SIGNIFICÂNCIA DA CONFIGURAÇÃO DA DOSAGEM DE OZÔNIO E DA REMOÇÃO DE CARBONO ORGÂNICO TOTAL EM SISTEMAS DE OZONIZAÇÃO POR CONTATO

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1 SIGNIFICÂNCIA DA CONFIGURAÇÃO DA DOSAGEM DE OZÔNIO E DA REMOÇÃO DE CARBONO ORGÂNICO TOTAL EM SISTEMAS DE OZONIZAÇÃO POR CONTATO Frederico de Almeida Lage Filho (1) Professor Visitante do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Ph.D. em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade da Califórnia, Berkeley. Sidney Seckler Ferreira Filho Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP. Professor Assistente Doutor do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em Regime de Dedicação Integral à Docência e Pesquisa. FOTOGRAFIA NÃO DISPONÍVEL Endereço (1) : Av. Professor Almeida Prado, Prédio de Engenharia Civil. Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária - Cidade Universitária - São Paulo - SP - CEP: Brasil - Tel: (011) mailto:ssffilho@usp.br RESUMO Perfis de concentrações de ozônio residual na fase líquida em 4 colunas de um ozonizador de contato foram obtidos para água bruta e decantada proveniente da Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (ETA-ABV). Os residuais de ozônio obtidos para água decantada foram muito maiores que aqueles obtidos com água bruta, uma vez que a água decantada possui concentração de carbono orgânico total menor do que a água bruta. O consumo de ozônio na água decantada, representado pelo decaimento temporal de ozônio mais a demanda imediata de ozônio exercida pela água decantada, foi significantemente menor do que o consumo de ozônio na água bruta. Para os mesmos valores de dose total de ozônio aplicada, diferentes configurações da dose total originaram diferentes residuais de ozônio. Pode-se, portanto, otimizar a aplicação de uma determinada dose total em termos da configuração ótima, devendo esta ser obtida experimentalmente. PALAVRAS-CHAVE: Ozonização, Tratamento de Água, Dosagem, Configuração, Demanda de Ozônio. INTRODUÇÃO A utilização do ozônio como agente oxidante e desinfetante, embora empregado em grande escala em alguns países da Europa Ocidental (França, Alemanha, Suiça, etc...), Europa Oriental (Rússia, Hungria, etc...) e mais recentemente redescoberto pelos norteamericanos, a sua aplicação no Brasil tem sido limitada no tratamento de determinadas 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1049

2 categorias de efluentes industriais e processos de tratamento de água visando aplicações específicas em processos industriais, não tendo sido reportado nenhuma aplicação direta no tratamento de águas de abastecimento. Para que a aplicação do ozônio na Engenharia Sanitária e Ambiental possa ocorrer de forma econômica e segura, a sua viabilidade técnica tem que ser investigada através de ensaios em escala de laboratório e piloto, uma vez que o sucesso de sua aplicação é função da qualidade da água a ser ozonizada, da configuração do sistema de aplicação de ozônio, da dosagem aplicada, entre outros fatores. OBJETIVO O objetivo deste trabalho foi discutir os resultados de residuais de ozônio obtidos na água bruta e decantada da estação de tratamento de água do Alto da Boa Vista (ETA-ABV), operada pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP), bem como mostrar a importância de uma configuração adequada da dosagem total de ozônio e da importância da maximização da remoção de carbono orgânico total (COT) no desempenho técnico-econômico de um sistema de ozonização. MATERIAIS E MÉTODOS A água bruta e decantada utilizada na investigação experimental é proveniente da estação de tratamento de água pertencente ao Sistema Produtor do Guarapiranga (Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista - ETA-ABV), operada pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP), e está localizada na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). A capacidade do sistema produtor é de 14,0 m 3 /s e abastece cerca de 40 % da população da RMSP. A principal justificativa para o estudo do processo de ozonização na água bruta e decantada da ETA-ABV advem do fato do manancial (Reservatório do Guarapiranga) apresentar elevado grau de eutrofização, decorrente da introdução em condições não controladas de grandes quantidades de esgotos predominantemente domésticos, oriundos de sua bacia hidrográfica. Tal consequência tem causado na água bruta problemas sazonais de odor e sabor extremamente sérios, cujo tratamento convencional não tem tido a capacidade de resolver. Foi utilizada uma ETA-piloto montada nas dependências da Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista, da Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP). A ETA-piloto em questão possibilita tratamento convencional (sequência básica: coagulação - floculação - decantação - filtração), acrescido de uma unidade de ozonização, formada por um ozonizador de contato composto por quatro colunas em série. A Figura 1 é uma representação esquemática do sistema, o qual possui flexibilidade operacional para ser usado em pré-oxidação, inter-oxidação e pós-oxidação. Nesses casos a água a ser ozonizada é água bruta do Sistema Guarapiranga (com ou sem pré-cloração), água decantada e água filtrada, respectivamente (SABESP, (1998)). 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1050

3 As vazões líquidas no sistema estiveram na faixa 13,6-16,5 L/min durante os ensaios de ozonização de água bruta, correspondendo a tempos de contato na faixa 4,1-3,4 minutos em cada coluna. As vazões por coluna foram: 16,5 (coluna 1), 15,6 (coluna 2), 14,6 (coluna 3) e 13,6 L/min (coluna 4). No caso dos ensaios de ozonização com água decantada, as vazões de operação estiveram na faixa 13,1-14,8 L/min. As vazões por coluna foram 14,8 (coluna 1), 14,2 (coluna 2), 13,6 (coluna 3) e 13,1 L/min (coluna 4). A ozonização da água bruta (denominada pré-ozonização ), além de proporcionar uma desinfecção prévia, atua como auxiliar de coagulação, com conseqüentes economias de produtos químicos nas operações de coagulação-floculação (WEST et al. (1994); LAGE FILHO (1997)). A ozonização de uma água decantada (denominada inter-ozonização ), visa principalmente aumentar a eficiência da chamada filtração biológica. O chamado tratamento biológico da água possui eficácia garantida pelo aprimoramento da adsorção e degradação de compostos orgânicos por uma flora microbiana alojada em meios filtrantes do tipo carvão ativado granular (RITTMANN (1996)). O método utilizado na determinação das concentrações de ozônio na água bruta e decantada foi o método Indigo (STANDARD METHODS (1992)). Ampolas contendo reagente indigo (HACH Corporation, USA) foram usadas; a água ozonizada amostrada entra nas mesmas por capilaridade. A mesma água, sem ozonização, foi amostrada em uma ampola denominada branco. Um espectrofotômetro DR 2100 (Hach Corporation, USA) foi utilizado na leitura das ampolas, sendo a ampola com água ozonizada usada para zerar o aparelho e o branco usado na leitura da concentração de ozônio dissolvido na água, conforme o método Indigo. As amostras de água ozonizada foram coletadas a partir de torneiras de amostragem acopladas às colunas do ozonizador (total de 16, com 4 por coluna e igualmente espaçadas entre si). As doses totais aplicadas de ozônio na água bruta foram de 4,0 e 3,0 mg/l e na água decantada de 2,0, 1,0, 0,5 e 0,25 mg/l 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1051

4 Figura 1 - Representação esquemática do sistema de ozonização por contato utilizado na investigação experimental. Unidade Destruidora de Ozônio Col. 4 Col. 3 Col. 2 Col. 1 Para a Coagulação/ Filtração Linha de Água Bruta Bomba Bomba Bomba Bomba Controle de Alimentação Monitor de Gás (Afluente e Efluente) Gerador de Ozônio Unidade Separadora de O 2 do Ar Alarme Compressor de Ar 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1052

5 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS A Tabela 1 apresenta as principais características da água bruta do Sistema Guarapiranga e da água decantada da ETA-piloto, utilizadas em todos os ensaios. Tabela 1 - Dados de Qualidade da Água Bruta e da Água Decantada. Característica Unidade valores, água bruta água decantada turbidez UNT 2,2-2,3 0,6-0,7 cor aparente un Pt-Co cor real un Pt-Co 15 0 alcalinidade mg CaCO 3 /L cloro livre residual mg/l 0,1 - demanda de cloro mg/l 3,1 2,5 de 30 min (*) Fe total mg Fe/ L 0,12 0,42 Fe solúvel mg Fe/ L 0,05 0,01 Mn total mg Mn/ L 0,07 0,05 COT mg/l 3,7 2,5 Temperatura o C ph - 6,9 7,1 (*) Dose inicial: 4.0 mg/l. A Tabela 2 apresenta os valores de concentrações de ozônio residual na fase líquida que foram obtidos para cada configuração de dosagem testada. A Tabela 3 apresenta as configurações e respectivos valores do produto CxT total, que é parâmetro fundamental de projeto e avaliação da capacidade de desinfecção proporcionada por qualquer sistema de desinfecção. Para cada configuração de dosagem, os valores de concentração na fase líquida (C) em cada ponto de amostragem na coluna (torneira) foram representados gráficamente versus o respectivo tempo de contato (T) acumulado. Os valores do produto CxT total foram então obtidos pelo cálculo da área sob cada curva C versus T. Ozonização da água bruta: as doses totais aplicadas de ozônio na fase líquida foram de 4,0 e 3,0 mg/l. Três configurações para 3,0 mg/l foram testadas na obtenção de perfis de ozônio residual nas colunas do ozonizador. Das configurações de 3,0 mg/l testadas para água bruta, a Tabela 3 mostra que a configuração 1 foi a que originou o maior valor de CxT total, bem acima das outras. A aplicação de 2/3 da dose total na coluna 2 e 1/3 na coluna 1 do ozonizador proporcionou um CxT total quase 50% maior do que a aplicação inversa (2/3 na coluna 1 e 1/3 do total na coluna 2). Ozonização da água decantada: as doses totais aplicadas de ozônio na fase líquida foram de 2,0, 1,0, 0,5 e 0,25 mg/l. Duas configurações para 1,0 mg/l foram testadas. A aplicação da dose total de 1,0 mg/l na coluna 1 do ozonizador levou a um valor de CxT total cerca de 50% maior do que o obtido quando a mesma dose foi dividida igualmente entre as colunas 1 e 2 do ozonizador, conforme mostrado na Tabela o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1053

6 Tabela 2 - Concentrações de Ozônio Residual na Fase Líquida Para Cada Configuração de Dosagem - Ozonização de Água Bruta e Decantada. T. contato acum. (min) Posição (col.; torneira) Config. (3): (1;1;1;0) Config. (4): (2;1;1;0) Config. (1): (2;1;0;0) 0,68 1; ,36 1; ,04 1; ,72 1; 4 0,01 0,24 0,24 0 4,11 2; 1 0,01 0,04 0,06 0 4,82 2; 2 0 0,02 0,03 0,01 5,53 2; 3 0,05 0,05 0,05 0,15 6,24 2; 4 0,12 0,15 0,24 0,48 7,71 3; 1 0,02 0,08 0,13 0,23 8,43 3; 2 0,03 0,10 0,03 0,17 9,23 3; 3 0,07 0,12 0,02 0,13 9,99 3; 4 0,17 0,22 0 0,05 11,57 4; 1 0,14 0, ,39 4; 2 0,08 0, ,21 4; 3 0,05 0, ,03 4; 4 0,02 0, , T. contato acum. (min) Config. (2): (1;2;0;0) Posição (col.; torneira) Config. (5): (1;1;0;0) Config. (6): (1;0;0;0) Config. (7): (0,5;0,5;0;0) Config. (8): (0,5;0;0;0) 0,75 1; ,60 1; 2 0,01 0, ,35 1; 3 0,14 0,14 0, ,02 1; 4 0,37 0,46 0,18 0,15 0,04 4,55 2; 1 0,41 0,38 0,2 0,15 0,05 5,33 2; 2 0,39 0,35 0,16 0,13 0,02 6,11 2; 3 0,52 0,31 0,235 0,12 0,01 6,89 2; 4 0,75 0,28 0,31 0,11 0 8,51 3; 1 0,67 0,20 0,39 0,10 0 9,32 3; 2 0,64 0,18 0,36 0, ,14 3; 3 0,61 0,16 0,33 0, ,95 3; 4 0,59 0,15 0,29 0, ,62 4; 1 0,45 0,13 0,23 0, ,47 4; 2 0,42 0,12 0,20 0, ,32 4; 3 0,39 0,11 0,17 0, ,17 4; 4 0,35 0,10 0, , Config. (9): (0,25;0;0;0) 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1054

7 Tabela 3 - Configurações de Dosagem no Ozonizador e Valores de CxT total. Água bruta Dosagem (mg/l) Configuração Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Coluna 4 CxT tot (mg.min/l) 1 2,0 1, ,81 2 1,0 2, ,18 3 1,0 1,0 1,0 0 0,78 4 2,0 1,0 1,0 0 1,47 Ág. decantada Dosagem (mg/l) Configuração Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Coluna 4 CxT tot (mg.min/l) 5 1,0 1, ,25 6 1, ,42 7 0,5 0, ,01 8 0, ,93 9 0, ,12 Analisando-se os resultados de CxT apresentados na Tabela 3, pode-se observar que menores dosagens de ozônio aplicada na água decantada proporcionaram valores de CxT substancialmente maiores do que quando comparado com os obtidos nos ensaios de ozonização da água bruta. Para uma dosagem de ozônio aplicado na água decantada de 0,5 mg/l obteve-se um valor de CxT igual a 0,93 mg.min/l, um valor de CxT da mesma ordem de grandeza obtida para a água bruta ozonizada com uma dosagem aplicada igual a 3,0 mg/l. A conseqüência deste comportamento da água bruta e decantada da ETA-ABV é de significativa importância quando da concepção e projeto de sistemas de ozonização. Devido ao alto custo financeiro envolvido na sua construção e operação, quanto menor for a dosagem aplicada, menores serão os seus custos de implantação. Evidentemente, nem sempre é possível a adoção da inter-ozonização quando a ETA já está construída e operando, seja por problemas de área requerida, como também por problemas de ordem hidráulica. Neste caso, apenas uma avaliação técnica e econômica poderá definir qual é a melhor alternativa, a pré-ozonização ou inter-ozonização. A explicação mais plausível para o diferente comportamento da água bruta e decantada quando submetido ao processo de ozonização está, provavelmente, na diferença entre as suas concentrações de carbono orgânico total (COT). A água bruta e decantada proveniente da ETA-ABV apresentam concentrações médias de COT da ordem de 4,0 mg/l e 2,2 mg/l, respectivamente. A remoção de COT no processo de tratamento ocorre na operação unitária de coagulação, sendo esta efetuada no mecanismo de varredura, tendo o cloreto férrico como agente coagulante. Uma vez que a água decantada apresenta uma concentração menor de COT do que a água bruta, o ozônio passa a ser consumido mais lentamente na água decantada do que na água bruta, o que faz com que os residuais de ozônio sejam maiores e mais estáveis nos reatores de contato da água decantada. Além disso, deve-se levar em consideração o fato de que a parcela do COT removido durante o processo de coagulação, em muitos casos, 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1055

8 pode ser a mais reativa e prontamente consumida pelo ozônio. Deste modo, os compostos orgânicos naturais restantes não removidos durante o processo de coagulação, ao apresentarem velocidades de reação menores com o ozônio, passam a garantir concentrações maiores e mais estáveis de ozônio na fase líquida. Para uma melhor visualização dos perfis de concentração de ozônio obtidos nos ensaios experimentais, as Figuras 2 e 3 apresentam os perfis de concentrações de ozônio residual para as configurações de dosagem das águas bruta e decantada, respectivamente. Figura 2 - Perfis de concentração de ozônio na fase líquida para diferentes configurações de dosagem de ozônio aplicado na água bruta em função do tempo de contato. [O3](aq), mg/l 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Configuração de dosagem (1;1;1;0) (2;1;1;0) (2;1;0;0) (1;2;0;0) 0, Tempo de contato acumulado (minutos) Em função dos resultados experimentais obtidos, postula-se que há muito menos matéria orgânica oxidável na coluna 2 do que na coluna 1 do ozonizador. A demanda total de ozônio na coluna 2 deve ser bem menor do que na coluna 1. No caso da pré-ozonização (água bruta), e comparando as configurações de dosagem 1 e 2, a aplicação da maior fração da dose total na coluna 1 significou um maior tempo de contato no sistema para essa fração do que se esta fosse aplicada na coluna 2. No entanto, a demanda de ozônio exercida na coluna 1 grandemente superou esse acréscimo no produto CxT proporcionado pelo maior tempo de contato associado à maior fração da dose total. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1056

9 Figura 3 - Perfis de concentração de ozônio na fase líquida para diferentes configurações de dosagem de ozônio aplicado na água decantada em função do tempo de contato. 0,8 [O3](aq), mg/l 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tempo de contato acumulado (minutos) j Configuração de dosagem (1;1;0;0) (1;0;0;0) (0.5;0.5;0;0) (0.5;0;0;0) (0.25;0;0;0) Os valores médios de concentração de ozônio nas colunas 1, 2, 3 e 4 do ozonizador foram obtidos por integração numérica dos diagramas (C) versus (T) (Figuras 2 e 3), para as configurações 1 e 2. A Tabela 4 apresenta os valores experimentais obtidos. Tabela 4 - Valores Médios de Concentração de Ozônio, em mg/l, por Coluna do Ozonizador - Ozonização de Água Bruta. Configuração: Coluna 1 (ativa) Coluna 2 (ativa) Coluna 3 (reativa) Coluna 4 (reativa) Média Cols.1 e 2 1 (2,1,0,0) 0,086 0,122 0, ,104 2 (1,2,0,0) 0 0,226 0, ,113 Existe uma incerteza associada às determinações das concentrações de ozônio na fase líquida, devido à volatilização do ozônio no sistema gas-líquido e às dificuldades inerentes da amostragem de água ozonizada com as ampolas de reagente. Desvios-padrão na faixa de 10 a 20 % dos valores de concentração de ozônio são muito comuns (WEST et al. (1994)). Nestes termos, pode-se dizer que não houve diferença significativa entre os valores médios de concentração obtidos para o par de colunas ativas 1 e 2 (onde as dosagens foram aplicadas) nas configurações 1 e 2 (respectivamente 0,104 e 0,113 mg/l). Uma vez que os tempos de contato por coluna foram sempre os mesmos para todas as configurações testadas, assim como as vazões por coluna, o que realmente pesou na obtenção de um produto CxT total para a configuração 2 cerca de 50% maior que o valor obtido para a configuração 1 foi o perfil de concentrações na coluna 3, representado pelos valores médios de concentrações. A coluna 3 foi uma coluna reativa, sem dose aplicada e 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1057

10 somente recebendo o residual de ozônio da coluna 2. Portanto, é fundamental a maximização desse residual vinda das colunas ativas. Os resultados experimentais obtidos permitem concluir que a primeira coluna ativa do sistema deve receber uma fração da dosagem total de ozônio a ser aplicada de tal modo a satisfazer a demanda total imediata da água daquela coluna e ao mesmo tempo ser a menor fração possível; a fração restante da dosagem total de ser então aplicada racionalmente nas colunas seguintes, onde a demanda total imediata de ozônio deve ser muito menor que na primeira coluna. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES FINAIS A inter-ozonização pode ser conduzida de modo eficaz com doses aplicadas muito menores que aquelas necessárias à pré-ozonização. A remoção de COT durante o processo de coagulação-floculação trouxe benefícios significativos ao processo de ozonização da água decantada, permitindo muito maiores valores de CxT do que quando comparado com a água bruta para uma mesma dosagem de ozônio aplicada. A aplicação de uma determinada dose total de ozônio pode ser otimizada, tanto para a pré-ozonização como para a inter-ozonização de uma água. A otimização, em termos da obtenção da configuração ótima, deve ser obtida experimentalmente. Os resultados obtidos experimentalmente indicam que a fração da dose total de ozônio a ser aplicada na primeira coluna ativa de um sistema de ozonização por contato deve estar acima da demanda total imediata da água afluente mas ao mesmo tempo ser a menor possível, de modo a maximizar a fração complementar de tal dose total, a ser aplicada em colunas subsequentes. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. LAGE FILHO, F. A. - Investigação da Tratabilidade de Águas Reservadas Eutróficas, com Proliferação Significativa de Algas. Trabalho de Pós-Doutorado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo / Bolsa de Pós-Doutorado FAPESP (1997). 2. LAGE FILHO, F. A., FERREIRA FILHO, S. S. E EIGER, S. - Modelagem Matemática de Sistemas de Ozonização de Contato. Parte II: Exemplos de Aplicação. Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, volume 3, n o 1 e n o 2, pp (1998). 3. RITTMANN, B. E. - Back to Bacteria: a More Natural Filtration. Civil Engineering, volume 66, número 7, pp (1996). 4. SABESP / Dept. de Produção Sul, Div. de Produção Sul, ETA-ABV - Desenvolvimento Tecnológico para Implementação de Processos de Tratamento de Água Destinados à Remoção de Gosto e Odor. Relatório Técnico Preliminar (1998). 5. STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND WASTEWATER. APHA/AWWA/WPCF, 18 a edição (1992). 6. WEST, T. E. E LAGE FILHO, F. A. - Hetch-Hetchy Source: Treatability Report. Relatório Técnico Final, Consórcio Camp, Dresser & McKee/Lee Engineering Enterprises/F. Jordan Engineering (1994). 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1058