I-081 CARACTERIZAÇÃO HIDRODINÂMICA DE COLUNAS DE OZONIZAÇÃO OPERANDO EM REGIME DE ESCOAMENTO EM CONTRA-CORRENTE

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina I-081 CARACTERIZAÇÃO HIDRODINÂMICA DE COLUNAS DE OZONIZAÇÃO OPERANDO EM REGIME DE ESCOAMENTO EM CONTRA-CORRENTE Marta Regina Inoue Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Engenheira Química da Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP). 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. Endereço(1): Escola Politécnica da USP Departamento de Engenharia hidráulica e Sanitária. Av. Professor Almeida Prado, 271 Prédio de Engenharia Civil. Bairro Butantã. Cidade Universitária. CEP: Brasil - Tel: (11) / / ssffilho@usp.br RESUMO A utilização do ozônio como agente oxidante e desinfetante, em estações de tratamento de água tem crescido de forma significativa nos últimos anos. Enquanto o uso de cloro em Estações de Tratamento de Água pode ocasionar a formação de compostos organoclorados, principalmente trihalometanos, o mesmo não ocorre com a utilização do ozônio, porém como o ozônio é pouco solúvel em água, é necessário seu estudo de forma otimizar sua transferência na fase líquida. Com o objetivo de analisar a influência da vazão de líquido e a vazão de gás no comportamento hidrodinâmico do reator de contato, em regime de escoamento em modo contra-corrente, foram realizados ensaios experimentais, visando oferecer subsídios ao desenvolvimento de modelos hidrodinâmicos de reatores de ozonização.

2 Deste modo, foram conduzidos estudos com traçadores para sistemas de ozonização operando em modo contra-corrente com vazões de água de 16 a 51 l/min, vazão de ar de 50 a 471 l/hora e tempo médio de detenção hidráulico de 2,5 a 8 minutos, tendo-se utilizado como traçador o azul de metileno. Com base nos resultados experimentais concluiu-se que para sistemas de reatores de ozonização, operando em regime de escoamento em modo contra-corrente, o comportamento hidráulico do reator, varia de 2 a 6 reatores de mistura completa em série. Embora, tanto a vazão de ar quanto a vazão de água tenham influenciado no comportamento hidráulico do reator, a vazão de água teve uma importância muito maior que a vazão de ar. Observou-se que, com o aumento da vazão de água, mantendo-se constante a vazão de gás, o reator tendeu a um comportamento do tipo pistonado ideal, já para a vazão de gás, mantendo-se constante a vazão de água, ocorreu o inverso. Portanto, quando admite-se como hipótese que, numa modelação matemática de reatores de ozonização de contato operando em modo contra-corrente, o mesmo comporta-se como um reator pistonado ideal, esta deve-ser utilizada com restrições. PALAVRAS-CHAVE: Ozônio, reator de ozonização, coluna de ozonização. INTRODUÇÃO A utilização do ozônio como agente oxidante e desinfetante, em estações de tratamento de água tem crescido de forma significativa nos últimos anos. Enquanto o uso do cloro em Estações de Tratamento de Água pode ocasionar a formação de compostos organoclorados, principalmente os THM s, o mesmo não ocorre com a utilização do ozônio. O ozônio possui um grande potencial de utilização como agente desinfetante, podendo ser empregado para inativação de bactérias e vírus, cistos de giárdia e cryptosporidium. Nas Estações de tratamento de água para abastecimento, esgoto sanitário e efluentes industriais, o ozônio pode ser utilizado em: Desinfecção; Controle de algas; Auxiliar nos processos de coagulação-floculação; Oxidação de poluentes inorgânicos; Oxidação de micropoluentes orgânicos; Oxidação de macropoluentes orgânicos. O processo de ozonização é limitada pela eficiência da transferência de massa do ozônio da fase gasosa para a fase líquida, ocorrendo na interface com a camada do líquido, onde a

3 concentração do ozônio dissolvido é zero ou próximo de zero. Outros fatores interferem na eficiência do processo de ozonização, como as reações do ozônio com a fase líquida, da qualidade da água, do efeito do ozônio residual na água, do seu tempo de contato e do comportamento hidráulico do sistema de ozonização. Num sistema de ozonização podem ser utilizados diferentes tipos de reatores, a saber: mistura completa, reator em batelada, reator de semi-batelada e reator de contato. Dentre estes, os mais utilizados em Engenharia Sanitária e ambiental são os reatores de mistura completa e de contato, por apresentarem regime de escoamento contínuo. A adoção do tipo de reator de ozonização a ser empregada em uma estação de tratamento é feita em função de inúmeros fatores, podendo-se citar a vazão de líquido, dosagem de ozônio aplicada, porcentagem de ozônio no gás de alimentação, tempo de contato e da qualidade da água, além do aspecto econômico e do arranjo físico das instalações a serem projetadas. Os reatores de contato podem ser operados nos regimes de escoamento em contra corrente e co-corrente, são os mais difundidos e utilizados pela sua facilidade de operação, manutenção e por permitir maior concentração de ozônio na fase líquida. Um dos aspectos mais importantes no projeto de operação de reatores de ozonização por contato é a definição de seu comportamento hidráulico, uma vez que este irá permitir a otimização de ambas as fases, auxiliando na redução de custos e aumentando sua eficiência. Embora sob algumas condições os reatores de contato possam ser considerados como reatores pistonados ideais, em algumas situações esta hipótese pode não ser verdadeira. Por isso a necessidade de sua caracterização hidráulica para diferentes situações operacionais. MATERIAIS E MÉTODOS Para realização dos ensaios de determinação de caracterização hidrodinâmica foi escolhido um reator de contato, operando em regime de escoamento em contra-corrente, sob diferentes condições de vazão de água e ar. Essa escolha reside no fato de ser uma coluna de fácil construção, operação, manutenção e baixo custo. Foi utilizado o ar como gás de alimentação, onde admitiu-se que o mesmo possui características semelhantes ao gás de alimentação de sistemas de ozonização aplicados em reatores de contato, tendo-se as concentrações de ozônio em peso variado de 0,5% a 6 %. Os intervalos para as vazões de água foram de 16 a 51 l/min e de ar foram de 10 a 500 l/h. Para determinação da caracterização hidrodinâmica, o traçador escolhido foi o azul de metileno por possui características ideais para este tipo de ensaio, sendo de fácil visualização, identificação, inerte e baixo custo.

4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS Uma vez realizado os ensaios de caracterização hidráulica e determinados os valores das concentrações do azul de metileno na fase líquida em função do tempo, foi possível calcular as seguintes grandezas: distribuição do tempo de residência, tempo de detenção real (min), tempo médio de detenção hidráulico (min), número de reatores em série, variância e número de dispersão que determinaram o comportamento hidráulico da coluna operado em modo contra-corrente para diferentes vazões de ar e água, que estão apresentados na Tabela 1. Tabela 1 : Valores das Grandezas Calculadas nos Ensaios Experimentais Ensaio Executado Vazão de água de alimentação (QL) (l/min) Vazão de Ar de Alimentação (QG) (l/h) Tempo de Detenção Real (min) Massa do Traçador Recuperada (g) Tempo Médio de Detenção Hidráulico (min) Número de Reatores em Série Variância (min) Número de Dispersão I ,50

5 1,08 3,48 5,11 2,37 0,08 II ,50 1,03 3,52 5,32 2,33 0,11 III ,50 1,12 3,43 5,35 2,19 0,12 IV

6 ,50 1,09 3,28 4,55 2,35 0,14 V ,50 1,12 3,39 4,90 2,35 0,13 VI ,50 1,05 3,44

7 5,19 2,27 0,12 VII ,50 1,05 3,42 5,10 2,29 0,12 VIII ,50 1,16 3,48 4,15 2,91 0,13 IX

8 2,50 1,10 3,55 2,01 6,25 0,15 X ,99 1,11 5,58 2,77 11,25 0,13 XI ,99 1,16 5,87 3,08 11,19

9 0,12 XII ,99 0,90 5,28 2,90 9,59 0,12 XIII ,99 1,18 5,50 3,03 9,98 0,12 XIV ,99 1,19

10 5,55 2,91 10,58 0,12 XV ,99 1,15 5,43 2,96 9,97 0,12 XVI ,99 0,97 5,14 2,96 8,91 0,12 XVII

11 ,08 1,13 8,47 2,60 27,61 0,13 XVIII ,08 1,05 8,30 2,71 25,16 0,16 XIX ,08 1,12 9,06 2,59

12 31,65 0,18 XX ,08 1,03 8,55 2,87 25,43 0,16 XXI ,08 1,06 8,19 2,62 25,55 0,17 XXII

13 6,08 1,00 7,70 2,77 21,38 0,16 XXIII ,97 1,12 10,99 1,97 61,27 0,14 XXIV ,97 1,00 10,95 2,65 45,08 0,19

14 XXV ,97 0,99 10,19 2,62 39,62 0,19 XXVI ,97 1,13 10,99 1,97 61,27 0,14 A Figura 1 apresenta o número de reatores em série calculado em função da vazão de ar para diferentes valores de vazões de água, tendo-se concluído que, quanto menor a vazão de ar maior foi o número de reatores em série, mantendo-se constante a vazão de água. Portanto, quanto menor a vazão de ar, o reator tem um comportamento hidráulico próximo ao tipo pistonado, e em função do aumento da vazão de ar, o reator vai tendendo a um comportamento tipo mistura completa.

15 Figura 1 Influência da Vazão de Ar no Comportamento Hidráulico do Reator: Número de Reatores em Série A Figura 2 apresenta o número de dispersão calculado em função da vazão de ar para diferentes valores de vazão de água. Uma análise da Figura 2, permite concluir que, quanto menor a vazão de ar menor foi o número de dispersão, mantendo-se constante a vazão de água. Portanto, quanto menor a vazão de ar, o reator tem um comportamento hidráulico próximo ao tipo pistonado, e à medida que vai-se aumentando a vazão de ar, o reator vai tendo um comportamento tipo mistura completa. Figura 2 Influência da Vazão de Ar no Comportamento Hidráulico do Reator: Número de Dispersão Conclui-se que, na formulação de um modelo matemático de caracterização de reatores de contato, deve-se considerar com restrições a hipótese de que o mesmo comporta-se como um reator pistonado ideal, conforme apresentado nas Figuras 5.5 e 5.6, onde verifica-se claramente a influência das vazões de água e de ar e pelo fato dos intervalos de trabalho utilizados serem muito próximos aos intervalos empregados na modelação de reatores de contato em estações de tratamento de água. Com os valores adotados nesse estudo demonstrou-se que, para um número de reatores em série igual a 2,0 o reator tem tendência a se comportar como um reator de mistura completa e a partir de 5,0 o reator tende a ser do tipo pistonado ideal. A Figura 3 apresenta o número de reatores em série calculado em função da vazão de água para diferentes valores de vazões de ar, onde permite-se concluir que, quanto maior a vazão de água maior foi o número de reatores em série, mantida-se constante da vazão de ar. Portanto, quanto maior a vazão de água, o reator tende a um comportamento hidráulico próximo ao tipo pistonado, e a medida que vai-se diminuindo-se a vazão de água, o reator vai tendendo a um comportamento do tipo mistura completa. Figura 3 Influência da Vazão de Água no Comportamento Hidráulico do Reator: Número de Reatores em Série

16 Para os ensaios realizados, pode-se perceber que, a vazão de água tem uma influência muito maior que a vazão de ar no comportamento hidrodinâmico do reator. Variando-se a vazão de ar, não há uma alteração significativa no número de reatores em série. Verifica-se também que, não há alteração nos perfil da Figura 2 alterando-se a vazão de água e mantendo-se constante a vazão de ar, comprovando-se que a influência da vazão de água é muito maior que a vazão de ar. A Figura 3 apresenta o número de dispersão calculado em função da vazão de água para diferentes valores de vazão de ar, permite concluir que, quanto menor a vazão de água maior foi o número de dispersão, mantendo-se constante a vazão de ar. Portanto, quanto maior a vazão de água, o reator tem um comportamento hidráulico próximo ao tipo pistonado, e a medida que vai-se diminuindo a vazão de água, o reator vai tendo um comportamento tipo mistura completa. Percebe-se que, para os intervalos dos ensaios executados a variação do número de dispersão não foi grande, mantendo-se na faixa de 0,1 a 0,2. Figura 3 Influência da Vazão de Água no Comportamento Hidráulico do Reator: Número de Dispersão A Figura 5 apresenta a distribuição do tempo de residência normalizada para uma vazão constante de ar (Q=150 l/hora) em função da variação de vazão de água. Os intervalos escolhidos foram 16 l/min, 21 l/min, 32 l/min e 51 l/min. Figura 5 - Distribuição do Tempo de Residência Normalizada (vazão de ar (Q=150 l/hora) em função da variação de vazão de água) A Figura 6 apresenta a distribuição do tempo de residência normalizada para uma vazão constante de ar (Q=75 l/hora) em função da variação de vazão de água. Os intervalos escolhidos foram 16 l/min, 21 l/min, 32 l/min e 51 l/min.

17 Figura 6 - Distribuição do Tempo de Residência Normalizada (vazão de ar (Q=75 l/hora) em função da variação de vazão de água) De acordo com as Figuras 5 e 6, para diferentes valores de ar, não houve diferença no perfil dos ensaios executados. O maior pico deu-se a uma vazão de água de 51 litros por minuto, evidenciando-se que, á medida que diminui a vazão de água, diminui os pico das curvas e a coluna tende a ter um comportamento tipo mistura completa. Portanto, quando da modelação matemática de reator de contato deve-se considerar todos os parâmetros de dimensionamento (tempo de contato, vazão de água, vazão de ar), pois todos, de alguma maneira, influenciam na modelação matemática do comportamento hidráulico do reator. CONCLUSÕES De acordo com os resultados experimentais obtidos pode-se concluir que: Para tempos de detenção hidráulico em reatores de ozonização de contato de 2,5 minutos a 8,0 minutos e valores de relação gás-líquido entre 0,05 a 0,16 observou-se experimentalmente que o comportamento hidráulico do reator varia de 2 a 6 reatores de mistura completa em série; Com o aumento da vazão de água, mantido constante a vazão de gás, o comportamento hidráulico do reator de ozonização de contato tendeu a pistonado ideal, evidenciado pelo aumento do número de reatores de mistura completa em série que representam comportamento hidráulico equivalente. Com o aumento da vazão de gás, mantido constante a vazão de água, o comportamento hidráulico do reator de ozonização de contato tendeu a mistura completa, evidenciado pela diminuição do número de reatores de mistura completa em série, que representam comportamento hidráulico equivalente. A vazão de ar, embora tivesse ocasionado variação no comportamento hidráulico do reator de ozonização de contato, esta não foi tão significativa quando comparada com a influência da vazão de líquido. A modelação matemática de reatores de ozonização de contato, admitindo-se que o mesmo comporte-se como um reator pistonado ideal, deve ser visto com reservas, devendo-se ter em mente as limitações dos resultados simulados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BELLAMY, WILLIAM D. Full-Scale Ozone contactor Study, AWWA, Research Foundation and American Water Works Association

18 BOURBIGOT, MARIE-MARGUERITE - Ozone Disinfection in Drinking Water - Journal New England W. W. A. - 1p. vol. 103, n. 1- março de 1989 DI BERNARDO, LUIZ Métodos e técnicas de tratamento de Água V. 1 09/1993 Rio de janeiro EPA - Alternative Desinfectants and Oxidants Guindance Manual abril/1999 EIGER, S.; FILHO, S. S. F.; FILHO, F. A. L., - Modelagem Matemática de Sistemas de Ozonização de Contato Parte I e Parte II Revista ABES 1998 MONTEGOMERY, J. M. Water Treatment Principles e Design Consulting Engineers Inc PONTIUS, W. F. Water Quality and Treatment a Handbook fo Community Water Supplies fourth Edition AWWA 1990 SCHROEDER, E. D., - Water and Wastewater Treatment SONS and WILEY, JOHN, Chemical Reaction Engineering p , 1972