DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE UM FOTORREATOR SIMPLIFICADO DE RADIAÇÃO UV PARA INATIVAÇÃO DE COLIFORMES E OVOS DE HELMINTOS EM ESGOTOS TRATADOS

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1 DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE UM FOTORREATOR SIMPLIFICADO DE RADIAÇÃO UV PARA INATIVAÇÃO DE COLIFORMES E OVOS DE HELMINTOS EM ESGOTOS TRATADOS João Carlos de Castro Silva* Engenheiro Civil e Sanitarista. Mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Universidade Federal de Minas Gerais. Carlos Augusto de Lemos Chernicharo Marcos von Sperling Carlota Virgínia Pereira Alves Adriana Molina Zerbini Valéria Martins Godinho Jacson Lauffer, Deparamento de Engenharia Sanitária e Ambiental: Avenida do Contorno, 842/701 CEP: Belo Horizonte Minas Gerais Brasil - Tel.: +55(31) Fax: +55(31) calemos@desa.ufmg.br RESUMO Esta pesquisa avaliou a aplicabilidade de dois fotorreatores simplificados de radiação ultravioleta, para a inativação de coliformes totais, Escherichia coli e ovos de Ascaris lumbricoides. O primeiro fotorreator, em escala piloto, com volume de 2,2 L e confeccionado com tubo de PVC diâmetro de 100 mm, foi equipado com uma lâmpada imersa, de baixa pressão de mercúrio, com potência de 15 W. O fotorreator foi testado para a desinfecção de efluentes de um filtro biológico percolador e de um reator UASB. Foram observadas elevadas eficiências médias de inativação de coliformes totais e de E. coli, na faixa entre 4 e 5 unidades logarítmicas, para doses variando entre 13,6 e 102,43 mw.s.cm -2. A exposição à radiação ultravioleta afetou, significativamente, o desenvolvimento dos ovos de Ascaris, sendo que os melhores resultados foram obtidos para doses entre 13,6 e 20,3 mw.s.cm -2, quando apenas cerca de 10% dos ovos completaram o desenvolvimento até a etapa de larva. O segundo fotorreator, em escala de demonstração, com volume de 20,7 L, confeccionado com tubo de PVC diâmetro de 200 mm, foi equipado com quatro lâmpadas imersas, de baixa pressão de mercúrio, com potência unitária de 30 W. O fotorreator foi testado para a desinfecção de efluentes de um reator UASB em escala real. Este operou em três fases operacionais, com tempos de detenção hidráulica de 50, 90 e 120 segundos, correspondentes a doses estimadas de 16,9, 30,4 e 40,6 mw.s.cm -2. Foram observadas elevadas eficiências médias de inativação de coliformes totais e de E. coli, na faixa entre 3 e 4 unidades logarítmicas. Os resultados obtidos têm demonstrado a aplicabilidade dos fotorreatores para a desinfecção de esgotos tratados, mesmo com a presença de sólidos em suspensão na faixa de 60 a 100 mg.l -1. Fotorreator, reator UASB, filtro biológico percolador, desinfecção, ultravioleta.

2 INTRODUÇÃO 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, conseqüência de reações fotoquímicas desencadeadas pela absorção da radiação pelas moléculas que constituem o DNA. Diferentemente dos métodos de desinfecção que utilizam produtos químicos, como, por exemplo, cloro, a radiação ultravioleta não adiciona produtos ao esgoto ou à água. Sendo assim, não há residual desinfetante (Chernicharo et al., 2001). Essa característica constitui uma das principais vantagens no caso da desinfecção de esgotos, pois reduz-se a potencialidade de formação de subprodutos que poderiam estar causando impacto negativo à biota do corpo d água receptor. Um problema real associado ao uso de fotorreatores no tratamento de esgotos é a baixa penetração de luz devido ao alto teor de material orgânico, o que acarreta um comprometimento da eficiência deste processo. Tal problema tem sido apontado como o mais forte argumento contra a implantação e uso da radiação ultravioleta no tratamento destes efluentes. Entretanto, o recente desenvolvimento de novas tecnologias, voltadas para o tratamento de esgotos, tem resultado em substancial diminuição de resíduos orgânicos contidos nos efluentes. No presente trabalho foi avaliada a aplicabilidade de dois fotorreatores simplificados de radiação ultravioleta, um em escala piloto e outro em escala de demonstração, para a inativação de coliformes totais, Escherichia coli e ovos de Ascaris lumbricoides. MATERIAL E MÉTODOS APARATO EXPERIMENTAL EM ESCALA PILOTO O fotorreator (FR) foi implantado a jusante de um sistema de tratamento anaeróbio/aeróbio de esgotos, composto de reator UASB e filtro biológico percolador (FBP), como mostra a Figura 1. Figura 1: Fluxograma do aparato experimental e vista geral do FR piloto O fotorreator utilizado consistiu de uma unidade tubular, construída com tubo PVC tipo esgoto, de diâmetro nominal 100 mm, com 45 cm de altura total. No eixo da tubulação foi adaptada uma lâmpada de vapor de mercúrio de baixa pressão, potência nominal de 15 W. O esgoto proveniente do sistema UASB/FBP ganhava a câmara de desinfecção pela parte inferior do reator e saía pela parte superior. Fases e condições operacionais A planta piloto foi avaliada durante doze fases operacionais, como mostra a Tabela 1. 2

3 Tabela 1: Fases e Condições Operacionais da Planta em Escala Piloto FR TAS - FBP Fase Doses θ h (s) (mw.s.cm -2 Tipo de efluente (m 3 /m 2.d) ) Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Nº. de testes ,4 Filtro Biológico 20, ,4 Filtro Biológico 30, ,7 Filtro Biológico 30, ,3 Filtro Biológico 30, ,5 Filtro Biológico 30, ,8 Filtro Biológico 30, ,5 Reator UASB ,3 Reator UASB ,6 Reator UASB ,8 Filtro Biológico 30, ,5 Filtro Biológico 30, ,3 Filtro Biológico 30,6 2 APARATO EXPERIMENTAL EM ESCALA DE DEMONSTRAÇÃO O FR foi implantado a jusante de um reator UASB em escala real pertencente ao sistema de tratamento de esgotos da cidade de Itabira (Brasil). O esgoto sanitário passa por um sistema de tratamento preliminar, composto de grade e caixa de areia, sendo bombeado para o reator UASB e, seqüencialmente, uma pequena alíquota do efluente deste reator é encaminhada por gravidade para o FR. A Figura 2 mostra o fluxograma do sistema. O fotorreator utilizado consiste de uma unidade tubular, construída com tubo PVC tipo esgoto, de diâmetro nominal 200 mm, com 90 cm de altura total. No interior da tubulação foram instaladas quatro lâmpadas de vapor de mercúrio de baixa pressão, potência unitária nominal de 30 W. O sistema de limpeza das lâmpadas é constituído de material esponjoso, que se movimenta junto às lâmpadas, com acionamento manual externo ao fotorreator, feito pelo operador da estação de tratamento, sem a necessidade de se retirar as lâmpadas do interior do FR. O esgoto proveniente do reator UASB é introduzido na câmara de desinfecção pela parte inferior do reator e sai pela parte superior. Figura 2: Fluxograma do aparato experimental e vista geral do FR em escala de demonstração Fases e condições operacionais A planta piloto foi avaliada durante três fases operacionais, como mostra a Tabela 2. 3

4 Tabela 2: Principais Características das Fases Operacionais da Planta em Escala de Demonstração Características operacionais do FR Velocidade ascencional Fase θ h (s) EP (habitantes) I M (mw.cm -2 ) Dose (I M x θ h ) (mw.s.cm -2 ) do reator UASB (m.h -1 ) ,338 16,9 0, ,338 30,4 0, ,338 40,6 0,53 θ h : tempo de detenção hidráulica (tempo de exposição) I M : intensidade média de radiação MONITORAMENTO As plantas foram monitoradas com a avaliação dos seguintes parâmetros físico-químicos e microbiológicos principais: temperatura, ph, sólidos suspensos totais, DQO, coliformes totais, Escherichia coli e ovos de Ascaris lumbricoides. Todas as análises foram realizadas de acordo com os procedimentos descritos no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20 a. ed. (AWWA/APHA/WEF, 1998), exceto ovos de helmintos. Estes foram analisados de acordo com a metodologia da incubação adaptada (Zerbini & Chernicharo, 2001). Para as análises de coliformes totais e Escherichia coli, foi empregada a técnica de substrato cromogênico (Colilert). Para o monitoramento de coliformes fecais e Escherichia coli na planta piloto, foram coletadas amostras do esgoto bruto e dos efluentes do reator UASB, do FBP e do FR, no período de 9:00 às 12:00 h, compondo uma amostra de 10 L. Foram realizadas dez coletas por cada fase operacional. eram coletados. Para avaliar a eficácia da radiação ultravioleta, em relação à viabilidade de ovos de Ascaris lumbricoides, foram realizados três experimentos, com a aplicação de diferentes doses de inativação, conforme apresentado na Tabela 1. RESULTADOS FOTORREATOR EM ESCALA PILOTO Inativação de Coliformes Totais e Escherichia coli Observaram-se excelentes eficiências médias de inativação, tanto para coliformes totais quanto para E. coli, ao longo de todas as fases operacionais. As eficiências médias de inativação ficaram sempre próximas, ou acima, de 4 unidades logarítmicas (99,99% de eficiência). Enfatizam-se os excelentes resultados obtidos durante a Fase 3, quando aproximadamente 40% dos resultados mostraram eficiências de inativação entre 5 e 6 unidades logarítmicas. Ressalta-se, ainda, a boa performance do FR durante a Fase 1, quando, apesar da baixa dose (13,6 mw.s/cm 2 ) e reduzido tempo de residência (40 s), foram obtidas eficiências muito elevadas de inativação de coliformes totais. Para essa fase, 60% dos resultados estiveram entre 4 e 5 unidades logarítmicas de inativação para teores de sólidos suspensos no efluente do reator UASB na faixa de 37 mg.l -1. 4

5 Tabela 3 - Estatística Básica dos Resultados de Escherichia coli para o FR em Escala Piloto Tipo Escherichia coli (NMP/100 ml) Eficiência de de SST Fase Desvio Valor Valor Nº. de Inativação Média (mg/l) Efluente Padrão Máximo Mínimo dados (%) Filtro Bilógico 3,1x10 7 2,2x10 7 1,3x10 8 5,2x Fotorreator 6,1x10 1 2,0x10 2 6,2x10 2 1,0x ,999 Filtro Bilógico 4,1x10 7 8,3x10 7 2,9x10 8 3,1x Fotorreator 1,0x10 3 4,3x10 3 1,4x10 4 x ,998 Filtro Bilógico x10 7 1,2x10 8 3,9x10 8 1,2x Fotorreator 9,5x10 1 2,5x10 2 6,6x10 2 1,0x ,999 Filtro Bilógico 6,8x10 7 1,2x10 8 2,9x10 8 8,1x Fotorreator 9,6x10 2 7,3x10 3 2,4x10 4 7,3x ,998 Filtro Bilógico 3,9x10 7 3,8x10 7 1,1x10 8 7,4x Fotorreator 1,6x10 3 2,5x10 3 7,5x10 3 5,2x ,996 Filtro Bilógico 1,4x10 7 2,1x10 7 6,4x10 7 3,8x Fotorreator 1,5x10 4 1,3x10 4 4,8x10 4 5,1x ,893 UASB 4,7x10 7 1,0x10 8 2,7x10 8 3,0x Fotorreator 1,0x10 3 7,9x10 3 2,4x10 4 1,0x ,998 UASB 6,4x10 7 5,4x10 7 1,7x10 8 1,7x Fotorreator 1,8x10 3 1,4x10 4 3,9x10 4 1,0x ,997 UASB 7,3x10 7 4,6x10 8 1,5x10 9 1,2x Fotorreator 5,4x10 3 9,6x10 3 2,6x10 4 1,2x ,993 6,0 6,0 Eficiência de inativação de c o lif o rme s tota is (log) 3,0 2,0 1,0 0, Fases operacionais Eficiência de inativação de Escherichia coli (log) 3,0 2,0 1,0 0, Fases operacionais Figura 3: Eficiências de inativação de coliformes totais no FR em escala piloto Figura 4: Eficiências de inativação de Escherichia coli no FR em escala piloto Inativação de Ovos de Ascaris lumbricoides Observou-se que a exposição à radiação ultravioleta afetou, significativamente, o desenvolvimento dos ovos de Ascaris, mesmo quando estes foram expostos à radiação durante apenas 20 segundos (dose de 6,7 mw.s.cm -2 ), quando cerca de 45% dos ovos permaneceram no estágio de uma célula e aproximadamente 17% atingiram o estágio de larva (ovo viável). Os resultados mais surpreendentes, no entanto, foram obtidos para os tempos de exposição de 40 e 60 segundos (doses de 13,6 e 20,3 mw.s.cm -2, respectivamente), quando aproximadamente 65% dos ovos permaneceram no estágio de célula única e apenas cerca de 10% dos ovos completaram o seu desenvolvimento e conseguiram atingir o estágio de 5

6 larva. Contrariamente, apenas cerca de 3% dos ovos não expostos à radiação ultravioleta (controle e caixa de alimentação) permaneceram no estágio de uma célula, sendo que mais de 80% dos ovos do controle foram capazes de completar o seu desenvolvimento até atingir o estágio de larva. Para a caixa de alimentação, o percentual de ovos que atingiram o estágio de larva foi superior a 50%. Os ovos de Ascaris que conseguiram se desenvolver, após exposição à radiação UV, foram, provavelmente, protegidos da radiação direta, por estarem aderidos aos sólidos suspensos, ou o fizeram devido à resistência natural inerente ao próprio organismo. Após estas exposições à radiação UV, alguns poucos ovos mostraram evidência de dano, como explosão do material celular interno e estrago da membrana externa dos ovos. Outros resultados que chamam a atenção e merecem ser comentados dizem respeito aos ovos expostos à radiação UV que permaneceram no estágio de mórula tardia. Para todos os três experimentos, os percentuais de ovos neste estágio foram bastante superiores aos percentuais de ovos que permaneceram nos estágios de mórula precoce e de gástrula, ou mesmo que completaram o seu desenvolvimento até atingir o estágio de larva. Isso indica que foi possível o desenvolvimento parcial de uma parcela dos ovos, que são considerados ovos viáveis inativos, onde as células no interior desses ovos possuem a capacidade de proliferar, mas perderam a sua capacidade de se diferenciar. Entretanto, poucos trabalhos têm sido realizados para se avaliar o efeito da radiação UV sobre o desenvolvimento e a viabilidade de ovos de Ascaris lumbricoides em esgotos tratados, que permitam comparar com os resultados obtidos no presente estudo. Percentual de ovos viáveis (%) Teste 1 Teste 2 Teste 3 Média 86,1 54,7 17,0 10,3 9,1 Controle Caixa 20" 40" 60" Figura 5: Percentagem de viabilidade dos ovos de Ascaris, após 28 dias de incubação (no controle, na caixa de alimentação e no efluente do FR, após 20, 40 e 60 s de exposição à radiação UV) FOTORREATOR EM ESCALA DE DEMONSTRAÇÃO Com relação aos resultados obtidos para o efluente do fotorreator em escala de demonstração, observaram-se excelentes eficiências médias de inativação, tanto para coliformes totais quanto para E. coli, ao longo das três fases operacionais, conforme demonstram os resultados apresentados na Tabela 4 e nas Figuras 6 e 7. As eficiências médias de inativação ficaram sempre entre 3 e 4 unidades logarítmicas (99,9% a 99,99% de eficiência), demonstrando a elevada capacidade de desinfecção do FR. Ressalta-se que estas elevadas eficiências de inativação foram obtidas para doses variando entre 16,9 e 40,6 mw.s.cm -2 e teores médios de sólidos suspensos no efluente do reator UASB igual a 98 mgss.l -1. Deve-se destacar, no entanto, que estas foram eficiências médias de inativação. Considerando-se as características específicas do esgoto tratado na estação de tratamento, em termos de variação de vazão, concentração de sólidos suspensos, concentração inicial de coliformes e absorbância de radiação UV, observou-se que embora a concentração média de E. coli tenha sido, na Fase 2, NMP/100 ml (limite máximo admitido para corpos d água de classe 2, de 6

7 acordo com a legislação brasileira), boa parte dos resultados apresentaram valores superiores a esse, o que demandou uma terceira fase com uma dose de radiação UV um pouco mais elevada para diminuir ainda mais essa concentração. Merecem destaque os excelentes resultados obtidos para a desinfecção do efluente do reator UASB, durante a Fase 2 da pesquisa, quando foram observadas eficiências médias de inativação acima de 4 unidades logarítmicas (99,99%). Estes resultados foram obtidos para dose de 30,4 mw.s.cm -2 e teores médios de sólidos suspensos, no afluente ao fotorreator, de 93 mgss.l -1. Tabela 4 - Estatística Básica dos Resultados de Escherichia coli para o FR em Escala de Demonstração Tipo Escherichia coli (NMP/100 ml) Eficiência de SST Fase de Desvio Valor Valor Nº. de Inativação Média (mg/l) Efluente Padrão Máximo Mínimo dados (%) UASB 3,3x10 7 2,8x10 7 9,9x10 7 9,6x Fotorreator 8,4x10 3 1,9x10 4 5,2x10 4 2,0x ,975 UASB 1,6x10 7 1,1x10 8 3,7x10 8 1,2x Fotorreator 1,0x10 3 5,7x10 3 1,9x10 4 6,3x ,994 UASB 1,5x10 7 9,1x10 7 3,4x10 8 6,3x Fotorreator 1,2x10 3 5,4x10 3 1,7x10 4 1,0x ,992 Eficiência de inativação de coliformes totais (log) 6,0 3,0 2,0 1,0 0, Fases operacionais Figura 6: Eficiências de inativação de coliformes totais no FR em escala de demonstração Eficiência de inativação de Escherichia coli (log) 6,0 3,0 2,0 1,0 0, Fases operacionais Figura 7: Eficiências de inativação de Escherichia coli no FR em escala de demonstração Através das Figuras 8 e 9, observam-se melhores eficiências de inativação de E. coli para o fotorreator em escala piloto na desinfecção dos efluentes dos reatores UASB. Verifica-se, dessa forma, a influência dos sólidos em suspensão presentes no afluente ao FR, no desempenho desses. Os valores médios da concentração de sólidos suspensos no FR em escala piloto estiveram entre 37 e 67 mg.l -1, enquanto que para o FR em escala de demonstração os valores variaram entre 93 e 101 mg.l -1. Na Fase 3 do FR em escala de demonstração, quando foi aplicada uma maior dose de radiação, verificou-se uma ligeira diminuição na eficiência de inativação de E. coli em relação à Fase 2, ao contrário do esperado. Isso se deveu a uma maior concentração de sólidos suspensos no afluente ao FR, igual a 101 mg.l -1, enquanto que na Fase 2 a concentração foi de 93 mg.l -1. 7

8 Ef iciência de inativação de E. coli (log) 4,5 3,5 y = 0,4637Ln(x) + 3,0137 R 2 = 0, Doses (mw.s.cm -2 ) Figura 8: Eficiências de inativação de Escherichia coli no FR em escala piloto Eficiência de inativação de E. coli (log) 4,5 3,5 y = 0,6375Ln(x) + 1,8433 R 2 = 0, Doses (mw.s.cm -2 ) Figura 9: Eficiências de inativação de Escherichia coli no FR em escala de demonstração CONCLUSÕES Foram obtidas elevadas eficiências de inativação de coliformes totais e de E. coli para todas as fases de operação do fotorreator, tanto em escala de demonstração quanto em escala piloto. Em escala piloto, para doses de radiação variando entre 13,6 e 40,6 mw.s.cm -2, foram observadas eficiências médias de inativação de coliformes totais variando entre 4 e 5 unidades logarítmicas. Para a inativação de E. coli, as eficiências médias foram ainda superiores, algumas vezes aproximando-se de 6 unidades logarítmicas. No FR em escala de demonstração, foram observadas eficiências médias de inativação de coliformes totais variando entre 3,2 e 3,7 unidades logarítmicas. Para a inativação de E. coli, as eficiências foram mais elevadas, apresentando valores entre 3,6 e 4,2, para doses de radiação variando entre 16,9 e 40,6 mw.s.cm -2. Verificou-se nas três etapas, a influência dos sólidos suspensos na eficiência de inativação de coliformes totais e E. coli. A exposição à radiação UV afetou, significativamente, o desenvolvimento dos ovos de Ascaris, sendo que os melhores resultados foram obtidos para tempos de exposição entre de 40 e 60 segundos (doses de 13,6 e 20,3 mw.s.cm -2, respectivamente), quando aproximadamente 65% dos ovos permaneceram no estágio de célula única e apenas cerca de 10% dos ovos completaram o seu desenvolvimento e conseguiram atingir o estágio de larva. Os estudos mostraram a aplicabilidade da radiação ultravioleta para a desinfecção de efluentes de reatores UASB, mesmo com a presença de sólidos em suspensão na faixa de 60 a 100 mg.l -1. A relevância do estudo repousa na aplicação de reatores UASB no tratamento de esgotos sem a necessidade de outros processos além da desinfecção com UV, ampliando o espectro de aplicação dessas unidades. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FINEP, ao CNPq e à FAPEMIG pelo financiamento da pesquisa e ao SAAE de Itabira/MG pelo apoio na realização dos trabalhos. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS AWWA/APHA/WEF (1998). Standard methods for the examination of water and wastewater. 20 th edition. Washington. Chernicharo, C.A.L (coordenador) (2001). Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. FINEP/PROSAB. 544 p. Zerbini, A.M., Chernicharo, C.A.L. (2001). Metodologias para quantificação e análise de viabilidade de ovos de helmintos em esgotos brutos e tratados. In: C.A.L. Chernicharo (coord.), Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios, Aspectos Metodológicos, p Projeto PROSAB, FINEP. Belo Horizonte,