Uso da Fotólise e da Fotocatálise Heterogênea na Desinfecção de Águas Residuais do Processamento do Soro de Leite

Transcrição

1 Uso da Fotólise e da Fotocatálise Heterogênea na Desinfecção de Águas Residuais do Processamento do Soro de Leite Héllen K. S. de Souza 1,*, Ana Cecília Ferruzzi 1, Mônica L. Fiorese 1, Veronice S. Santana 1 (1) Centro de Engenharias e Ciências Exatas. Universidade Estadual do Oeste do Paraná UNIOESTE, Campus Toledo-PR. * karolspricigo@hotmail.com. Resumo: O objetivo foi avaliar a remoção de microrganismos de águas residuais do processamento do soro de leite por meio da fotólise e fotocatálise heterogênea, além de verificar a influência da temperatura no crescimento microbiano. Para isso, utilizou-se apenas a radiação ultravioleta (UV) de 250 W (fotólise) e esta, juntamente com o catalisador Fe 2 O 3 -TiO 2 /vidro (fotocatálise heterogênea). Foram realizados testes de desinfecção em 2 efluentes diferentes durante 3 h, e em 4 efluentes por 6 h (utilizando amostras expostas à temperatura ambiente e à 5 o C). Para avaliar a eficiência do processo de desinfecção, utilizou-se o método de contagem total de microrganismos em placas. Verificou-se que, independente do efluente, os processos de fotólise e de fotocatálise se mostraram altamente eficientes, reduzindo quase que completamente a carga microbiana dos efluentes em 3 h e completamente em 6 h. A exposição das amostras à temperatura ambiente favoreceu o crescimento microbiano, evidenciando que se trata de microrganismos mesófilos, pois a baixa temperatura manteve esses microrganismos inativos. Palavras Chave: Fotocatálise; Desinfecção; Fotólise; Microrganismos. INTRODUÇÃO A poluição do meio ambiente tem sido apontada como um dos maiores problemas da sociedade moderna. Como resultado de uma crescente conscientização deste problema, novas normas e legislação cada vez mais restritivas têm sido adotadas, a fim de minimizar os impactos ambientais. Por isso, existe a necessidade de se desenvolver novos processos para o tratamento de efluentes que garantam um baixo nível de contaminantes e a preservação da qualidade do meio ambiente 1. Desinfecção de águas é a destruição de organismos causadores de doenças, possibilitando seu consumo ou o seu reuso na indústria. Existem vários métodos usados na desinfecção de águas, entre eles têm-se o cloro, o ozônio, o permanganato de potássio e o dióxido de cloro 2. O método mais utilizado é o de cloração. Este tratamento leva, entretanto, à formação de compostos indesejados e nocivos ao homem e ao ambiente 3. Entre os novos processos estudados para a desinfecção de águas, os chamados Processos Oxidativos Avançados (POAs) têm recebido grande atenção por serem capazes de converter poluentes em espécies químicas inócuas. Entre os POAs, a fotólise e a fotocatálise heterogênea têm sido amplamente estudadas 4. A fotólise envolve a interação irreversível da radiação UV com as moléculas ou com os microrganismos, causando a sua destruição parcial ou total 4. O princípio básico da fotocatálise heterogênea pode ser resumido na excitação eletrônica de um semicondutor, visando à geração de radicais hidroxilas ( OH) e de sítios oxidativos e redutivos em sua superfície que são capazes de oxidar uma variedade de compostos orgânicos a CO 2 e H 2 O e reduzir espécies presentes sobre a superfície do óxido 5, além de ser capaz de eliminar microrganismos patogênicos 6. Assim, a aplicação da radiação ultravioleta, seja por fotólise ou por fotocatálise, é um método alternativo de desinfecção que tem como vantagem a não geração de subprodutos indesejáveis, além da simplicidade de aplicação e baixos custos de operação e manutenção 1. O objetivo geral deste trabalho foi avaliar a remoção de microrganismos de diferentes amostras de águas residuais provenientes do processamento do soro de leite empregando fotólise e fotocatálise heterogênea, além de verificar a influência da temperatura no crescimento de microrganismos presentes nestas águas. MATERIAIS E MÉTODOS Efluentes a serem tratados 186

2 As amostras de águas residuais analisadas neste trabalho foram coletadas, em diferentes dias, na empresa Concentrado Indústria de Produtos Lácteos Ltda-SOORO, localizada em Marechal Cândido Rondon- PR. A indústria transforma o soro de leite em ingredientes úteis para a indústria de alimentos, produzindo: Concentrado Proteico de Soro, Permeado de Soro de Leite em Pó e Soro de Leite em Pó. O processo de osmose reversa, um processo de separação por membranas, utilizado na indústria possui três módulos de membranas (Estágios 1, 2 e 3). As amostras de águas residuais utilizadas foram: Efluente 1 (Ef-1) É o retentado (concentrado) da 3 a membrana do processo de osmose (3 o Estágio). Efluente 2 (Ef-2) É o filtrado que passou pela 1 a membrana do processo de osmose (1 o Estágio). Efluente 3 (Ef-3) É o filtrado que passou pela 2 a membrana do processo de osmose (2 o Estágio). Efluente 4 (Ef-4) É o filtrado que passou pela 3 a membrana do processo de osmose (3 o Estágio). Preparação do suporte para o catalisador Como suporte, utilizaram-se esferas de vidro (diâmetro: 1,7-2,4 mm). Antes de serem impregnadas, as esferas de vidro foram submetidas a um tratamento básico empregando solução de NaOH 5 mol/l durante 24 h. Depois disto, as esferas de vidro foram lavadas com água deionizada e secas em estufa. Preparação do catalisador imobilizado em esferas de vidro. Como fase ativa, utilizou-se Fe 2 O 3 -TiO 2, o qual foi preparado pela misturada de 18 g de TiO 2 (AEROXIDE P25 da Evonik- Degussa) e 2 g de Fe 2 O 3 (BAKER) e, posteriormente acrescentados a 150 ml de água deionizada, formando uma dispersão. Esta dispersão e 100 g de esferas de vidro foram colocadas em evaporador rotativo MA120 (MARCONI) a 75 C. Após a evaporação da água, o material foi seco em estufa a 100 C por 24 h e calcinado a 400 C por 5 h. Então, determinou-se a quantidade de Fe 2 O 3 -TiO 2 fixado pesando-se as esferas antes e depois da impregnação. Caracterização do catalisador As esferas de vidro cobertas com os óxidos foram analisadas em microscópio óptico com o objetivo de verificar se o processo de imobilização originou esferas com uma cobertura homogênea dos óxidos. Esta análise foi realizada em microscópio óptico OLYMPUS BX-41 do DEQ/UEM. Testes fotocatalíticos A unidade reacional utilizada é composta de dois reatores batelada de vidro tipo PYREX (30 cm de diâmetro) e irradiação artificial com lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão (250 W Empalux), emitindo preferencialmente radiação UV ( nm), localizada a 17 cm da superfície da solução. Esta lâmpada tem fluxo luminoso de lm e eficiência luminosa de 50 lm.w -1. Os testes fotocatalíticos consistiram em irradiar, durante 3 h, simultaneamente os dois reatores, cada um contendo 500 ml do Efluente 1 ou do 4 (os quais após a coleta ficaram armazenados em geladeira por 24 h). Em um dos reatores foi avaliada a fotólise e no outro a fotocatálise, empregando o catalisador (0,5 g/l de fase ativa). Após a determinação do processo de desinfecção mais eficiente, foram realizados testes para avaliar o efeito da temperatura no crescimento microbiano. Nesta fase, os testes consistiram em irradiar, durante 6 h, simultaneamente os dois reatores, cada um contendo 500 ml dos Efluentes (1 a 4). Em um dos reatores foi adicionado a amostra do efluente que permaneceu armazenada 24 h em geladeira ( 5 o C) e no outro, a amostra do 187

3 mesmo efluente que ficou à temperatura ambiente ( 20 o C) durante 24 h. Em todos os testes fotocatalíticos, as amostras iniciais e finais foram analisadas pelo método de contagem total de microrganismos em placas. microrganismos em placas antes e depois de 3 h de radiação UV podem ser observados na Tabela 1. Análise microbiológica No método de contagem total de microrganismos em placas, técnica de semeadura em profundidade com crescimento aeróbio e anaeróbio de mesófilos (30-35 o C) 7, as amostras foram diluídas em série (10 0 a 10-4 ), utilizando-se água peptonada salina (0,1% de peptona e 0,85% de NaCl em água destilada) como diluente, plaqueadas com meio de Plate Count Agar (PCA) (22,5 g de PCA por litro de água destilada) e, em seguida, foram incubadas em estufa a 35 C. Após 48 h de incubação, as colônias visíveis foram contadas, sendo utilizadas as placas contendo de 30 a 300 colônias 7. O plaqueamento para cada diluição foi feito em triplicata e o resultado (valor médio) foi expresso em unidades formadoras de colônias (UFC ml -1 ). RESULTADOS E DISCUSSÃO O processo de imobilização originou esferas contendo 6,3% de Fe 2 O 3 -TiO 2 (fase ativa). Estas esferas foram caracterizadas por microscopia ótica e a foto do catalisador Fe 2 O 3 -TiO 2 /vidro após o processo de impregnação pode ser visualizada na Figura 1. Observando a Figura 1, percebe-se que o Fe 2 O 3 -TiO 2 formou uma camada fina e dispersa sobre o suporte, sem muitas aglomerações. Isso provavelmente deve ter ocorrido devido ao fato do TiO 2 ser um pó muito fino, dificultando a adesão dessas partículas à superfície do vidro. Após a realização da desinfecção do Efluente 1 (retentado/concentrado) por fotólise e fotocatálise, antes e após a higienização da tubulação/equipamentos, realizada pela empresa, as amostras foram analisadas e os resultados da contagem de 188 Figura 1. Superfície da esfera coberta com Fe 2 O 3 - TiO 2. Tabela 1. Contagem de microrganismos para o Efluente 1 desinfetado por fotólise e por fotocatálise, antes e após a higienização. UFC ml Inicial (AH) Inc. Inc Fotólise (AH) * Fotocatálise (AH) * Inicial (DH) Inc. Inc. Inc. Inc. * Fotólise (DH) Inc. Inc. Inc. 72 * Fotocatálise (DH) Inc. Inc. Inc. 110 * AH Antes da higienização. DH Depois da higienização. * Não foi feita a diluição. Avaliando os dados apresentados na Tabela 1, verifica-se que o Efluente 1 apresentava-se altamente contaminado antes do processo de higienização, sendo possível a contagem de colônias apenas na diluição de 10-2, ou seja o Efluente 1 apresentou em torno de UFC ml -1. Após submeter o Efluente 1 aos processos de fotólise e fotocatálise, verificou-se a eficiência da desinfecção, ou seja, redução significativa (em duas casas decimais) no número de colônias formadas. Neste caso, a fotocatálise foi levemente superior à fotólise (182 UFC ml -1 ). Após a realização do processo de higienização pela empresa, as análises microbiológicas mostraram que o sanitizante

4 empregado não apresentava a eficiência esperada, pois o Efluente 1 após a higienização apresentou-se muito mais contaminado do que antes, não sendo possível a contagem das colônias na diluição 10-3 (Tabela 1). Devido à elevada contaminação, os processos de desinfecção foram menos eficientes, no entanto, foram capazes de reduzir o número de colônias na diluição Após a desinfecção do Efluente 4 (3 Estágio) por fotólise e fotocatálise, antes e após a higienização da tubulação/ equipamentos, realizada pela empresa, as amostras foram analisadas e os resultados da contagem de microrganismos em placas antes e depois de 3 h de radiação UV podem ser observados na Tabela 2. Tabela 2. Contagem de microrganismos para o Efluente 4 desinfetado por fotólise e por fotocatálise, antes e após a higienização. UFC ml Inicial (AH) Inc. Inc Fotólise (AH) Fotocatálise (AH) Inicial (DH) Inc. Inc. Inc. Inc. * Fotólise (DH) Fotocatálise (DH) AH Antes da higienização. DH Depois da higienização. *Não foi feita diluição Analisando os dados da Tabela 2, observa-se que o Efluente 4 apresentou as mesmas características do Efluente 1 (Tabela 1), antes do processo de higienização. Tanto o retentado quanto o filtrado da 3 a membrana se mostraram altamente contaminados (em torno de UFC ml -1 ) e os processos de fotólise e fotocatálise foram eficientes na desinfecção, principalmente para o Efluente 4 após o processo de higienização (redução em três casas decimais). Durante os processos de desinfecção, ocorre a oxidação dos componentes celulares dos microrganismos pelo ataque das células pelos radicais hidroxilas, gerados na superfície do catalisador, e também pela absorção direta da radiação UV pelas células, o que causa danos à parede celular, à 189 membrana citoplasmática e principalmente ao DNA. Dependendo da intensidade/dose da radiação UV aplicada, os danos aos microrganismos podem ser letais, levandoos à morte, ou subletais, ocasionando apenas mutações que podem ser recuperadas (autocapacidade de regeneração dos microrganismos) 6. A fotocatálise se apresentou mais eficiente que a fotólise na desinfecção dos Efluentes 1 e 4. No entanto, considerando que a diferença não foi tão significativa, mas principalmente, pensando na praticidade da aplicação apenas da irradiação UV, optou-se por realizar apenas testes de desinfecção por fotólise em tempos maiores (6 h), uma vez que os efluentes se mostraram altamente contaminados e que quanto maior o tempo de incidência de radiação UV, maior a probabilidade de ocorrer danos letais aos microrganismos. Nos testes realizados com 6 h, foi avaliada a influência da temperatura sobre o crescimento microbiano. Para isso, as amostras de cada um dos quatro efluentes foram divididas em duas partes, uma parte foi mantida em geladeira por 24 h e a outra, a temperatura ambiente pelo mesmo período de tempo. Após 24 h, ambas as amostras foram submetidas ao processo de desinfecção por fotólise. microrganismos em placas para o Efluente 1 antes e após a desinfecção de 6 h podem ser observados na Tabela 3. Tabela 3. Contagem de microrganismos para o Efluente 1 desinfetado por fotólise durante 6 h. Inicial Inc. Inc Inicial após 24 h Inc. Inc. Inc Inicial após 24 h Inc. Inc Fotólise Fotólise

5 Verifica-se que o Efluente 1 apresentavase altamente contaminado (em torno de UFC ml -1 ), sendo que a contagem de colônias na amostra inicial só foi possível na diluição 10-2 (Tabela 3). Após 24 h, percebese que a amostra exposta à temperatura ambiente apresentou um número de colônias maior, sendo possível a contagem destas somente na diluição 10-3 (em torno de UFC ml -1 ), evidenciando a facilidade de proliferação dos microrganismos nesta condição (T 20 o C). Já nas amostras que ficaram armazenadas em geladeira (T 5 o C) houve leve redução no número de colônias (em torno de UFC ml -1 ). Isso mostra que a temperatura afetou diretamente o crescimento microbiano, quanto maior a temperatura maior o crescimento dos microrganismos presentes nestes efluentes, evidenciando que esses são mesófilos. Após o tratamento de desinfecção por 6 h, percebe-se que houve redução considerável (em três casas decimais) da contaminação por microrganismos (Tabela 3), principalmente na amostra armazenada em geladeira, indicando que a exposição das amostras a temperaturas baixas facilita o processo de desinfecção por fotólise. microrganismos em placas após a desinfecção por 6 h do Efluente 2 (1 Estágio) podem ser observados na Tabela 4. Tabela 4. Contagem de microrganismos para o Efluente 2 desinfetado por fotólise durante 6 h. Inicial Inicial após 24 h Inc Inicial após 24 h Fotólise Fotólise Observando os dados apresentados na Tabela 4, verifica-se que o Efluente 2 não se 190 apresentava contaminado inicialmente (houve a troca do sanitizante usado pela empresa, o qual se mostrou eficiente) e que após 24 h à temperatura ambiente houve crescimento microbiano (em torno de UFC ml -1 ), constatando que a maior temperatura propiciou o crescimento dos mesófilos. Na amostra mantida à 5 o C, não houve a reprodução dos microrganismos, os quais foram mantidos inativos, pois esta não é a condição ideal para proliferação deste tipo de microrganismo. Após o tratamento de fotólise por 6 h, verifica-se que para a amostra que foi deixada à temperatura ambiente (que se mostrava altamente contaminada) houve total desinfecção (Tabela 4), evidenciando assim a eficiência da fotólise. microrganismos em placas após a desinfecção do Efluente 3 (2 Estágio) estão apresentados na Tabela 5. Tabela 5. Contagem de microrganismos para o Efluente 3 desinfetado por fotólise durante 6 h. Inicial Inicial após 24 h Inicial após 24 h Fotólise Fotólise Verifica-se que o Efluente 3 (Tabela 5), assim como o Efluente 2 (Tabela 2), não se apresentava contaminado inicialmente e que após 24 h exposto à temperatura ambiente houve um pequeno crescimento microbiano, porém não tão significativo quanto para o Efluente 2. Novamente o processo de desinfecção se mostrou altamente eficiente, descontaminando completamente a amostra após 6 h de irradiação UV (Tabela 5). microrganismos em placas para o Efluente 4

6 (3 Estágio) podem ser visualizados na Tabela 6. Verifica-se que o Efluente 4 não se apresentava contaminado inicialmente e que mantendo-o refrigerado (T 5 o C) não houve crescimento microbiano. Ao expor a amostra do efluente à temperatura ambiente, houve condição propícia para o desenvolvimento dos microrganismos mesófilos. Novamente o processo de desinfecção por fotólise se mostrou altamente eficiente, eliminando a carga microbiana após 6 h de irradiação. Tabela 6. Contagem de microrganismos para o Efluente 4 desinfetado por fotólise durante 6 h. Inicial Inicial após 24 h Inicial após 24 h Fotólise Fotólise CONCLUSÕES Após submeter as diferentes amostras de águas residuais aos processos de fotólise e fotocatálise, verificou-se a eficiência destes processos na desinfecção, sendo obtidas reduções significativas no número de colônias formadas e até mesmo a eliminação completa da carga microbiana. A temperatura é um fator determinante no crescimento dos microrganismos, evidenciando que os microrganismos presentes nestes efluentes eram mesófilos. Quanto maior a dose de radiação UV, maior os danos letais ocasionados aos microrganismos, sendo obtida desinfecção total dos quatro efluentes após fotólise por 6 h. Deve-se ressaltar ainda, que quanto maior a carga microbiana, menor é a eficiência do processo. Desta forma, a fotólise e a fotocatálise podem ser utilizadas como métodos de desinfecção satisfatórios, possibilitando à empresa a reutilização destes efluentes sem qualquer carga microbiana em seu processo. 191 Agradecimentos As autoras agradecem à empresa SOORO pelo apoio no desenvolvimento deste trabalho e a EVONIK pelo fornecimento da amostra de TiO 2 P25. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. REINALDO, M. V. A. A. Avaliação do processo fotocatalítico na desinfecção de efluentes anaeróbios de águas residuárias, p. Dissertação (Mestrado em Desenvolvimento e Meio Ambiente) Programa Regional de Pós- Graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente, Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande. 2. SANCHES, S., SILVA, C.; VIEIRA, E. Agentes desinfetantes alternativos para o tratamento de água, Química Nova na Escola, n 17, p.8-12, maio de RODRIGUES, C., ZIOLLI, R., GUIMARÃES, J., FIGUEIREDO, R. Descontaminação bacteriológica de água de abastecimento por meio de fotocatálise heterogênea utilizando luz solar. XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental, p.1-8, dezembro de ASSALIN, M. R. Aplicação da fotólise heterogênea na desinfecção de águas contaminadas com E.coli, p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Comissão de Pós-Graduação de Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas, Campinas. 5. SAUER, T. Degradação fotocatalítica de corante e efluente têxtil, p. Dissertação (mestrado em Engenharia Química) Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis. 6. CORDEIRO, A., LEITE, S., DEZOTTI, M. Inativação por oxidação fotocatalítica de Escherichia coli e Pseudomonas sp. Quimica Nova, Vol. 27, N 5, p , outubro de BRASIL. Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA). Instrução Normativa n o 62 de 26 de Agosto de 2003 Métodos Analíticos Oficiais para Análises Microbiológicas para Controle de Produtos de Origem Animal e Água. Brasil, 2003.