VELOCIMETRIA A LASER POR PROCESSAMENTO DE IMAGEM EM COLUNA DE OZONIZAÇÃO NA OXIDAÇÃO DE EFLUENTE DOMICILIAR.

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1 1 VELOCIMETRIA A LASER POR PROCESSAMENTO DE IMAGEM EM COLUNA DE OZONIZAÇÃO NA OXIDAÇÃO DE EFLUENTE DOMICILIAR. Marcio Ricardo Salla 1 ; Leonardo Vieira Soares 2 ; Luiz Antonio Daniel 3 & Harry Edmar Schulz 4 RESUMO --- O presente texto considera o problema de ozonização de esgoto, buscando aprofundar o conhecimento nos aspectos dúbios anteriormente levantados em pesquisas conduzidas no Departamento de Hidraúlica e Saneamento da EESC/USP. O trabalho aqui proposto tem cunho experimental e foi desenvolvido em laboratório. Descreveu-se a contribuição da velocidade ascensional das bolhas de ozônio em uma coluna de ozonização em um processo complexo, englobando oxidação, desinfecção e transferência de massa gás-líquido. O estudo do efeito hidrodinâmico da velocidade ascensional das bolhas de ozônio foi conduzido variando parâmetros de controle como pressão, vazão de gás no difusor e nível de líquido dentro da coluna de ozonização. O princípio de funcionamento do equipamento Laser para velocimetria não-intrusiva, usado neste trabalho, consta de um feixe de luz laser que ilumina partículas contidas no escomento dentro do campo bi-dimensional do feixe. As bolhas ascensionais iluminadas foram registradas através de uma câmera CCD. As imagens instantâneas registradas pela câmera CCD foram processadas em um programa computacional, objetivando determinar os campos de velocidades instantâneos. Os resultados são de boa qualidade, permitindo estudar a hidrodinâmica deste tipo de equipamento. ABSTRACT --- This text consider the problem of efluent ozonizated, searching to make a profound study of the aspects debated prior in research in Department of the Hidraulic and basic sanitation - EESC/USP. The work have experimental purpose and was made in laboratory. The contribution of the velocity range of the ozone bubbles in a ozonation column into a complex process, such as oxidation, desinfection and gas-fluid mass transfer, were described. The study of the hydrodinamic effect of velocity range of the ozone bubbles was made through variation of control parameters such as ozone pressure, ozone flow in the difuser and the level of fluid into of the ozonation column. The laser equipment for non-intrusive velocimetry, used in this study, is a bundle of light laser whom illuminate particles into flowing in double-dimensional field of the bundle. The illuminate bubbles range were registered through of the CCD camera. The instantaneous image registered by CCD camera were proceeded in a computational program, purposing to determine instantaneous velocity fields. Results are quality very good, permitting to study the hydrodinamic for this equipment type. Palavras-chave: Velocimetria a laser, transferência de massa gás-líquido, ozonização. 1) Doutorando no SHS da EESC/USP, Avenida Trabalhador São Carlense, São Carlos. marsalla@sc.usp.br 2) Doutorando no SHS da EESC/USP, Avenida Trabalhador São Carlense, 400, São Carlos. lvsoares@uol.com.br 3) Professor Doutor no SHS da EESC/USP, Avenida Trabalhador São Carlense, 400, São Carlos. ldaniel@sc.usp.br 4) Professor Titular no SHS da EESC/USP, Avenida Trabalhador São Carlense, 400, São Carlos. heschulz@sc.usp.br

2 INTRODUÇÃO 2 A escolha de um determinado processo de oxidação e desinfecção está relacionado à qualidade da água ou esgoto a ser tratado (em particular da concentração de sólidos suspensos e matéria orgânica), ao investimento inicial de implantação, segurança, impacto ambiental, além de outros fatores. (LAZAROVA, P. et. al. 1999) Dentre os processos de oxidação e desinfecção em tratamento de água, a ozonização tem encontrado aceitação bastante evidente. Como exemplo, vale mencionar que só na França existem mais de 500 projetos de purificação de água usando ozônio já instalado. Algumas vantagens da ozonização, que justificam esta aceitação, podem ser arroladas, como a eliminação de gosto e odor (por exemplo em lagoas onde ocorre grande eutrofização), degradação de substâncias orgânicas (detergentes, fenóis, substâncias húmicas e fúlvicas), descoloração e desinfecção de esgoto doméstico (inativação viral), oxidação de ferro e manganês, etc. Segundo LAZAROVA, P.et. al. (1999) a principal vantagem da ozonização é a alta eficiência de desinfecção para todos os patogênicos presentes no esgoto (bactérias, vírus e protozoários), além do que o ozônio foi o principal responsável pela inativação de E. coli em água de abastecimento. O ozônio pode ser usado no pré-tratamento de água bruta, alterando a natureza ou a quantidade de cargas nas superfícies das partículas, facilitando a coagulação e a floculação. (MASSCHELEIN, 1989, apud MARCHIORETTO,1999). O Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos/USP tem desenvolvido pesquisa utilizando ozonização ao longo da última década. Lembramos os trabalhos do Prof. Doutor Luiz Antônio Daniel, cujos resultados atestam a validade da metodologia e a necessidade de estudos aprofundados que permitam entender os detalhes das trocas gasosas nas interfaces gás-líquido e das reações químicas que ocorrem no meio líquido. Dentro dos detalhes das trocas gasosas nas interfaces gás-líquido insere-se o estudo da velocimetria a laser por processamento de imagem (VLPI). Os estudos de transferência de massa arlíquido dentro do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos/USP são desenvolvidos pelo Prof. Doutor Harry Edmar Schulz. De acordo com os trabalhos realizados neste Departamento e na literatura com relação à oxidação e transferência de massa arlíquido constatou-se uma necessidade de maiores pesquisas. É nesse contexto que o presente trabalho foi executado. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Velocidade Ascensional das Bolhas Entende-se que a importância na determinação da velocidade ascensional das bolhas reflete no cálculo do coeficiente de transferência de massa ar-líquido. Existe diferença entre o valor da velocidade de subida de uma bolha individual e de muitas bolhas. No caso de muitas bolhas a velocidade ascensional costuma ser menor devido a fatores como: O aglomerado de bolhas apresenta maior resistência ao deslocamento; O diâmetro das bolhas pode ser alterado em decorrência da turbulência que é gerada no líquido pela ação do aglomerado, podendo causar quebras e coalescência de bolhas. Segundo CALDERBANK, MOO & RIBBY(1964), a quantidade e o tamanho de bolhas grandes é fortemente dependente da velocidade do gás e do tamanho da coluna. HABERMAN et al.(1954) estudou com detalhes a velocidade terminal de subida de bolhas isoladas em função do diâmetro de bolha para vários tipos de líquidos e chegou a conclusão de que em um tanque com água, para um diâmetro de bolha 2,0 mm < d < 10, 0 mm, a velocidade terminal de subida de bolha isolada era 20,0 cm s < v < 30, 0cm s. De acordo com TREYBAL (1980), a relação entre o valor do diâmetro de bolha individual e sua velocidade terminal de subida pode ser mais bem visualizada a partir de uma divisão em 4 regiões de estudo, conforme mostrado na Figura 1.

3 Região 1: d P < 0. 7mm. As bolhas podem ser vistas como esféricas e rígidas, sendo a velocidade dada através da Lei de Stokes: gd 2 P ρ Vt = (1) 18µ L Onde t L t. Região 2: 0.7mm < d P < 1. 4mm. O gás contido na bolha circula, de forma que a velocidade superficial (interfacial) não é zero. As bolhas da região 2 na figura sobem mais rápido do que esferas rígidas de mesmo diâmetro. Não existe correlação de dados (é uma região de máximo local) e as coordenadas desta região podem ser obtidas através das equações das regiões 1, 3 e 4 (na mesma figura). Região 3 ( 1.4mm < d P < 6mm) e Região 4 ( d P > 6mm). Nestas regiões as bolhas não são mais esféricas e a subida na coluna pode ser em zig-zag ou em trajetória helicoidal. Na região 4 a bolha tem um formato achatado. Para ambas regiões e líquidos de baixa viscosidade vale a equação: V : velocidade terminal de uma única bolha, [ ] σgc gd V t = + d ρ 2 2 P P L 3 (2) Figura 1 Velocidade terminal de subida de bolhas de gás individuais. Fonte: TREYBAL (1980). Já BECKER et al. (1994), estudaram o perfil do campo de velocidade ascensional de bolhas e do líquido em um mesmo ensaio. Utilizando uma coluna com seção transversal de 50,0 cm x 8,0 cm e com 2,0 m de altura e quatro pontos para determinação dos perfis. Para o mesmo ponto de determinação, em qualquer local da coluna sabe-se que a velocidade ascensional de bolhas é maior do que a velocidade ascensional do líquido, pois é a bolha que move o líquido. Através do perfil do volume das bolhas (medido a cada 10 cm ao longo da altura da coluna), concluiu-se que o volume gasoso ou volume de bolhas é maior nos primeiros centímetros acima da saída das bolhas. Ou seja, há uma distribuição não-homogênea do conteúdo de ar ao longo da altura da coluna. Este fato também foi observado por HELSBY & TUSON apud HOUGHTON et al. (1957).

4 MATERIAIS E MÉTODOS 4 Coluna de ozonização A coluna utilizada neste trabalho tem seção transversal quadrada de (19cm x 19cm) e 2,00m de altura, com 2 faces paralelas de acrílico e 2 faces paralelas de vidro, cuja espessura é de 15mm, juntamente com o fundo de acrílico de mesma espessura e provido de um difusor poroso + saída de esgoto (esvaziamento da coluna ou recirculação do esgoto). O equipamento que foi utilizado neste trabalho para geração de bolhas ascensionais é um difusor de ar nacional confeccionado em plástico microporoso, com poros de 20 µm, para vazão de ar até 3 m 3 h, 75 mm de diâmetro em sua base e 70 mm de altura. As faces de vidro têm a finalidade de facilitar a visualização das bolhas ascensionais para a utilização do Laser (estudo dos campos de velocidades das bolhas). A Figura 2 mostra a coluna de ozonização que foi utilizada neste trabalho. Laser Figura 2 Coluna de ozonização O método de Velocimetria a Laser por Processamento de Imagens (VLPI) ou método PIV (Particle Image Velocimetry) é utilizado na obtenção das imagens para determinação dos campos de velocidade instantâneos e tamanho de bolhas em um campo bi-dimensional do escoamento. O princípio de funcionamento do método de Velocimetria a Laser por Processamento de Imagens (VLPI) consta de um feixe de luz laser que ilumina quaisquer partículas suspensas no escomento que passam pelo campo bi-dimensional do feixe. No caso deste trabalho, o feixe de luz laser ilumina todas as bolhas ascensionais que passam pelo feixe. As bolhas ascensionais iluminadas são registradas através de uma câmera CCD. As imagens instantâneas registradas pela câmera CCD são processadas em um programa computacional, objetivando determinar os campos de velocidades instantâneos. Neste trabalho, a câmera CCD conseguiu obter 15 imagens (frames) por segundo. A vantagem principal da utilização do método de Velocimetria a Laser por Processamento de Imagens (VLPI) na determinação dos campos de velocidade instantâneos é que se trata de um método não-intrusivo, não atrapalhando o escoamento normal das bolhas. Componentes do conjunto laser Fonte de Laser A única finalidade da luz de laser na determinação dos campos de velocidade instantâneo é de iluminar uma seção bi-dimensional de interesse, possibilitando ótima visualização das bolhas ascensionais. Para a visualização podem ser utilizados lasers pulsantes ou contínuos. Os lasers pulsantes fornecem grande potência de iluminação em cada pulso, tendo, portanto, maior preferência. Já os

5 contínuos fornecem potência menor de iluminação para visualização dos escoamentos, pois a potência fornecida para a iluminação do escoamento é igual à média, nos intervalos de tempo requeridos para as exposições. Para a realização deste trabalho foi utilizado um laser de vapor de cobre, com alta taxa de repetição de pulsos de iluminação. Este laser oferece pulsos de iluminação de alta potência, que 2 propicia uma folha de luz de alta densidade ( W m ). As potências médias na saída do feixe estão entre 10 e 20 W, com uma taxa de repetição de pulsos de 10 khz, com duração do pulso entre 20 e 60ns. O laser é emitido em dois comprimentos de onda que são: verde (510,6 nm) e amarelo (578,2 nm). Para a emissão de luz laser em uma potência de 24 W (um pouco acima da potência média nominal), 1/3 da emissão de luz laser ocorre no comprimento de onda de cor amarela e 2/3 no comprimento de onda de cor verde. A limpeza no interior do tubo Laser é realizada através do gás Neon (grau de pureza de 99,99%). A circulação do gás néon dentro do tubo laser é garantida pelo vácuo formado pela bomba de vácuo. A Figura 3 mostra o laser utilizado neste trabalho. É um equipamento de grande valor financeiro e científico, comprado junto a empresa OXFORD LASERS Ltda, modelo LS Figura 3 Equipamento completo do laser a vapor de cobre. Bloqueador-atenuador e Conversor de feixe Na saída da geração do feixe de laser há um bloqueador e um atenuador do feixe do laser, que pode ser manuseado manualmente ou por um mecanismo de controle. Quando o bloqueador está em funcionamento, não há transmissão da luz laser. Com o atenuador, a potência de saída do laser é diminuída em 90%. O conversor de feixe tem a finalidade de introduzir o feixe na fibra ótica, a qual conduz a luz ao longo de grandes distâncias. Dificuldades operacionais existem, tal como a necessidade de alinhamento do feixe de luz antes da introdução na fibra ótica, para que haja a máxima potência disponível. Contudo, um desvio do ponto focal pode implicar em "queima" da ponta da fibra, ou seja, escurecimento e impedimento da passagem normal da luz. O posicionamento correto do bloqueador-atenuador e conversor de feixe pode ser visto na Figura 3. Fibra Ótica Como já foi mencionada, a finalidade da fibra ótica é transportar o feixe de luz laser a grandes distâncias. O diâmetro interno da fibra ótica é de 1,0 mm. Devido ao problema de conversão da luz, o uso da fibra ótica implica em perda inevitável de potência de iluminação. Com uma fibra de 15,0 m há perda de 30% da potência de iluminação. Mas, mesmo com a perda de potência de iluminação, aprova-se a utilização da fibra ótica devido à flexibilidade de deslocamento do feixe de luz laser em

6 todas as bancadas experimentais situadas no Laboratório de Hidráulica Ambiental do CRHEA- EESC/USP. Gerador do Plano de Luz (Fibresheet) Trata-se de um conjunto de lentes convergentes e divergentes, que tem a finalidade de gerar um plano de luz. O Gerador do Plano de Luz é conectado no final do cabo da fibra ótica. A espessura da folha de Luz Laser é de aproximadamente 4 mm, com um ângulo de abertura de 28 oº, conforme pode ser visualizado na Figura 4. 6 Figura 4 Conjunto de lentes convergentes e divergentes, que tem a finalidade de gerar o plano de luz laser. Câmera CCD A câmera CCD (Charge Coupled Device) utilizada neste trabalho é da marca KODAK MEGAPLUS (1024 x 1024 pixels). Tem a finalidade de captar as imagens na área selecionada do escoamento iluminada pelo plano de luz laser e armazenar no micro-computador. O ângulo formado entre o plano de luz laser e o eixo longitudinal da objetiva da câmera deve ser o mais próximo possível de 90 o, a fim de que os campos de velocidades obtidos através de imagens sucessivas tenham uma representação real. Câmeras utilizadas para obtenção de imagens sucessivas devem permitir a visualização de deslocamentos sucessivos de bolhas, através de um grande número de exposições por segundo, a fim de que possam ser determinados adequadamente os campos de velocidade bidimensionais. A câmera utilizada neste trabalho tem uma resolução de 1024 x 1024 pixels e capacidade de obter 15 imagens (frames) por segundo para o caso particular deste trabalho. O fabricante informa que a capacidade máxima de obtenção de imagens é de 30 imagens por segundo. A resolução da câmera em números de pixels é importante para a nitidez da imagem e para a geração dos valores numéricos no processo de tratamento da imagem. Na calibração da câmera, uma régua graduada em centímetros colocada no plano da folha de luz, permite ao programa utilizado transformar a informação de centímetros para número de pixels. Já existem trabalhos sendo feitos para determinar o campo de velocidades em grandes áreas. Como exemplo, pode-se citar FUJITA (1996) apud BARBOSA, A.A. (1998) onde o tamanho das áreas varia de 4 a 45 m 2, em propagação de cheias e vertedouros. Como em grandes áreas de estudo costuma-se ter velocidades do escoamento menores

7 (em experimentos de bancada), a iluminação do escoamento costuma ser feita através da fonte de luz laser contínua. Processamento das imagens Programa VISIFLOW As imagens obtidas através da câmera CCD são trabalhadas no micro, dentro do programa VISIFLOW, objetivando a determinação dos campos de velocidades ascensionais das bolhas. O programa VISIFLOW, instalado em ambiente Windows, possibilita escolher o algoritmo de análise das imagens, que pode ser: auto-correlação, correlação cruzada e rastreamento de partículas. Permite também interpolação dos campos de velocidade incompletos, binarização das imagens, abrirem as opções da câmera CCD dentro do programa Visiflow, converter de centímetros em pixels a área de estudo, mudar o tom de preto da imagem, visualização da animação dos campos de velocidade, determinação do campo médio, linhas de corrente, vórtices, entre muitos outros recursos. As imagens gravadas são comumente analisadas de duas formas: a análise de correlação e a análise por rastreamento de partículas. De forma simples, o rastreamento de partículas acompanha o movimento de partículas isoladas, registrando posições e intervalos de tempo. Contudo, quando o escoamento é turbulento, pode haver a "sobreposição" de partículas, acarretando dificuldades para identificar "qual partícula registrada seguiu qual caminho". Nesse caso, uma análise de todo o campo é necessário, buscando-se a situação mais provável para o escoamento. Como se trata de um processo estatístico, no qual posições são correlacionadas em tempos sucessivos, este método recebeu o nome de Análise de Correlação. A análise de Correlação utiliza a teoria de Fourier. Uma imagem bi-dimensional é captada pela câmera CCD, onde partículas (bolhas) estão presentes. Após um intervalo de tempo muito pequeno, capta-se outra imagem com as mesmas dimensões da primeira imagem. Observa-se novamente, na segunda imagem, a presença das mesmas partículas contidas na primeira imagem. A única diferença é que, comparando as mesmas partículas nas duas imagens, houve um pequeno deslocamento. Visto que a dimensão da imagem, em número de pixels, é muito grande, o programa computacional Visiflow possibilita dividir uma imagem em muitas áreas menores, com poucos números de pixels (16 x 16 pixels, 32 x 32 pixels, 64 x 64 pixels, 128 x 128 pixels, etc). Esta divisão da imagem em muitas áreas menores facilita a análise de correlação, tornando-a mais precisa. A velocidade é calculada para cada área menor (poucos números de pixels) usando a velocidade média das partículas (bolhas) que foram analisadas nessa pequena área, fornecendo um único vetor com módulo e direção definidos. O campo de velocidade instantâneo, para a região de interesse, é determinado pela união de todos os vetores calculados em cada área menor pré-definidas. A correlação de imagens é dividida em auto-correlação e correlação cruzada. Na autocorrelação ocorre a sobreposição da imagem sobre si mesma, necessitando de uma única imagem (frame). Já na correlação cruzada, ocorre a sobreposição de uma imagem sobre outra imagem, necessitando de número par de imagens. Na auto-correlação são fornecidos o módulo e a direção de cada vetor. Já a correlação cruzada, além de fornecer o módulo e a direção, também fornece o sentido de cada vetor de velocidade. Na utilização da auto-correlação é necessário, dentro do programa Visiflow, definir o sentido de cada vetor. É aconselhável definir o sentido de cada vetor apenas quando estiver claro (visualmente) o sentido do escoamento. Neste trabalho de doutorado, o sentido de escoamento médio das partículas (bolhas), obviamente, é sempre ascensional. A qualidade dos campos de velocidade instantâneos dos métodos de correlação e rastreamento de partículas depende da densidade das partículas dentro da imagem (frame). Caso a densidade das partículas seja baixa, aconselha-se utilizar o método de rastreamento de partículas na obtenção dos campos de velocidade. Se a densidade das partículas for alta, torna-se mais eficaz utilizar o método de correlação, já que ocorre a sobreposição de partículas dificultando o rastreamento das partículas. 7

8 Metodologia dos experimentos com Laser (VLPI) Os experimentos com o laser foram realizados no CRHEA (Centro de Recursos Hídricos e Ecologia Aplicada) da EESC/USP. O meio líquido usado na realização dos experimentos foi água de abastecimento do Laboratório de Hidráulica Ambiental do CRHEA. Não foi possível utilizar esgoto, uma vez que o local não dispõe de esgoto domiciliar suficiente para a realização dos ensaios e, também, porque a equipamento gerador da fonte de luz laser não pode ser retirada do Laboratório, em função dos riscos oriundos deste ato. Neste trabalho foi possível determinar os campos de velocidades instantâneos ao longo de toda a altura de água dentro da coluna de ozonização. Totalizou-se 6 alturas de água dentro da coluna: 0,30m, 0,60m, 0,90m, 1,20m, 1,50m e 1,80m. Para cada altura de água captaram-se imagens do escoamento das bolhas ascensionais ao longo de toda a altura. De acordo com a Figura 5, a captação das imagens para a altura 0,30m englobou as seções 1 e 2; para a altura 0,60m, seção 1 até seção 4; para a altura 0,90m, Seção 1 até seção 6; para a altura 1,20m, seção 1 até seção 8; para a altura 1,50m, seção 1 até seção 10; e, finalmente, para a altura 1,80m, seção 1 até seção 12. Em cada seção foram captadas imagem de bolhas ascensionais em 5 posições diferentes, ou seja, o plano de luz laser fixou-se em 5 cortes diferentes, conforme está mostrado na Figura 5. Depois de fixada a altura do nível de água dentro da coluna, focada a câmera CCD na seção de interesse e ajustado o plano de luz laser no corte de interesse (dentro da seção onde a câmera CCD estava focada), obtinha-se imagens sucessivas de bolhas ascensionais para 6 vazões diferentes. As vazões estudadas foram: 50 L/h, 100 L/h, 150 L/h, 200 L/h, 250 L/h e 300 L/h. Na realização dos experimentos, o conjunto gerador de ozônio PXZ 3507 sempre esteve na posição de 20% de produção de ozônio gasoso. A sustentação da câmera CCD e do conjunto de lentes convergentes e divergentes (fibresheet) procedeu-se através de um mecanismo que possibilita a movimentação do conjunto de lentes convergentes e divergentes e da câmera de vídeo nas 3 direções (x, y e z), além de disponibilizar pequenas alterações de posição para uma mesma direção. O procedimento completo, passo a passo, desde a ligação do aparelho laser até a determinação final dos campos de velocidade ascensionais das bolhas de ozônio está ilustrado a seguir: No início do dia de trabalho, procede-se a ligação do aparelho laser. Todo o processo de ligação demora aproximadamente 2 horas, uma vez que o tubo laser necessita deste tempo para esquentar; Durante o processo de ligação do laser, enchiam-se os frascos lavadores de gás com iodeto de potássio 2% (KI); Enchia-se a coluna de ozonização com água de abastecimento do Laboratório de Hidráulica Ambiental até a altura de interesse; Também, neste intervalo de tempo, focava-se a câmera CCD na seção de interesse, visualizando a imagem focada no monitor do micro; Passado 2 horas, o equipamento laser emite luz laser na potência máxima. Teoricamente a potência máxima alcança 20 W, mas, na prática, na realização desses experimentos, alcançou-se aproximadamente 11 W. Com isso, fixa-se o plano de luz laser (Fibresheet) no corte de interesse (dentro da mesma seção que a câmera CCD está focada); Depois de fixado o plano de luz laser, procedeu-se a calibração da imagem focada. O princípio da calibração é transformar centímetros em número de pixels dentro da imagem focada. Mergulha-se uma régua graduada em 19cm x 14cm na posição exata dentro da coluna, ou seja, na seção de interesse e no corte de interesse. A dimensão de todas as seções era 19cm x 14cm; Capta-se uma única imagem da régua graduada dentro da coluna e armazena-a no micro. A Figura 6 mostra uma imagem captada. 8

9 Figura 5 Metodologia e regiões estudadas para obtenção das imagens das bolhas ascensionais. 9

10 10 Figura 6 Imagem captada para calibração da posição de interesse.(tempo de exposição=32,436 milisegundos, nível de preto=500) É importante informar que, na Figura 6, a régua graduada estava iluminada pelo plano de luz laser, fornecendo uma imagem de qualidade melhor. Depois de armazenada no micro, a imagem era calibrada dentro do programa computacional VISIFLOW. No processo de calibração, o ato de transformar centímetros em número de pixels gerava um número denominado fator de conversão de unidades; Terminada a calibração, retirava-se a régua graduada e fechava-se a parte superior da coluna. A partir deste momento, não podia, em hipótese alguma, deslocar a câmera CCD e o gerador do plano de luz (Fibresheet). Caso ocorresse o deslocamento, o processo de calibração era invalidado; A partir daí, o aparato experimental estava pronto para começar a captar imagens; Ligava-se o ozonizador (20% de produção de ozônio); Fixava-se a vazão de 50 L/h no rotâmetro acoplado junto ao ozonizador; Depois de fixada a vazão de 50 L/h, a câmera CCD começava a captar as imagens (frames). Para cada vazão captou-se 200 imagens (frames). Através do grande número de imagens consegue-se aproximar o campo de velocidade médio do campo médio real. Neste trabalho de doutorado, conseguiu-se captar 15 imagens por segundo; Terminada a captação das imagens para a vazão de 50 L/h, mudava-se a vazão para 100 L/h, repetindo novamente a captação das 200 imagens (para esta vazão). Para as outras vazões o processo era repetido; Captada as imagens para todas as vazões, bloqueava-se o fornecimento da folha de luz laser, desligava-se o ozonizador e esvaziava-se a coluna de ozonização. A captação de imagens para outra seção de interesse e corte de interesse segue todos os passos descritos até aqui; Estando armazenadas no micro, deste modo, as imagens eram estudadas dentro do programa computacional VISIFLOW, objetivando determinar campos de velocidades instantâneos das bolhas de ozônio; No programa computacional VISIFLOW, otimizou-se a aparência das imagens, fixando-se tempo de exposição = 0,1272 milisegundos e nível de preto = 0; Na escolha do método de análise, fixou-se auto-correlação, com regiões quadradas de 64 x 64 pixels e 75% de sobreposição da área. O ajuste foi realizado pelo algoritmo Gaussiano. Dentro da opção parâmetros de escoamento, fixou-se o pulso de separação em 33333,33 micro-segundos. O número de microns por pixel é diferente em cada conjunto

11 seção/posição. Este número deve ser anotado separadamente, quando na realização da calibração da imagem, conforme já foi dito anteriormente (na calibração da imagem); Depois de fixados todos estes parâmetros, calculavam-se os campos de velocidades instantâneos clicando na opção Análise do Escoamento (flow analyses). Obteve-se 200 campos de velocidades instantâneos em cada conjunto Seção/Corte/Vazão de interesse; Posteriormente ao cálculo dos campos de velocidades instantâneos foi calculado o campo médio de velocidade para cada conjunto Seção/Corte/Vazão de interesse. A troca do iodeto de potássio 2% dos frascos lavadores de gás se fazia necessária apenas quando a solução se apresentava saturada de ozônio. A saturação da solução por ozônio era percebida pela coloração amarelo-ouro (bem escuro) da solução de iodeto de potássio 2%. Rotineiramente, a solução de iodeto de potássio era trocada ao término de cada dia de experimento. A Figura 7 mostra uma imagem dos experimentos com a luz laser. O nível de água dentro da coluna de ozonização estava em 1,80m, a câmera CCD estava focada na Seção 2, o plano de luz laser (Fibresheet) fixado no Corte 3 e a vazão de ozônio aplicada foi mantida em 300 L/h. 11 Figura 7 - Imagem de um experimento com a luz laser sendo realizado (h = 1,80m, Seção 2, Corte 3 e Q = 300 L/h. RESULTADOS Velocidade ascensional das bolhas de ozônio A velocidade ascensional das bolhas de ozônio é um parâmetro muito importante no estudo da transferência de massa gás-líquido. As equações de coeficiente de transferência de massa gáslíquido existentes na literatura contêm a variável velocidade ascensional das bolhas no equacionamento. Existem poucos trabalhos na literatura sobre Velocimetria a Laser por Processamento de Imagem (VLPI), onde se determina a velocidade ascensional em um plano bi-dimensional. Os trabalhos existentes levam em consideração a velocidade ascensional de bolhas individuais. Observa-se, de longa data, que existem diferenças entre velocidades ascensionais de

12 bolhas individuais e de um conjunto de bolhas. A diferença existente está na ocorrência da coalescência entre as bolhas no plano bi-dimensional, o qual propicia um aumento na velocidade das bolhas ascensionais em função do aumento do diâmetro das bolhas na região de coalescência. Entretanto, também há efeitos de retardamento decorrentes da existência de maiores concentrações de bolhas. Neste projeto foi determinado o campo de velocidade das bolhas de ozônio em várias alturas de água dentro da coluna de ozonização. Para cada altura de água, estudou-se o campo de velocidade ao longo de toda a altura em 5 cortes diferentes. O objetivo em estudar 5 cortes foi verificar a diferença da velocidade das bolhas entre a extremidade (rente à parede da coluna) e o meio da coluna. Realizou-se o estudo entre extremidades para constatar a ocorrência ou não de similaridade da velocidade ascensional a partir do meio da coluna (Corte 3). Também, houve a preocupação em estudar o campo de velocidade ao longo da altura de água para averiguar se existem diferenças significativas no valor da velocidade ao longo da altura de água dentro da coluna de ozonização. Através do estudo de várias alturas de água dentro da coluna de ozonização é possível, para uma mesma Seção e Corte, verificar se ocorre interferência da pressão da coluna de água na velocidade ascensional das bolhas de ozônio. Após determinados os 200 campos de velocidades instantâneos para cada conjunto de interesse Altura/Seção/Corte/Vazão, o programa computacional VISIFLOW determinou, para cada conjunto de interesse (para 200 campos instantâneos), um único campo médio de velocidade ascensional das bolhas de ozônio. Neste único campo médio, configuração similar dos 200 campos de velocidades instantânea, existe 400 vetores individuais de velocidade. Cada vetor individual abrange uma região quadrada de 64 x 64 pixels. Um vetor individual da posição x,y do campo médio é a média resultante dos 200 vetores da posição x,y dos 200 campos de velocidades instantâneos. O valor desejado da velocidade ascensional das bolhas de ozônio a ser introduzido em equações tradicionais da literatura na determinação do coeficiente de transferência de massa gáslíquido vem do campo médio de velocidade obtido em cada conjunto de interesse Altura/Seção/Corte/Vazão. A Figura 8 mostra um campo de velocidade instantâneo para a altura de água dentro da coluna de ozonização de 1,50m e a Figura 9 mostra um campo médio de velocidade obtido neste trabalho nas mesmas condições do campo de velocidade instantâneo. A posição do conjunto de lentes convergentes e divergentes na determinação dos campos instantâneo e médio de velocidade foi Seção 1/Corte 3. A vazão de ozônio aplicada na determinação dos campos instantâneo e médio de velocidade foi de 250 l/h mm mm/s a VISIFLOW Figura 8 Campo instantâneo de velocidade ascensional de bolhas de ozônio. (h = 1,50m, Seção 1, Corte 3, Q = 250 l/h).

13 mm mm/s Campo Médio de Velocidades VISIFLOW Figura 9 Campo médio de velocidade ascensional de bolhas de ozônio. (h = 1,50m, Seção 1, Corte 3, Q = 250 l/h). De acordo com as configurações do programa computacional VISIFLOW, as cores dos vetores individuais significam que: Vetores vermelhos: são os vetores resultantes da região onde não havia bolhas de ozônio presentes, portanto, região onde não houve interpolações das bolhas. São considerados vetores inválidos; Vetores azuis: são os vetores resultantes da região onde houve limitada presença de bolhas de ozônio. São vetores aceitáveis, pois as bolhas situadas nesta região sofreram interpolações; Vetores verdes: vetores resultantes da região onde houve grande presença de bolhas de ozônio. São vetores considerados ótimos, pois todas as bolhas situadas nesta região sofreram interpolações. Na Figura 9 o valor de 151,3 mm/s mostrado representa o valor médio de todos os vetores individuais presentes. Este valor, em tese, seria o valor utilizado nas equações tradicionais da literatura para determinação do coeficiente de transferência de massa gás-líquido. Neste trabalho, cometer-se-ia um enorme erro caso utilizasse este valor médio para representar a média real dos vetores individuais das bolhas de ozônio, pois como já explicado anteriormente, os vetores vermelhos são inválidos (ausência de bolhas). Portanto, a determinação correta do vetor médio real foi feita através da média dos vetores azuis e verdes. O procedimento de determinação da média dos vetores azuis e verdes foi: após determinado o campo médio de velocidade para cada conjunto de interesse Altura/Seção/corte/Vazão, exportou-se para o EXCEL apenas os valores dos vetores azuis e verdes. Finalmente, dentro do programa EXCEL, determinou-se a média dos vetores azuis e verdes (valor utilizado nas equações tradicionais da literatura para determinação do coeficiente de transferência de massa gás-líquido). É preciso enfatizar que eventuais questionamentos sobre a determinação dos campos médios de velocidade ascensional de bolhas de ozônio podem ser feitos, porém a experiência acumulada por parte dos pesquisadores e alunos de pós-graduação do Laboratório de Hidráulica Ambiental do CRHEA-EESC/USP, permite conferir credibilidade ao programa VISIFLOW. Os resultados das velocidades médias obtidos podem ser analisados de várias maneiras, através da variação de apenas uma variável de cada vez. Sabe-se que as variáveis de interesse são: altura de água dentro da coluna de ozonização, h(m); Seção (observar a Figura 5); Corte (observar a Figura 5); Vazão de ozônio aplicada, Q(L/h). Analisando as velocidades médias obtidas através da metodologia apresentada acima (exclusão dos vetores vermelhos), resulta:

14 h(constante)/ Seção(constante)/ Corte(constante)/ Q(variável): focando a análise do comportamento da velocidade ascensional média das bolhas de ozônio apenas na variação da vazão de ozônio aplicada dentro da coluna de ozonização, pôde-se observar que a velocidade média das bolhas de ozônio aumenta com o aumento da vazão de ozônio aplicada. Esta constatação é esperada. Através da Figura 10 é possível observar o comportamento geral das bolhas ascensionais, dentro de uma mesma ordem de grandeza; 14 Velocidade média das bolhas (m/s) 0,215 0,205 0,195 0,185 0,175 0,165 0,155 0,145 0,135 0, Q (L/h) Corte 3 Corte 4 Figura 10 Velocidade média das bolhas de ozônio (m/s) em função da vazão de ozônio aplicada (L/h). (h = 1,80m / Seção 3 / Corte 3) h(constante)/ Seção(constante)/ Corte(variável)/ Q(constante): analisando o comportamento da velocidade média das bolhas apenas para a variação do Corte, constatou-se que o valor da velocidade média alcança o pico sempre no Corte 3 (corte central). A partir do corte central, o valor da velocidade média diminui até encontrar seu valor mínimo nos cortes junto às paredes da coluna de ozonização. Tais constatações são observadas através da Figura 11. Velocidade média das bolhas (m/s) 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0, Corte Q = 250 L/h Q = 300 L/h Figura 11 Velocidade média das bolhas de ozônio (m/s) em função dos Cortes, para as vazões de ozônio aplicada de 250 L/h e 300 L/h. (Seção 8)

15 De acordo com a Figura 11, o motivo que levou a velocidade média das bolhas ter o pico no corte 3 (corte central) foram as coalescências ocorridas nesta região central. Com a ocorrência da coalescência o tamanho das bolhas aumenta. Sabe-se que com o aumento do tamanho das bolhas de ozônio, aumenta-se também a velocidade ascensional das bolhas de ozônio. Por outro lado, havendo escoamento preferencial para cima no centro da coluna, há evidentemente maior arraste de água para cima. Como a conservação de massa deve ser verificada, deve haver escoamento de água em contracorrente em regiões mais afastadas do centro da coluna, o que implica em maior resistência ao movimento das bolhas e, conseqüentemente no retardo de seu movimento ascensional. h(constante)/ Seção(variável)/ Corte(constante)/ Q(constante): Neste caso analisou-se o comportamento da velocidade média das bolhas apenas com a variação da Seção de interesse. A Figura 12 mostra o comportamento da velocidade média das bolhas de ozônio para a altura de água dentro da coluna de ozonização em 1,80m e Corte Velocidade média das bolhas (m/s) 0,21 0,205 0,2 0,195 0,19 0,185 0,18 0,175 0, Seção Q = 50 L/h Q = 100 L/h Q = 150 L/h Q = 200 L/h Q = 250 L/h Q = 300 L/h Figura 12 - Velocidade média das bolhas de ozônio (m/s) em função das Seções, para todas as vazões de ozônio estudadas. (Corte 3) Como pode ser observado na Figura 12, existem comportamentos regionais parecidos para todas as vazões de ozônio estudadas. Na Seção 1 (logo da saída do difusor) a velocidade média das bolhas é menor, para uma mesma vazão, em função da maior resistência da pressão de coluna de água encontrada. Já na Seção 2, a velocidade média das bolhas é maior do que na Seção 1, para uma mesma vazão estudada, em função da enorme ocorrência de coalescência nesta região e, também, em função da menor pressão da coluna de água nesta Seção. Para as seções seguintes, mediante a aproximação da constância dos valores da velocidade média para uma mesma vazão, considera-se que não houve influência da coalescência e influência da pressão da coluna de água sobre o valor da velocidade média. Também na Figura 12 pode ser observado que para a mesma seção, a velocidade média das bolhas aumenta com o aumento da vazão de ozônio aplicada (constatação já apresentada anteriormente). h(variável)/ Seção(constante)/ Corte(constante)/ Q(constante): finalizando, foi estudado o comportamento da velocidade média das bolhas de ozônio variando a altura de água dentro da coluna de ozonização. A Figura 13 mostra o comportamento das bolhas ascensionais em posições e vazões diversas dentro da coluna. Mediante uma visualização global verifica-se que para um mesmo conjunto de interesse Seção/Corte/Vazão observa-se que a velocidade média das bolhas de ozônio não tem uma tendência preferencial definida.

16 Constata-se que não houve interferência da pressão de coluna de água sobre a velocidade média das bolhas. Caso houvesse a interferência da pressão de coluna de água, ter-se-ia gráficos decrescentes, ou seja, para um mesmo conjunto de interesse Seção/Corte/Vazão a velocidade média das bolhas decresceria com o aumento da altura de água dentro da coluna de ozonização. 16 Velocidade média das bolhas (m/s) 0,205 0,195 0,185 0,175 0,165 0,155 0,145 0,135 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 h (m) Seção 1/Corte 3/Q=200 L/h Seção 2/Corte 3/Q=100 L/h Seção 4/Corte 3/Q=150 L/h Seção 6/Corte 3/Q=100 L/h Seção 9/Corte 3/Q=300 L/h Figura 13 - Velocidade média das bolhas de ozônio (m/s) em função das alturas de água dentro da coluna de ozonização estudadas, em conjuntos de interesse Seção/Corte/Vazão diversos. CONCLUSÕES Através da VLPI (Velocimetria a Laser por Processamento de Imagens) e o uso do programa Visiflow foi possível constatar que os resultados obtidos são coerentes com a realidade. Também, algumas conclusões importantes foram obtidas, a saber: As bolhas ascensionais, em todas as seções, não preencheram toda a seção transversal da coluna de ozonização. Para a Seção 1, existiam bolhas apenas no Corte 3 (corte central). Para todas as outras seções dificilmente existiam bolhas ascensionais no Corte 1 e Corte 5 (cortes situados junto às paredes da coluna), principalmente para vazões baixas (50 L/h, 100 L/h e 150 L/h); Acredita-se que existiram alguns equívocos na obtenção de valores de velocidade média, principalmente no Corte 5. No ato da captação das imagens através da câmera CCD, quando não havia bolhas ascensionais iluminadas pelo feixe de luz laser no Corte1, pressupunha-se que também não existiriam bolhas ascensionais iluminadas no Corte 5. Frequentemente, bolhas de ozônio ascensionais foram erroneamente visualizadas no Corte 5, para as mais diversas Seções estudadas. Na realidade, as bolhas que eram visualizadas no Corte 5 pertenciam a outras seções. Como pode ser observada na Figura 5, a câmera CCD estava localizada junto ao Corte 1. Para que a câmera conseguisse captar as imagens reais do Corte 5, necessitava-se eliminar a interferência das bolhas contidas nos Corte 1 até Corte 4. Existiu esta enorme interferência em função de uma pequena parcela da luz de laser que refletia sobre as bolhas ascensionais iluminando toda a Seção estudada. Tal iluminação da Seção, ao invés de captar imagens confiáveis do Corte5, ocasionalmente obtinha imagens dos Cortes precedentes. Tal problema não foi observado na obtenção das velocidades médias nos outros Cortes (Corte 1 até Corte 4).

17 RECOMENDAÇÕES 17 Tendo em vista as conclusões obtidas na determinação dos campos de velocidade de ozônio, recomenda-se: Usando o difusor microporoso deste trabalho, para a otimização de transferência de massa de ozônio para o meio-líquido, recomenda-se diminuir a seção transversal da coluna de ozonização. A seção transversal da coluna é de 0,19m x 0,19m. Ou, sem alterar a seção transversal, pode-se substituir o difusor microporoso. O novo difusor microporoso adquirido deve proporcionar os mesmos tamanhos de bolhas, além de ter uma seção transversal maior, possibilitando uma maior distribuição das bolhas dentro da coluna; Para uma confiável obtenção das imagens no Corte 5 recomenda-se posicionar a câmera CCD do outro lado da coluna de ozonização, ficando de frente para o Corte 5, como pode ser visto na Figura 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, FAPESP, pelos auxílios 01/ e 02/ , que permitiram conduzir esse trabalho, onde o auxílio 01/ é bolsa concedida ao primeiro autor e o auxílio 02/ é bolsa concedida ao segundo autor. Os autores também agradecem ao Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos/USP por toda a estrutura colocada a disposição no desenvolvimento deste trabalho. a) Artigo em revista BIBLIOGRAFIA LAZAROVA, V.; SAVOYE, P.; JANEX, M.L.; BLATCHLEY III, E.R.; POMMEPUY, M. (1999). Advanced Wastewater Disinfection Technologies: State of the art and perspectives. Water Science Technology, Elsevier Science Ltd, v(40), no. 4-5, p LE SAUZE, N.; LAPLANCHE, A.; MARTIN, N.; MARTIN, G. (1993). Modelling of ozone transferin a bubble column. Water Research. v.(27), n º 6, p NI, C. H; CHEN, J. N.; TSAI, Y. C.; CHEN, W. B.; CHEN, C. H. (2002). Ozonation of domestic secondary effluent for recycling and reuse a pilot plant study. Water Science and Technology. v(46), n o. 4-5, p SHEFFER, H.; ESTERSON, G. L. (1982). Mass transfer and reaction kinetics in the ozone/tap water system. Water Research. v.(16), 383. ZHOU, H.; SMITH, D.W.(2000). Ozone mass transfer in water and wastewater treatment: Experimental observations using a 2D laser particle dynamics analyzer. Water Research. v.(34), n º 3, p , February. ZHOU, H.; SMITH, D.W.; STANLEY, S.J.(1994). Modeling of dissolved ozone concentration profiles in bubble columns. Journal of Environmental Engineering. v.(120), n º 4, p , July/August. b) Dissertação MARCHIORETTO, M. M. (1999). Ozonização seguida de coagulação/floculação e Flotação como pós-tratamento do efluente de reator anaeróbio com chicanas tratando

18 esgoto sanitário. São Carlos. 190p. Dissertação (Mestrado em Hidráulica e Saneamento). Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. SALLA, M. R. (2002). Bases hidrodinâmicas para processos de transferência de gases em colunas com difusores. São Carlos. 151p. Dissertação (Mestrado em Hidráulica e Saneamento). Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. SCHULZ, H. E. (1985). Investigação do mecanismo de reoxigenação da água em escoamento e sua correlação com o nível de turbulência junto à superfície. São Carlos. 299p. Dissertação (Mestrado em Hidráulica e Saneamento). Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. c) Livro AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION AWWA. (1985). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. LANGLAIS, B.; RECKHOW, D. A.; BRINK, D. R. (1991). Ozone in Water Treatment Application and Engineering. Lewis Publishers, Chelsea, Mich. Americam Water Works Association. Research Foundation. SINGER, P.C.; HULL, C.S.(2000). Modeling Dissolved Ozone Behavior in Ozone Contactors. Denver. AWWA Research Foundation and American Water Works Association, 273p. d) Tese BARBOSA, A.A. (1998). Correntes de densidade em reservatórios. São Carlos. 272 p. Tese (Doutorado em Hidráulica e Saneamento). Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. COSTA, H. S. (2003). Estudo do comportamento do processo de ozonização como póstratamento de efluentes de sistema de tratamento anaeróbio de águas residuárias domiciliares. São Carlos. 295 p. Tese (Doutorado em Hidráulica e Saneamento). Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. LIMA, A.C.M. (2003). Caracterização da estrutura turbulenta em escoamentos aerados em canal de forte declividade com auxílio de técnicas de velocimetria a laser. São Carlos. 387 p. Tese (Doutorado em Hidráulica e Saneamento). Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 18