22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina I APLICAÇÃO DO OZÔNIO NA FORMA DE INTER-OZONIZAÇÃO NO TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO: OTIMIZAÇÃO DA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA DO ALTO DA BOA VISTA Sidney Seckler Ferreira Filho(1) Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP. Professor Associado do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em Regime de Dedicação Exclusiva à Docência e Pesquisa. Frederico de Almeida Lage Filho Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP. 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. Ricardo Lazzari Mendes Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC/USP). Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Engenheiro Consultor da ENGECORPS Engenheiros Consultores S/C Ltda e Professor da Universidade Camilo Castelo Branco. Adilson Nunes Fernandes Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária e Doutorando pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Químico da Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo SABESP. Departamento de Produção Sul Divisão ABV Endereço(1): Endereço: Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária. Av. Professor Almeida Prado, 271 Prédio de Engenharia Civil. Bairro Butantã. Cidade Universitária. CEP: ssffilho@usp.br

2 RESUMO A Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (ETA-ABV) foi originalmente projetada como sendo uma estação de tratamento de água convencional, apresentando os processos unitários de coagulação, floculação, sedimentação, filtração, desinfecção, fluoretação e correção final de ph. Assim sendo, a sua finalidade principal sempre foi a remoção de material particulado (turbidez), cor real e aparente em uma condição tal que permitisse o fornecimento de água potável dentro dos Padrões de Potabilidade vigentes. No entanto, a partir de 1988, devido ao elevado grau de eutrofização do Reservatório do Guarapiranga, a água final produzida pela ETA-ABV passou a apresentar problemas sazonais de gosto e odor, causando transtornos à população abastecida. Portanto, o objetivo deste trabalho é a apresentação dos resultados dos ensaios de ozonização executados para a água proveniente do Sistema Guarapiranga para diferentes cenários de concentração de MIB na água bruta. Deste modo, foram estimadas as concentrações esperadas de MIB na água final para diferentes condições de operação do sistema de ozonização. Em função dos resultados experimentais obtidos pôde-se concluir que em relação a oxidação de MIB, foram atingidos valores de remoção variando de 80% a 90% para dosagens de ozônio aplicadas de 3,0 mg/l, sendo 1,0 mg/l e 2,0 mg/l na primeira e segunda câmara, respectivamente. Por sua vez, não foi observado nenhum ganho significativo na oxidação de MIB mediante a aplicação de peroxônio em relação ao ozônio. Deste modo, a aplicação do peróxido de hidrogênio visando a otimização da remoção de MIB pode ser descartada. PALAVRAS-CHAVE: Ozonização, compostos orgânicos, tratamento de água, odor e sabor, desinfecção. INTRODUÇÃO A Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (ETA-ABV), pertencente à Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP), foi originalmente projetada como sendo uma estação de tratamento de água convencional, apresentando os processos unitários de coagulação, floculação, sedimentação, filtração, desinfecção, fluoretação e correção final de ph. Assim sendo, a sua finalidade principal sempre foi a remoção de material particulado (turbidez), cor real e aparente em uma condição tal que permitisse o fornecimento de água potável dentro dos Padrões de Potabilidade vigentes. No entanto, a partir de 1988, devido ao elevado grau de eutrofização do Reservatório do Guarapiranga, a água final produzida pela ETA-ABV passou a apresentar problemas sazonais de gosto e odor, causando transtornos à população abastecida. Em função destes, a SABESP efetuou um programa de monitoramento na água bruta com o objetivo principal de identificar os prováveis compostos causadores de gosto e odor e, deste modo, definir as tecnologias e procedimentos operacionais de tratamento passíveis de serem incorporadas na ETA-ABV, de modo a colocar a água final dentro de um padrão estético agradável para consumo humano.

3 Durante este período de monitoramento e, em função dos resultados obtidos, concluiu-se que os problemas de gosto e odor eram resultantes da liberação de sub-produtos metabólicos de algas e demais microrganismos na água bruta e que, dentre estes, os mais significativos são o compostos MIB e Geosmina. As concentrações destes na água bruta situaram-se na faixa de 80 ng/l a 0 ng/l para os episódios mais significativos. No entanto, no final do ano de 1999 e 2000, foram observadas concentrações de MIB na água bruta da ordem de 200 ng/l a 600 ng/l, valores estes muito superiores aos valores de 100 ng/l, este definido como sendo o valor de projeto a ser empregado no dimensionamento e operação do sistema de aplicação de carvão ativado em pó atualmente existente e em operação junto ao sistema de captação de água bruta. Para concentrações de MIB na água bruta superiores a 400 ng/l, muito provavelmente, a sua concentração na água final deverá situar-se em patamares tais que deverão afetar a sua qualidade organoléptica, causando problemas de aceitação junto à população abastecida. A persistência de concentrações de MIB na água bruta superiores a 400 ng/l em um período de tempo suficientemente longo deverá exigir que sejam implementadas novas tecnlogias de tratamento na concepção da ETA-ABV. Dentre estas, a implantação de um sistema de ozonização como alternativa de tratamento foi considerada viável pela SABESP, passível de ser implementada em médio prazo de tempo e, deste modo, faz-se necessário definir as condições de projeto do sistema, dosagens de ozônio aplicadas e conveniência ou não de aplicação de peróxido de hidrogênio em conjunto com o ozônio na oxidação de compostos orgânicos causadores de gosto e odor em águas de abastecimento. OBJETIVO O objetivo deste trabalho é a apresentação dos resultados dos ensaios de ozonização executados para a água proveniente do Sistema Guarapiranga para diferentes cenários de concentração de MIB na água bruta. Deste modo, foram estimadas as concentrações esperadas de MIB na água final para diferentes condições de operação do sistema de ozonização. Em função dos resultados experimentais obtidos e do programa de monitoramento da qualidade da água bruta e final, a SABESP deverá ter parâmetros que permitam o planejamento das futuras obras e para o projeto do sistema de ozonização que porventura venham a ser implementadas na ETA-ABV para a remoção de compostos orgânicos causadores de gosto e odor em águas de abastecimento. MATERIAIS E MÉTODOS

4 Os ensaios de ozonização tiveram por objetivo avaliar a capacidade do ozônio, em conjunto ou não com o peróxido de hidrogênio, de oxidar o composto MIB na água decantada da Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista. Em função dos resultados experimentais obtidos anteriormente, verificou-se que a melhor concepção para o sistema de ozonização da ETA-ABV seria na forma de inter-ozonização, uma vez que as dosagens de ozônio aplicadas seriam menores quando comparados com sistema do tipo pré-ozonização para produção de um mesmo valor de CT. Deste modo, definiu-se que a concepção estudada seria na forma de inter-ozonização. No total, foram conduzidos um conjunto de 06 ensaios de ozonização, tendo-se executado em cada conjunto de ensaios um total de sub-ensaios específicos. Em cada sub-ensaio específico, foi avaliada uma diferente concepção de configuração de dosagem de ozônio aplicada, de modo a serem definidas as dosagens de projeto para cada câmara de contato. Em cada ensaio de ozonização, foram realizados ensaios com e sem peróxido de hidrogênio, com o objetivo de verificar a sua necessidade de implantação ou não juntamente com o sistema de ozonização. Em todos os ensaios executados com ozônio e peróxido de hidrogênio, a proporção entre as dosagens de peróxido de hidrogênio (H2O2) e ozônio (O3) foi arbitrada em 0,5, com base na estequiometria da reação entre ambos agentes oxidantes. Desse modo, cada um dos doze tipos de ensaio foi conduzido seis vezes, sob a mesmas condições de ph e sem variações significativas nas características físico-químicas da água utilizada, permitindo uma avaliação estatística dos resultados. Os 06 ensaios de ozonização executados foram realizados em dias distintos, de modo que fosse possível avaliar o impacto das eventuais mudanças na qualidade da água decantada nos perfis de concentração de ozônio na fase líquida e na remoção de MIB na água decantada. A Tabela 1 apresenta um quadro resumo dos ensaios de ozonização conduzidos tendo água decantada como alimentação com características distintas. Tabela 1 Quadro resumo dos ensaios de ozonização conduzidos sob condições específicas Ensaio Data Afluente Sub-ensaios executados Concentração teórica de MIB na água decantada (ng/l) 1

5 09/03/ /04/ /05/ /06/ /08/2000

6 /10/ Os ensaios de oxidação química visando a remoção de MIB e Geosmina foram realizados com a água decantada produzida na ETA-ABV. A concentração aplicada de MIB foi controlada aproximadamente em 80 ng/l mediante a sua introdução na linha de alimentação do sistema de ozonização. Esta aplicação foi efetuada de modo a simular a ocorrência do mesmo como sendo resultante de uma situação extrema no manancial de água bruta. Todas as análises de MIB e Geosmina foram efetuadas pelo Laboratório de Química Orgânica da Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (APQ- SABESP) por CG-MS-PAT. O sistema de ozonização utilizado na condução dos ensaios experimentais encontra-se montado 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 (coagulação - floculação - decantação - filtração), acrescido de uma unidade de ozonização, formada por um ozonizador de contato composto por quatro colunas em série. Cada coluna, construída de plexiglass, possui diâmetro interno de 150 mm de diâmetro interno e cerca de 3,05 metros de altura útil. Cada coluna possui quatro pontos de amostragem, sendo possível a coleta de amostras de água para a determinação da concentração de ozônio residual na fase líquida. O sistema em questão possui flexibilidade operacional para ser usado na foma de préoxidação, inter-oxidação e pós-oxidação. Todos os ensaios de oxidação química executados foram efetuados operando-se o sistema de ozonização em regime de escoamento em contracorrente. A Fotografia 1 apresenta uma vista geral das colunas componentes do sistema de ozonização. Fotografia 1 Colunas dos reatores de contato componentes do sistema de ozonização empregado na condução dos ensaios experimentais

7 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS A Figura 1 apresenta os valores de remoção de MIB obtido para um ensaio típico de ozonização efetuado com e sem peróxido de hidrogênio. Analisando-se os resultados de oxidação química de MIB através da aplicação do ozônio, pode-se concluir que a sua remoção situou-se na faixa de 80% a 90% para os ensaios conduzidos com uma configuração de aplicação de 1,0 mg O3/l e 2,0 mg O3/l na primeira e segunda câmara, respectivamente. Os resultados obtidos para esta configuração de aplicação, combinados ou não com o peróxido de hidrogênio, foram muito similares, não podendo-se afirmar que a sua utilização em conjunto com o ozônio tenha proporcionado uma maior eficiência na remoção de MIB. Os resultados apresentados pela literatura mostram-se contraditórios com respeito a eficácia da aplicação do peróxido de hidrogênio associado ao ozônio na oxidação de MIB e Geosmin. Estudos efetuados por FERGUSON et al. (1990) mostraram que a aplicação de peroxônio foi muito mais eficiente do que quando comparado com o ozônio somente. Os resultados experimentais obtidos permitiram a obtenção de 90% de remoção de MIB para uma dosagem aplicada de ozônio de 4,0 mg/l, enquanto a mesma remoção foi conseguida tendo-se aplicado 2,0 mg/l na forma de peroxônio. Por sua vez, estudos efetuados por HUCK et al. (1995) mostraram que a aplicação de peroxônio e ozônio produziram resultados similares na oxidação de MIB e Geosmin, não tendo-se observado nenhuma diferença significativa entre ambos. Figura 1 Valores de remoção de MIB obtidos para os diferentes ensaios de ozonização conduzidos com e sem a aplicação de peróxido de hidrogênio. Data:19/04/2000 Uma vez que os resultados experimentais obtidos para a água decantada da ETA-ABV mostraram-se indiferentes com respeito à oxidação de MIB, com o intuito de permitir uma maior flexibilidade na operação do sistema de ozonização com respeito a eventual necessidade de oxidação de micropoluentes orgânicos, recomenda-se que o projeto seja executado levando-se em consideração a aplicação de peróxido de hidrogênio na primeira e segunda câmara de contato, obedecendo-se uma relação mássica de dosagem de H2O2/O3 de 0,5, conforme sugerido pela literatura (GLAZE et al. (1988); AIETA et al. (1988); KARIMI et al. (1997)). Caso seja conveniente do ponto de operacional, a sua aplicação pode ou não ser efetuada conjuntamente com o ozônio. Não pode-se perder de vista que, pelos altos custos envolvidos na construção, operação e manutenção de um sistema de ozonização para a ETA-ABV, deve-se buscar a sua utilização como um sistema multi-objetivo, otimizando-se

8 o seu emprego como processo de desinfecção, oxidação de compostos orgânicos causadores de gosto e odor e oxidação de micropoluentes orgânicos (GLAZE et al. (1990)). As Figuras 2 e 3 apresentam um perfil típico de concentração de ozônio na fase líquida em função do tempo de contato para os ensaios de ozonização conduzidos com ozônio e peroxônio, respectivamente. Em todos os ensaios de ozonização conduzidos com diferentes configurações de ozônio aplicado, pôde-se observar que os maiores valores residuais de concentração de ozônio na fase líquida foram obtidos quando da aplicação somente do ozônio como agente oxidante quando comparado com os ensaios executados com o peroxônio. Uma vez que a taxa de decomposição do ozônio é acelerada pela presença do radical livre OH, os resultados obtidos mostraram-se coerentes com os mecanismos de reação do ozônio na fase líquida (LANGLAIS et al. (1991)). Figura 2 - Perfis de concentração de ozônio na fase líquida em função do tempo de contato para os ensaios de ozonização conduzidos com ozônio. Data: 27/06/2000 Figura 3 - Perfis de concentração de ozônio na fase líquida em função do tempo de contato para os ensaios de ozonização conduzidos com peroxônio. Data: 27/06/2000 Uma vez que a remoção de MIB mostrou-se ser indiferente quando utilizado o ozônio ou peroxônio, a necessidade de aplicação ou não do peróxido de hidrogênio deverá ser decidida em função do atendimento de outros objetivos, seja a utilização do ozônio como agente desinfetante ou como agente oxidante na remoção de micropoluentes orgânicos. É interessante notar que, muito embora as concentrações residuais de ozônio tenham sido muito menores quando da aplicação do peroxônio em relação ao ozônio, a remoção de MIB foi da mesma ordem de grandeza, evidenciando-se, deste modo, a ação do radical livre OH na sua oxidação química. Utilizando-se dos valores de concentração residual de ozônio na fase líquida para ensaio de ozonização conduzido com ozônio e peroxônio, foram calculados os valores do parâmetro CT para cada coluna individualmente e para todo o sistema de acordo com a seguinte equação: (1) Em todos os ensaios de ozonização executados, os maiores valores de CT foram obtidos quando da utilização do ozônio sem a presença de peróxido de hidrogênio.

9 Os valores calculados de CT demonstram de forma inequívoca as maiores taxas de decomposição do ozônio em meio aquoso quando aplicado na forma de peroxônio, uma vez que os sus valores de CT foram significativamente menores quando comparados com os ensaios de ozonização efetuados com a mesma configuração de ozônio aplicado. A Figura 4 apresenta valores típicos de C.T para um ensaio de ozonização realizado com a água decantada proveniente da ETA ABV. Figura 5 Valores de CT obtidos para os diferentes ensaios de ozonização conduzidos com e sem a aplicação de peróxido de hidrogênio. Data:01/08/2000 Portanto, caso deseje-se otimizar ambos os processos de remoção de compostos orgânicos causadores de gosto e odor em águas de abastecimento e desinfecção, recomenda-se à SABESP que não seja efetuada a aplicação de peroxônio, uma vez que consegue-se um maior aumento no valor de CT, sem que haja prejuízo com respeito à remoção de MIB e Geosmin. CONCLUSÕES De acordo com os resultados experimentais obtidos pode-se concluir que: Em relação a oxidação de MIB, foram atingidos valores de remoção variando de 80% a 90% para dosagens de ozônio aplicadas de 3,0 mg/l, sendo 1,0 mg/l e 2,0 mg/l na primeira e segunda câmara, respectivamente. Ensaios de oxidação de MIB efetuados com dosagem de ozônio aplicado iguais ou inferiores a 2,0 mg/l apresentaram valores de remoção de MIB insatisfatórios, variando de 10% a 50%. Assim sendo, recomenda-se que, para fins de projeto do sistema de ozonização, este seja projetado tendo um total de quatro câmaras com um tempo de detenção hidráulico da ordem de 4,0 a 5,0 minutos em cada. As três primeiras câmaras deverão ser projetadas como reatores de contato, sendo possível a operação do sistema com aplicação de uma dosagem de ozônio de 2,0 mg/l em cada uma delas individualmente, com uma folga operacional de 50%. Não foi observado nenhum ganho significativo na oxidação de MIB mediante a aplicação de peroxônio em relação ao ozônio. Deste modo, a aplicação do peróxido de hidrogênio visando a otimização da remoção de MIB pode ser descartada. No entanto, uma vez que o sistema de ozonização poderá, em algum momento, trabalhar com o objetivo de oxidação de micropoluentes orgânicos, o projeto do sistema de

10 ozonização deverá contemplar a aplicação de peróxido de hidrogênio na primeira, segunda e terceira câmara de contato. Em todos os ensaios de ozonização conduzidos com diferentes configurações de ozônio aplicado, pôde-se observar que os maiores valores residuais de concentração de ozônio na fase líquida foram obtidos quando da aplicação somente do ozônio como agente oxidante quando comparado com os ensaios executados com o peroxônio. Como conseqüência, em todos os ensaios de ozonização executados, os maiores valores de CT foram obtidos quando da utilização do ozônio sem a presença de peróxido de hidrogênio. Os valores de CT obtidos quando da condução dos ensaios experimentais de oxidação química para dosagens de ozônio aplicados de 1,0 mg/l na primeira câmara e 2,0 mg/l na segunda câmara situaram-se entre 0,202 mg O3.min/l a 3,845 mg O3.min/l e, deste modo, estes podem ser considerados satisfatórios, levando-se em conta que a situação em que os mesmos foram executados pode ser considerado a mais crítica. Garante-se, deste modo, uma maior folga operacional à ETA-ABV com respeito ao processo de desinfecção, uma vez que o tempo de detenção hidráulico do reservatório atualmente existente nas suas dependências é muito pequeno, não oferecendo garantias a eficácia da operação unitária. Com respeito à configuração de aplicação de ozônio aplicado, recomenda-se que a dosagem de ozônio aplicada no primeiro reator seja tal que permita que a sua demanda inicial seja satisfeita, mas ao mesmo tempo, que seja a menor possível, de modo a maximizar a fração complementar da dose total a ser aplicada nos reatores subsequentes para que, a partir do segundo reator de contato possa ser estabelecido um perfil de concentração residual de ozônio maior e mais estável. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AIETA, E.M.; REGAN, K. M.; LANG, J. S.; McREYNOLDS, L.; KANG, J. W.; GLAZE, W. H. Advance oxidation processes for treating groundwater contaminated with TCE and PCE: pilot scale evaluation. Journal of American Water Works Association. May 1988, p FERGUSON, D. W.; McGUIRE, M. J.; KOCH, B.; WOLFE, R. L., AIETA, E. M. Comparing peroxone and ozone for controlling taste and odor compounds, disinfection by products and microorganisms. Journal of American Water Works Association April 1990, p

11 GLAZE, W. H.; KANG, J. W. Advance oxidation processes for treating groundwater contaminated with TCE and PCE: laboratory studies. Journal of American Water Works Association. May 1988, p GLAZE, W.H., SCHEP, R., CHAUCEY, W., RUTH, E.C., ZARNOCH, J.J., AIETA, E.M., TATE, C.H., McGUIRE, M.J. Evaluating oxidants for the removal of model taste and odor compounds from a municipal water supply. Journal American Water Works Association, p , May HUCK, P.M., ANDERSON, W.B., LANG, C.L., ANDERSON, W.A., FRASER, J.C., JASIM, S.Y., ANDREWS, S.A., PEREIRA, G. Ozone and peroxone for geomin and 2- methylisoborneol control: laboratory, pilot and modeling studies. In: AWWA ANNUAL CONFERENCE, Proceedings, 1995, California, 1995, p KARIMI, A.A.; REDMAN, J.A.; GLAZE, W.H.; STOLARIK, G.F. Evaluating na AOP for TCE and PCE removal. Journal American Water Works Association, p , August LANGLAIS, B., RECKHOW, D.A., BRINK, D.R. Ozone in water treatment: Application and Engineering. Lewis Publishers, Chelsea MI, 569 p., 1991.