão para a faixa estudada não resultou em grandes alterações nos indicadores de curtocircuito e mistura. Porém sensíveis mudanças na hidrodinâmica do reator, representadas pela variação do tempo de detenção e do coeficiente de mistura global, influenciaram significativamente a previsão de eficiência de desinfecção. Na previsão da eficiência de desinfecção, para a faixa de vazão estudada, a UC apresentou uma tendência de aumento da dosagem de cloro à medida que se aumenta a vazão. Porém, a vazão 0,069 l/s é a que apresentou a melhor eficiência. É importante observar que a concentração de cloro determinada por Chick-Watson para uma ED de 99,99%, quando aplicada ao modelo de Wehner e Wilhelm, resulta em ED bem inferiores, para todas as vazões estudadas. Portanto, pode-se inferir que o modelo de Chick-Watson sub-dimensiona as dosagens de desinfetante, tornando-se mais crítico à medida que se aumenta a vazão, reduzindo assim a eficiência de desinfecção da UC. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CHICK, H. (1908) Investigations of the laws of disinfection. Journal of Hygiene, Vol. 8, pp ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 2. FIGUEIREDO, I.C. Estudo da Influencia da Hidrodinâmica e da Resistência de Microrganismos no Consumo de Cloro para Desinfecção de Água. Dissertação de Mestrado. Departamento de Hidráulica e Saneamento - PMEA/UFES, FONSECA, I. R. Avaliação da influência da eficiência hidráulica no desempenho da desinfecção em tanques de contato de água com cloro utilizando como referência os grupos coliformes totais e fecais. Dissertação de Mestrado. Departamento de Hidráulica e Saneamento - PMEA/UFES, OLIVEIRA, D. S.; VALENTIM, E. C.; SIQUEIRA, R. N.; TEIXEIRA, E. C. Influência das variações de vazão na eficiência hidráulica de floculadores chicanados. 23 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Campo Grande/MS, TEIXEIRA, E.C. Hydrodynamic Processes and Hydraulic Efficiency of Chlorine Contact Units, Ph.D. Thesis, Department of Civil Engineering, University of Bradford, England, WATSON, H.E. (1908) A note on the variation of the rate of disinfection with change in the concentration of the disinfectant. Journal of Hygiene, Vol. 8, pp WEHNER, J. E WILHELM, R.H. (1956) Boundary conditions of flow reactor. Chemical Engineering Science, Vol. 6, pp ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5