22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina I-156 INFLUENCIA DA EFICIENCIA HIDRAULICA NA EFICIENCIA DE DESINFECÇAO MEDIDA EM UNIDADES DE FLUXO CONTINUO Ismênia Resende Fonseca(1) Química pela Universidade do Vale do Rido Doce (UNIVALE). Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Professora do Departamento de química do Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo (CEFET-ES). Lucas Henrique Caser Venturim Graduando em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Renato do Nascimento Siqueira Engenheiro Mecânico e Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Doutor em Engenharia Civil pela Loughborough University of Technology, Loughborough, Inglaterra. Edmilson Costa Teixeira Engenheiro Civil pela Universidade Federal da Bahia (UFBA). Mestre em Engenharia Civil pela Universidade de São Paulo (USP). Doutor em Engenharia Civil pela University of Bradford, Bradford, Inglaterra. Professor do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo (PPGEA/UFES). Endereço(1): DEA GEAHR CT / UFES - Cx. Postal 01-9011 - CEP: 29060-970 Vitória -ES Brasil Tel: (27) 3389-5357 e-mail: edmilson@npd.ufes.br
RESUMO O cloro é um agente oxidante de elevado potencial bactericida, além de estar disponível a preço razoável, apresentar facilidade de manuseio, armazenamento, transporte e aplicação, produzindo ainda um residual capaz de evitar a recontaminação da água tratada. Porém, tem-se constatado que o processo da cloração não alcança um nível desejável de desinfecção da água na maioria das unidades de contato, pois estas não fazem uso eficiente do desinfetante. As principais causas dessa deficiência são atribuídas a falhas de operação e projeto das unidades. Este trabalho avalia a importância da hidrodinâmica de escoamento na eficiência de desinfecção com base em medições da eficiência hidráulica e de desinfecção em um modelo reduzido de unidade de cloração de fluxo contínuo utilizandose água bruta da Estação de Tratamento de Água de Viana (ETA-VIANA), operada pela Companhia Espírito-santense de Saneamento (CESAN), localizada no município de Viana do Estado do Espírito Santo. PALAVRAS-CHAVE: Unidade de Contato, Desinfecção, Eficiência Hidráulica, Eficiência de Desinfecção, Cloração. INTRODUÇÃO No Brasil, assim como em vários outros países, a cloração tem sido o processo de desinfecção de água mais utilizado para o controle de microrganismos patogênicos em unidades de contato do tipo fluxo contínuo. O cloro é um agente oxidante de elevado potencial bactericida, além de estar disponível a preço razoável, apresentar facilidade de manuseio, armazenamento, transporte e aplicação, produzindo ainda um residual capaz de evitar a recontaminação da água tratada (Fair, Geyer e Okum, 1954). Porém, tem-se constatado que o processo da cloração não alcança um nível desejável de desinfecção da água na maioria das unidades de contato, pois estas não fazem uso eficiente do desinfetante. As principais causas dessa deficiência são atribuídas a falhas de operação e projeto das unidades (Hart e Gupta, 1978). Durante a fase de projeto, o escoamento no interior das unidades é tido como ideal. Dependendo da configuração da unidade, as características hidrodinâmicas do escoamento podem afastar-se consideravelmente das características ideais, apresentando parcelas significativas de curto-circuito e zonas mortas, o que diminui a eficiência hidráulica da unidade.
Trabalhos anteriores mostram que a eficiência de desinfecção está intimamente relacionada à eficiência hidráulica (Figueiredo, 2001). Porém, a maioria dos trabalhos existentes na literatura baseiam-se em modelos analíticos ou numéricos e enfatizam a importância da hidrodinâmica na eficiência do processo de desinfecção. Poucas, ou raras, são as comprovações disso através de medições da eficiência de desinfecção. Este trabalho avalia a importância da hidrodinâmica de escoamento na eficiência de desinfecção com base em medições da eficiência hidráulica e de desinfecção em um modelo reduzido de unidade de cloração de fluxo contínuo utilizando-se água bruta da Estação de Tratamento de Água de Viana (ETA-VIANA), operada pela Companhia Espírito-santense de Saneamento (CESAN), localizada no município de Viana do Estado do Espírito Santo. OBJETIVOS Avaliar a influência da eficiência hidráulica na eficiência de desinfecção em tanques de contato de fluxo contínuo tendo como referência a taxa de inativação de coliformes fecais e totais, medidas em um estudo com modelo reduzido e utilizando-se água bruta captada em uma estação de tratamento de água da Companhia Espírito-santense de Saneamento. MATERIAIS E MÉTODOS Inicialmente foi feita uma avaliação da interferência da qualidade da água bruta no processo de desinfecção (Fonseca, 2003). A água bruta utilizada no sistema experimental deste trabalho pertence ao Rio Santo Agostinho e abastece a Estação de Tratamento de Água de Viana (ETA-VIANA), operada pela Companhia Espírito -santense de Saneamento (CESAN), localizada no município de Viana do Estado do Espírito Santo. Para análise da qualidade de água in natura, foram tomados os parâmetros que indicam presença de matéria orgânica e inorgânica oxidáveis, e que comprometem o processo da desinfecção da água com cloro (McCarty e Aieta, 1984). Os parâmetros de qualidade da água selecionados foram: ph, cor, turbidez, temperatura, sólidos suspensos totais (SST), nitrogênio amoniacal (N-NH3), ferro e manganês (Fe2+ e Mn2+), demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO) e oxigênio dissolvido (OD). Os parâmetros bacteriológicos utilizados na determinação da taxa de inativação bacteriana foram coliformes totais (CT) e fecais (CF). Todas as análises foram realizadas com três repetições e de acordo com a metodologia descrita no "Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater" (19a edição, 1995). Nos ensaios para obtenção das dosagens de cloro aplicado através da cloração ao breakpoint foram realizadas três campanhas em períodos de maior variações temporais: época mais chuvosa (outubro a dezembro de 2001), época menos chuvosa (agosto e setembro de 2001) e época sem chuva (Junho e Julho de 2001), períodos em que se
procedeu ao monitoramento da qualidade da água do manancial. Através de análise em laboratório foi possível se obter o coeficiente de cinética reacional (k). Com o monitoramento dos dados de coliformes fecais e totais na entrada e na saída da unidade foi possível se obter a eficiência de desinfecção (Taxa de Inativação de Coliformes). Como mencionado anteriormente, e eficiência de desinfecção é função da eficiência hidráulica, a qual depende da configuração da unidade. Foram experimentadas três configurações distintas: configuração original, com defletor de escoamento e com chicanas longitudinais. Uma representação esquemática das configurações estudadas é mostrada na Figura 1. A eficiência hidráulica destas unidades foi avaliada com base no coeficiente adimensional de mistura (d). a) original b) com defletor c) com chicanas Figura 1 Configurações utilizadas para a ava liação da influência da Eficiência Hidráulica na Eficiência de desinfecção. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados obtidos neste estudo quanto a influencia da eficiência hidráulica na taxa de remoção de coliformes totais e fecais e no consumo de desinfetante é analisada nesta seção. Verificação da Influência da Eficiência Hidráulica na Taxa de Remoção de Coliformes Totais e Fecais As medições das concentrações de coliformes (UFC/100ml) na entrada e saída da UC foram determinadas a partir de três dosage ns de cloro: 0,70mg/l, 0,75mg/l e 0,80mg/l. Cada uma das dosagens foi aplicada nas três configurações de fluxo contínuo, permitindo a obtenção da TIC (Tabela 1). Os dados da Tabela 1 permitem avaliar a influência do comportamento hidrodinâmico da UC, cuja variação é representada por d, em relação à eficiência de desinfecção, representada por TIC%. À medida que o valor de d diminui, aproximando-se ao fluxo pistão, observa-se um aumento da taxa de inativação (TIC), tendendo a 100% de remoção para a configuração chicanada. Esse comportamento pode ser verificado em todas as dosagens utilizadas (0,70 mg/l, 0,75mg/l, 0,80 mg/l), independente do tipo de microrganismo avaliado (Coliformes Totais e Coliformes Fecais).Por exemplo, para dosagem de 0,70mg/l, a variação no valor de d de 0,407 (configuração original) para 0,191
(configuração. com defletor), a TIC variou de 77,06% e 73,91% para 84,07% e 80,77%, em relação aos coliformes totais e fecais, respectivamente. Ainda, para uma variação no valor de d de 0,191 para0,065 (configuração Chicanada), a TIC variou de 84,07% e 80,77% para 92,66% e 88%, para coliformes totais e fecais respectivamente. Tabela 1: Resumo dos resultados obtidos experimentalmente na inativação de coliformes totais e fecais, utilizando diferentes dosagens de cloro (mg/l) e tempo de contato de 18,7 minutos, tendo como referência os indicadores de EH (d) e ED (TIC). Os dados apresentados acima indicam que para se obter uma mesma eficiência de desinfecção, a demanda de cloro será muito maior para a configuração original que para a configuração com defletor ou chicanada. Portanto, o aumento da eficiência hidráulica implica em um menor consumo de cloro e uma menor probabilidade de formação de subprodutos da cloração, como por exemplo, a formação de trihalometanos (potencialmente cancerígenos). Figura 2 Variação da Taxa de Inativação de Coliformes Fecais e Totais para as configurações estudadas. Pode-se observar na Figura 2 que, para todas as configurações, a taxa de inativação de coliformes em uma determinada configuração cresce à medida que a dosagem de cloro aumenta, devido o aumento das probabilidades de colisões entre as moléculas do desinfetante e a membrana celular dos microrganismos. O percentual de inativação CF se apresenta sempre menor ou igual ao percentual de inativação de CT para todas as três dosagens testadas, como ilustrado pela Figura 3. Esses resultados comprovam a maior resistência dos coliformes fecais à ação desinfetante do cloro (Pelczar et al., 1998). Figura 3 Variação da Taxa de Inativação de Coliformes (TIC) em função do consumo de cloro nas configurações estudadas. Verificação da Influência da EH na ED Através do Consumo de Cloro Esta etapa avaliou o consumo de cloro (mg/l) para atingir uma TIC igual a 100% em cada configuração da UC de fluxo contínuo. A Tabela 2 apresenta a relação entre a EH (d) e as dosagens de cloro aplicadas. Chama-se à atenção para a pequena variação dos valores dos parâmetros de qualidade de água (ph, cor, turbidez e concentração de coliformes), o que favorece a comparação entre a influência da hidrodinâmica nos consumos de desinfetante para atingir uma mesma TIC.
Tabela 2: Relação entre os resultados das dosagens de cloro aplicado (mg Cl/L) e a EH (d) para TIC=100% e tempo de contato de 18, 7minutos. Os resultados mostrados na Tabela 2 indicam a relação direta entre o coeficiente de mistura (d) e a dosagem de cloro aplicada (mg Cl/L): à medida que o valor de d diminui, devido às alterações na configuração da UC, a dosagem de cloro (mg/l) necessária para uma ED=100% também decresce. Deste modo, d variando de 0,407 (configuração original) a 0,191 (configuração Defletor) as dosagens de cloro foram reduzidas de 0,90mg/l para 0,85mg/umas reduções de cerca de 5,9% no consumo de desinfetante. Já na configuração chicanada (d=0,065), a dosagem foi reduzida para 0,75mg/l, acarretando uma redução bem mais efetiva, cerca de 20% no consumo de cloro, em relação ao consumo para a configuração original.esta constatação confirma resultados verificados em estudos anteriores (Figueiredo, 2000). O trabalho de Figueiredo (2000) demonstra através de simulações de desinfecção e consumo de desinfetante, que a utilização dos modificadores de escoamento promovem melhoria na hidrodinâmica da UC, quando se verifica que a concentração residual de cloro necessária para inativação de microrganismos diminui à medida que o valor de d também decresce. Considerações Finais sobre a Relação entre Eficiência Hidráulica (EH) e Eficiência de Desinfecção (ED) Os experimentos demonstram que a melhoria de EH pode efetivamente maximizar a ação bactericida do cloro (Teixeira, 1995; Figueiredo, 2000), pois, para as mesmas concentrações de cloro, obteve -se maiores Taxas de Inativação quando o escoamento na unidade de contato era mais próximo ao pistão (maior EH), sendo considerada a unidade mais eficiente a chicanada, que apresentou as maiores TIC para uma determinada concentração de cloro aplicada. A análise relativa ao consumo de cloro levou às mesmas conclusões, por que o consumo de cloro necessário para se atingir uma TIC de 100% diminuiu com o aumento da eficiência hidráulica (menores valores de d). É importante salientar que a inserção do defletor provocou uma melhoria na eficiência hidráulica, e conseqüentemente uma redução no consumo de desinfetante (da ordem de 6% em relação à configuração original), porém, a utilização de chicanas (d=0,065) mostrou ser mais eficaz, o que resultou numa redução de 20% no consumo do cloro necessário para a desinfecção. O aumento da eficiência de desinfecção (indicada pelo aumento de TIC ou pela diminuição do consumo) sugere uma redução dos custos do tratamento da água pelo menor consumo de cloro, além de minimizar a possibilidade de geração de subprodutos da cloração (Morris et al., 1971; Jensen e Johnson, 1987; Daniel et al., 2000). CONCLUSÕES
Os resultados das medições realizadas neste estudo confirmam estudos anteriores, quase todos baseados em resultados de modelagem analítica ou numérica. Estes resultados indicam que o desempenho de uma unidade de tratamento pode ser fortemente afetado por sua condição hidrodinâmica. Na prática, este fato implica em um aumento da concentração de cloro para garantir a desinfecção da água. O aumento da concentração de cloro, além do aumento no custo do processo, pode acarretar a formação de sub-produtos de cloração, os quais são maléficos à saúde humana. A inserção de modificadores de escoamento no interior da unidade pode aproximar as condições de escoamento da ideal aumentando a eficiência hidráulica da unidade e conseqüentemente a eficiência do processo de desinfecção. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Fair, G.M., Geyer, J.C.B. e Okum, D.A. Water and Wastewater engineering. New York. John Willey & Sons, 1954. Figueiredo, I.C. Estudo da Influencia da Hidrodinâmica e da Resistência de Microrganismos no Consumo de Cloro para Desinfecção de Água. Dissertação de Mestrado. Departamento de Hidráulica e Saneamento - PMEA/UFES, 2001. Fonseca, I.R., Venturim, L.H.C., Siqueira, r.n. e teixeira, e.c. Variação sazonal de parâmetros de qualidade de água no planejamento da dosagem de desinfetante a ser aplicado nos processos de desinfecção por cloro. Congresso ABES, I-159, 2003. Hart, F.L. e Gupta, S.K. Hydraulic analysis of model treatment units. Journal of the environmental engineering division, ASCE, Vol. 104, No. EE4, pp. 785-798, 1978. McCarty, P.L., Aieta, e.m. Chemical indicators and surrogate parameters in water treatment. Journal of American water works Association, pp 98-172, 1984.