Conceitos da climatologia aplicados ao processo de desinfecção solar de esgoto

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1 Conceitos da climatologia aplicados ao processo de desinfecção solar de esgoto sanitário secundário por fotocatálise heterogênea com dióxido de titânio Marcos J Oliveira a*, Rodrigo Chinaglia b, Francisco A S Vecchia a, Luiz A Daniel b a Centro de Recursos Hídricos e Ecologia Aplicada, Departamento de Hidráulica e Saneamento, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Brasil. b Departamento de Hidráulica e Saneamento, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Brasil. * Autor para a correspondência: marcos.jose.oliveira@usp.br Palavras-chave: climatologia dinâmica, tratamento de esgoto, radiação solar. Título abreviado: Climatologia aplicada à desinfecção solar de esgoto. Abstract The application of solar radiation in the disinfection of sewage is a viable and promising alternative, contributing to the control of diseases caused by pathogenic organisms related to polluted water. The study objective was to use the analysis of dynamic climate for identification of the active air masses in the region, characterizing the types of weather using the concept of climatic episodes, during the testing of disinfection by heterogeneous photocatalysis with titanium dioxide in a,48 m 2 photoreactor (.96 m.5 m). The rate of inactivation of pathogenic microorganisms, using fecal coliforms (E. coli) as indicators, was correlated with global solar radiation. of solar radiation, air temperature, relative humidity and precipitation, collected by an automated weather station, have been used in the characterization of the experimental days of two researches of secondary sewage disinfection by heterogeneous photocatalysis. It is 1

2 concluded that the rates of inactivation is directly proportional to solar radiation, and that understanding of the influence of climate conditions is a decisive factor in the transformation of research into real projects, with a view to development of a new technology. Resumo A aplicação da radiação solar na desinfecção de esgoto consiste em uma alternativa viável e promissora, contribuindo para o controle de doenças de veiculação hídrica. O objetivo do estudo foi utilizar a análise dinâmica do clima para identificação das massas de ar atuantes na região, caracterizando os tipos de tempo por meio de episódios climáticos, durante os ensaios de desinfecção por fotocatálise heterogênea com dióxido de titânio em um fotorreator de,48 m 2 (,96 m,5 m). A taxa de inativação de microorganismos contaminantes, utilizando os coliformes fecais (E. coli) como indicadores, foi correlacionada com a radiação solar global. Dados de radiação solar global, temperatura do ar, umidade relativa e precipitação, coletados em uma estação climatológica automática, foram utilizados na caracterização dos dias de realização dos ensaios de duas pesquisas de desinfecção por fotocatálise heterogênea de esgoto sanitário secundário, proveniente da Estação de Tratamento de Esgoto da USP de São Carlos. A metodologia utilizada mostrou-se adequada para a análise. Conclui-se que as taxas de inativação são diretamente proporcionais à radiação solar global, e que a compreensão da influência das condições do clima representa um fator decisivo no processo de transformação de pesquisas em projetos reais, com vistas ao desenvolvimento de uma nova tecnologia. 2

3 INTRODUÇÃO A radiação solar é cada vez mais valorizada devido à melhoria da eficiência das tecnologias que implicam no aumento da viabilidade de sua aplicação para diversos fins úteis. Fonte eterna de energia natural, a radiação solar tem potencial grande e promissor para uma ampla variedade de aplicações, pois é abundante e acessível. Aplicada ao tratamento de esgotos sanitários, a radiação solar contribui com a prevenção de uma variedade de doenças veiculadas pela água. Segundo Paterniani e Silva (25), a energia solar é perfeitamente aplicável na desinfecção de águas em regiões desfavorecidas, com reduzida infra-estrutura e escassez de recursos financeiros, pois não é exigida a dosagem de produtos químicos e não representa custos, uma vez que materiais comerciais descartados podem ser reutilizados. Neste contexto surgem os Processos Oxidativos Avançados (POA), pelos quais se pode oxidar grande variedade de compostos orgânicos complexos por meio da geração de radicais livres hidroxila ( OH), agentes altamente oxidantes, gerados em reações fotocatalisadas ou quimicamente catalisadas, capazes de mineralizar poluentes orgânicos a formas não tóxicas, como CO 2 e H 2 O. (Ferreira, 25). Dentre os POA destaca-se a fotocatálise heterogênea, processo que envolve reações redox induzidas pela radiação na superfície de semicondutores minerais (catalisadores) como, por exemplo, o dióxido de titânio (TiO 2 ). Como uma das vantagens em se utilizar reações heterogêneas, o fotocatalisador pode ser reutilizado e a radiação solar pode ser empregada como fonte de luz para ativar o catalisador (Suri et al., 1993). No Brasil, a utilização da fotocatálise heterogênea com aproveitamento da radiação solar é plenamente justificada, pois seu território está localizado numa faixa privilegiada em relação à disponibilidade desta fonte de energia o que viabiliza o 3

4 processo com menores custos. O estudo da influência isolada da radiação na fotocatálise heterogênea é sugerido por Ferreira (25), enquanto que Batista (28) sugere avaliar a eficiência do reator em diferentes estações do ano. Considerando a radiação solar uma variável de suma importância nos processos de desinfecção, o presente estudo tem como propósito contribuir com alguns conceitos da climatologia dinâmica na avaliação da relação entre radiação e a eficiência de inativação de coliformes fecais (E. coli) no processo de desinfecção de esgoto sanitário secundário por fotocatálise heterogênea com TiO 2. A pesquisa teve como objetivo a caracterização dos tipos de tempo e episódios climáticos do fato climático tomados em escala regional e microclimática, com base nos conceitos da abordagem dinâmica do clima. Para isto considerou-se os estados atmosféricos e o domínio das massas de ar atuantes no momento das medições, e os valores da radiação, temperatura do ar, umidade relativa e precipitação, registrados a cada 3 minutos. METODOLOGIA Como base de análise do presente estudo, utilizou-se dos dados da pesquisa de dois estudos de desinfecção solar de esgoto sanitário secundário por fotocatálise heterogênea com TiO 2 : uma tese de doutorado (Ferreira, 25) e um relatório de pesquisa de iniciação científica (Chinaglia, 25), trabalhos desenvolvidos no Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos. Ambos os experimentos foram realizados com a utilização do mesmo reator (Figura 1) constituído de placa de vidro de 6 mm de espessura e dimensões de 1,2 m de comprimento por,54 m de largura sobre a qual foi imobilizado o catalisador dióxido de titânio em área de aproximadamente,48 m 2 (,96 m x,5 m). O esgoto foi 4

5 recirculado por bombeamento. (Ferreira, 25). Figura 1 Instalação Experimental do Fotorreator com dióxido de titânio fixado (Foto: Ferreira, 25) Variando-se a fonte dos efluentes, a inclinação da placa, a presença ou não de luz, de TiO 2 e de vedação do fotorreator, Ferreira (25) realizou 28 ensaios no total. Destes, foram escolhidos três ensaios com características compatíveis e coincidentes com os seis ensaios realizados por Chinaglia (25). Considerando as diferentes variáveis testadas pelos autores para normalização dos critérios de comparação dos dois estudos, a equiparação do presente estudo foi limitada pelos parâmetros analisados no trabalho de Chinaglia (25). Os ensaios escolhidos foram realizados, portanto, nas seguintes condições experimentais: ângulo da placa com TiO 2 a 22 em relação ao horizonte, presença de luz e vedação com filme plástico para evitar a evaporação do efluente durante o experimento. Quanto à vazão, analisaram-se os valores de 15 L/h, 22,5 L/h e 3 L/h de efluente proveniente de um reator anaeróbio/aeróbio de leito expandido constituído de carvão ativado (UASB), o qual trata o esgoto do Campus I da USP em São Carlos e também de contribuições domésticas das imediações. Os experimentos, do tipo batelada, tiveram duração de 4 horas na pesquisa de 5

6 Ferreira (25), com início às 9 h 3 min. e término às 13 h 3 min., sendo todos realizados em dias de céu claro (sem nuvens na maior parte do tempo). Na pesquisa de Chinaglia (25), os experimentos com duração de 3 horas foram realizados na maioria em dias nublados, com início às 13 h e término às 16 h. Desta forma, os dias de experimentação com características comuns de ensaio foram analisados de acordo com conceitos da climatologia dinâmica. A adoção de conceitos da Climatologia Dinâmica permite discernir o estudo do deslocamento, freqüência e intensidade das massas de ar. No Brasil, essa visão da Climatologia foi introduzida por Monteiro (1967), que define o clima como sendo a sucessão habitual dos tipos de tempo. A sucessão de entradas de massas polares sobre o sudeste brasileiro permite ainda identificar o seu padrão cíclico, denominado por Monteiro (1967), de sucessão encadeada de tipos de tempo. Decorre dessa abordagem a constituição de episódios de clima, seqüência de dias em que ocorre a atuação de uma massa de ar polar, dividida em quatro fases distintas: 1. Prenúncio da penetração de uma massa polar sobre a região definida; 2. Avanço da frente fria sobre a região (momento da entrada da frente e efetiva atuação da massa polar); 3. Domínio da massa polar; e 4. Transição ou Tropicalização da massa de ar polar. Para análise episódica do clima, dados de radiação solar, temperatura do ar e umidade relativa foram adquiridos a cada 3 minutos em uma estação climatológica automática CR1X da Campbell Scientific, localizada ao lado do Laboratório de Construção Civil da USP, a cerca de 5 m da estação de tratamento de esgoto, onde se encontrava o fotorreator. Coletados, convertidos e tabulados, os dados foram incorporados em planilhas no MS Excel para análise de consistência e confecção de gráficos e de tabelas destinadas à elaboração dos resultados. 6

7 RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Tabela 1 estão exibidas as variáveis operacionais dos ensaios com as respectivas datas, vazões, tempos de detenção hidráulica (θ) e tempos de irradiação (t irradiação ) de cada um. Tabela 1 Variáveis operacionais dos ensaios Autor Ensaio* Q (L) θ (s) t irradiação (s) Ferreira (25) Chinaglia (25) * Números conforme citados nas obras /1/ /11/ /11/ /9/ /9/ /9/ /9/ /5/ /5/ O tempo de detenção hidráulica (θ) refere-se ao tempo médio de escoamento do esgoto desde o topo até o final da placa, enquanto que o tempo de irradiação (t irradiação ) é uma estimativa do tempo de exposição do esgoto ao processo de tratamento ao longo dos experimentos, dados pelas expressões: (1) θ = V reator /Q, e (2) t irradiação = t total (V reator /V total ), em que V reator representa o volume do fotorreator [L] 3 ; Q representa a vazão do esgoto [L] 3 [T] -1 ; t total representa tempo de recirculação [T]; e o V total representa o volume a ser tratado (Ferreira, 25). As eficiências da inativação dos microrganismos indicadores, as bactérias E. coli, estão apresentadas na Tabela 2. Parâmetro Tabela 2 Inativação de E. coli Autor/Ensaio E. coli Ferreira (25) Chinaglia (25) (UFC 1 ml -1 ) Afluente (N ) Efluente (N) Redução (log(n/n ))

8 Análise episódica climática dos ensaios Selecionados os ensaios exibidos e os respectivos decaimentos dos coliformes fecais, os principais elementos do clima temperatura do ar, umidade relativa, radiação solar global e precipitação obtidos pela estação climatológica automática foram plotados, favorecendo a análise episódica dos dias em que foram realizados os experimentos de desinfecção no fotorreator. A Figura 2 apresenta os elementos climáticos do período de 4 a 2 de outubro de 23, destacando o dia 13 em que foi realizado o ensaio #19 de Ferreira (25). Neste episódio verificam-se as diferentes fases das massas de ar atuantes na região: até o dia 5 uma massa de ar tropical exerce domínio na região; no dia 6 observa-se a queda nos valores de temperatura, caracterizando-se a passagem de uma frente fria, seguida pela entrada de uma massa de ar polar que ocasiona chuva na região; devido à nebulosidade, a radiação solar global apresenta-se reduzida até o dia 12; a partir de então, no dia 13 a massa de ar fria inicia o processo de tropicalização, com o aumento dos valores de temperatura. Na Figura 3 apresenta-se o período de 8 a 24 de novembro de 23, que engloba os ensaios #2 e #21 de Ferreira (25), realizados nos dias 1 e 2, respectivamente. Nota-se no gráfico que o ensaio #2 foi realizado na fase de domínio de uma massa de ar quente, ou seja, na fase pré-frontal, caracterizada pela intensa radiação, altos valores de temperatura e baixa umidade relativa do ar. Já no dia do ensaio #21, nota-se que ele estava sob a fase de transição de uma massa de ar que exercia o domínio na região desde o dia 12. 8

9 35 3 Ensaio T ( C) UR (%) Rad. Solar (kw/m 2 ) Precipitação (mm) ,8,6,4, Temperatura Umidade Relativa Figura 2 Gráficos do episódio climático do período de 4 a 2 de outubro de 23, com destaque para o ensaio #19 de Ferreira (25), realizado no dia 13. (A) Temperatura do ar (T) e Umidade Relativa (UR); (B) Radiação solar global; (C) Precipitação. A B C Ensaio 2 Ensaio T ( C) UR (%) Rad. Solar (kw/m 2 ) Precipitação (mm) ,8,6,4, Temperatura Umidade Relativa Figura 3 Gráficos do episódio climático do período de 8 a 24 de novembro de 23, com destaque para os ensaios #2 e #21 de Ferreira (25), realizados nos dias 1 e 2, respec. (A) Temperatura do ar (T) e Umidade Relativa (UR); (B) Radiação solar global; (C) Precipitação. A B C 2 9

10 Os gráficos com a análise climática dos ensaios #1 e #2 de Chinaglia (25) são mostrados na Figura 4, exibindo o período de 6 a 17 de setembro de 24. Observa-se que o ensaio #1 foi realizado em um dia sob domínio de uma massa de ar quente, com elevada radiação e altos valores de temperatura; enquanto que o ensaio #2 foi realizado em um dia de domínio de uma massa de ar fria, relativamente vigorosa, que elevou os índices de umidade relativa e reduziu os de temperatura desde o dia 11. A Figura 5 apresenta o período de 18 a 3 de agosto de 24, no qual os ensaios #3 e #4 de Chinaglia (25) foram realizados nos dias 22 e 29, respectivamente. O dia 22 do ensaio #3 se encontrava sob domínio de uma massa de ar fria em tropicalização, e o dia 29 do ensaio #4 apresenta características da fase de avanço de uma massa de ar fria: redução da radiação, queda da temperatura e aumento da umidade relativa do ar. 4 Ensaio 1 Ensaio 2 1 T ( C) Rad. Solar (kw/m 2 ) Precipitação (mm) ,8,6,4, Temperatura Umidade Relativa A B C UR (%) Figura 4 Gráficos do episódio climático do período de 6 a 17 de setembro de 24, com destaque para os ensaios #1 e #2 de Chinaglia (25), realizados nos dias 8 e 16, respec. (A) Temperatura do ar (T) e Umidade Relativa (UR); (B) Radiação solar global; (C) Precipitação. 1

11 T ( C) Rad. Solar (kw/m 2 ) Precipitação (mm) Temperatura Umidade Relativa ,8,6,4, Ensaio 3 Ensaio Figura 5 Gráficos do episódio climático do período de 18 a 3 de setembro de 24, com destaque para os ensaios #3 e #4 de Chinaglia (25), realizados nos dias 22 e 29, respec. (A) Temperatura do ar (T) e Umidade Relativa (UR); (B) Radiação solar global; (C) Precipitação. A B C UR (%) O ensaio #5 realizado por Chinaglia (25) é exibido na Figura 6, que compreende os dias de 17 a 27 de maio de 25. O dia 19 do ensaio é caracterizado pelo domínio de uma massa de ar quente, com o estado atmosférico na fase de pré-frontal da entrada de uma massa de ar fria vigorosa no dia 2. Os dados climáticos do ensaio #6 não foram coletados devido a problemas de manutenção da estação climatológica. Sintetizando os resultados das análises episódicas descritas anteriormente em detalhes, na Tabela 3 são mostradas as características das massas de ar atuantes nos dias de cada ensaio. Utilizados no gráfico da Figura 7, os valores da radiação solar global média e da taxa de inativação de coliformes fecais são apresentados na mesma tabela. Na Figura 8 é possível observar em detalhe a variação temporal da radiação solar global, coletada a cada 5 minutos, dos ensaios realizados por Chinaglia (25). 11

12 Ensaio 5 T ( C) UR (%) Rad. Solar (kw/m 2 ) Precipitação (mm) ,8,6,4,2 Temperatura Umidade Relativa A B C 2 Figura 6 Gráficos do episódio climático do período de 17 a 27 de maio de 25, com destaque para o ensaio #5 de Chinaglia (25), realizado no dia 19. (A) Temperatura do ar (T) e Umidade Relativa (UR); (B) Radiação solar global; (C) Precipitação. Tabela 3 Características climáticas nos dias dos ensaios Autor Ensaio Massa de ar* Estado atmosférico Fase Radiação solar média (W/m 2 ) Taxa de inativação Ferreira (25) 19 mp Pós-frontal D/T mt Pré-frontal D mp Pós-frontal D/T mt Pré-frontal D mp Pós-frontal D Chinaglia (25) 3 mp Pós-frontal T mp Pré-frontal A mt Pré-frontal P * mt: Massa Tropical; mp: Massa Polar P: Prenúncio; A: Avanço; D: Domínio; T: Tropicalização 12

13 Inativação log(n/no) y = -1E-5x 2 +,41x - 1,25 R 2 =, Chinaglia (25) Ferreira (25) , 2, 4, 6, 8, 21 Radiação Solar Média (W/m²) Figura 7 Correlação da inativação de E. coli em relação à intensidade média de radiação solar global Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Ensaio 4 Ensaio 5 Ensaio 6 Rad. Solar (W/m 2 ) Hora Figura 8 Radiação solar global durante os ensaios realizados por Chinaglia (25). CONCLUSÕES A quantidade da radiação solar é essencial para o tratamento e conseqüente eliminação dos organismos patogênicos de esgotos sanitários. A análise episódica e caracterização dos tipos de tempo permitiram identificar as condições climáticas durante 13

14 os ensaios, contribuindo na melhoria da visualização da correlação entre a radiação e a taxa de inativação de coliformes fecais no fotorreator com dióxido de titânio, durante o processo de desinfecção por fotocatálise heterogênea de esgoto sanitário secundário. A identificação dos tipos de tempo possibilita inferir que as taxas de inativação são diretamente proporcionais à radiação solar global. Ou seja, em dias nublados, com menor incidência da radiação solar, o processo de desinfecção não é tão eficiente como nos dias ensolarados. Este fato merece bastante atenção, pois, as pesquisas em diferentes escalas com estudos de pequenos reatores em batelada, projetos piloto e projetos reais com tratamento em fluxo contínuo devem levar em consideração que as condições climáticas estão sujeitas às variabilidades decorrentes das alterações naturais da radiação e nebulosidade, temperatura do ar, precipitação e umidade relativa. O estudo dessas variações dos tipos de tempo consiste na essência da análise dinâmica do clima, pois ela permite caracterizar as massas de ar atuantes, neste estudo de caso com enfoque na região sudeste, por meio da identificação entradas de massas de ar polares, suas freqüências e intensidades. Além dos fatores climáticos, outras variáveis podem interferir na eficiência de desinfecção. Verificou-se que mesmo com relativa alta radiação, algumas taxas de desinfecção não foram satisfatórias. Neste caso a queda da eficiência de descontaminação do reator pode estar associada à cor e turbidez das diferentes amostras dos efluentes. O esgoto utilizado na pesquisa, proveniente de reator UASB, contém apreciável quantidade de substâncias que absorvem a radiação solar, enquanto que o ideal seria utilizar esgoto já proveniente de tratamento final, com valores reduzidos de cor e turbidez. 14

15 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Batista CH. 25. Estudo do processo de desinfecção de água via energia solar utilizando um reator experimental. Dissertação de Mestrado da Universidade de Tiradentes. Aracaju, Brasil: 9 p Chinaglia R. 25. Fotocatálise heterogênea com TiO 2 aplicada ao tratamento de esgoto sanitário. Relatório Final do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica (PIBIC/CNPQ) da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. São Carlos, Brasil: 22 p Ferreira IVL. 25. Fotocatálise heterogênea com TiO 2 aplicada ao tratamento de esgoto sanitário secundário. Tese de Doutorado da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. São Carlos, Brasil: 16 p Monteiro CAF Ritmo hibernal da frente polar e as chuvas na fachada subtropical atlântica do Brasil: contribuição metodológica à análise geográfica dos tipos de tempo no Brasil. Tese de Doutorado da Faculdade de Filosofia, Letras e Ciências Humanas da Universidade de São Paulo. São Paulo, Brasil Paterniani JES, Silva MJM. 25. Desinfecção de efluentes com tratamento terciário utilizando energia solar (SODIS): avaliação do uso do dispositivo para concentração dos raios solares. Engenharia Sanitária e Ambiental, 1: 9-13 Suri RPS, Liu J, Hand DW, Crittenden JC, Perram DL, Mullins ME Heterogeneous photocatalytic oxidation of hazardous organic contaminants in water. Water Environmental Research, 65: AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica (PIBIC) do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ) pelo financiamento das pesquisas que contribuíram para o presente estudo. 15