DESINFECÇÃO E VALORIZAÇÃO DE EFLUENTES SANITÁRIOS ATRAVÉS DA RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA

DESINFECÇÃO E VALORIZAÇÃO DE EFLUENTES SANITÁRIOS ATRAVÉS DA RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA Edson Machado de Oliveira (*) Engenheiro Sanitarista (UFMT); Mestrando em Engenharia Ambiental (UFSC) Maria Eliza Nagel Hassemer Universidade Federal de santa Catarina - UFSC Alessandra Pelizzaro Bento Universidade Federal de santa Catarina UFSC Jair Sartoratto CASAN Companhia de Água e Saneamento do Estado de Santa Catarina Flávio Rubens Lapolli Universidade Federal de santa Catarina UFSC (*): Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Campus Universitário, Trindade - 88010-970, Florianópolis - SC, Brasil. E-mail: frl@ens.ufsc.br RESUMO Este trabalho de pesquisa tem como objetivo avaliar a capacidade de desinfecção da radiação ultravioleta em efluentes domésticos tratados em diferentes sistemas. Foram realizados ensaios com amostras de efluente tratado por lodo ativado (ETE insular), UASB (Morro da Caixa). Foi avaliada a remoção de coliformes totais, Escherichia coli, ovos de helmintos e cistos de protozoários. Nos ensaios realizados em batelada utilizou-se um colimador UV enquanto que nos ensaios em contínuo foi utilizado um reator UV de lâmpadas emersas. A radiação foi emitida por lâmpadas de baixa pressão de vapor de mercúrio. Nas amostras da ETE insular (lodo ativado) acrescentou-se efluente do tanque de aeração rico em sólidos em suspensão nas seguintes porcentagens em volume 0,5%, 1% e 2,5%, com a finalidade de simular um efluente tratado com características físico-químicas variadas. Após a aplicação de doses UV que variaram de 10 a 100 mws/cm 2 observou-se que com uma dose superficial de 40 a 60 mws/cm 2 a radiação ultravioleta alcançou resultados de remoção de coliformes acima de 4 casas logarítmicas, adequando assim, o efluente tratado a legislação ambiental. Observou-se que amostras com características semelhantes (Cor, Turbidez e SST) o efluente (lodos ativados) apresentou melhores eficiências que o efluente UASB. Palavras Chave: tratamento de efluentes; desinfecção; radiação UV, coliformes, protozoários INTRODUCÃO Os efluentes das estações de tratamento de esgotos são normalmente devolvidos a cursos d água que geralmente são utilizados para o abastecimento público. Sabe-se que o esgoto, mesmo tratado em estações de nível secundário, oferece riscos de contaminação se não houver uma diluição adequada no corpo receptor. Assim, há o perigo de que este efluente possa prejudicar a saúde humana e também o meio ambiente. Estima-se que 70% dos 1.400 milhões de casos de diarréia que afetam anualmente as crianças de até 5 anos em todo o mundo, devem-se a microrganismos transmitidos pela água e alimentos. As linhagens de Escherichia coli causam em torno de 25% das diarréias no mundo inteiro. (OMS 1996). A possibilidade do reuso ou o lançamento do efluente tratado no meio ambiente sem que este acarrete riscos de transmissão de doenças de veiculação hídrica passa obrigatoriamente pela desinfecção de efluentes de esgoto sanitário. 1

Com base nas evidências epidemiológicas, recomenda-se um padrão bacteriológico de uma média geométrica de 1000 CF (100ml) -1 de água para irrigação irrestrita de qualquer cultura, o que é considerado tecnologicamente viável. (OMS 1996). A radiação ultravioleta é aplicada como desinfetante em águas para abastecimento público desde o início do século XX. Recentemente, os estudos estão concentrados para utilização deste processo em águas residuárias, mostrando-se apropriado para esse fim porque pode ser um eficiente germicida sem formar compostos tóxicos. A radiação ultravioleta tem se tornado uma eficiente alternativa de desinfecção ao cloro, com comparável e freqüentemente melhor eficiência na remoção de vírus e bactéria (Lazarova, 1999). Na desinfecção de efluentes tem-se a vantagem de não deixar residual além de não ter a potencialidade de gerar subprodutos prejudiciais à saúde. EFEITO DA RADIAÇÃO UV Segundo König (1999) a inativação dos microorganismos ocorre a nível cromossômico, pois a radiação atinge o DNA impedindo a sua reprodução normal. O DNA é uma macromolécula longa com uma estrutura complexa, constituída de numerosos polinucleotideos, grupos de açúcares e de fosfatos. As informações genéticas são codificadas em seqüências de nucleotídeos. Quatro nucleotídeos são usados para codificar as informações (timina, citosina, adenina e guanina). As informações são transmitidas enzimaticamente pela replicação do DNA. Este processo ocorre em duas fases. Na primeira, refere-se a transcrição, e o RNA é formado. Este RNA molde é o ponto de partida para síntese das proteínas.o segundo passo é tradução das informações codificadas no RNA. A estrutura tridimensional e o funcionamento da proteína sintetizada dependem de uma leitura da seqüência do DNA livre de erros. Qualquer erro na seqüência dos nucleotídeos causado pela exposição à radiação ultravioleta resulta em erro na seqüência de um aminoácido e conseqüentemente a formação de uma proteína defeituosa. Resultando na interrupção do metabolismo e levando a morte da célula. QUADRO 1 - Vantagens e desvantagens da utilização da desinfecção por ultravioleta Vantagens Desvantagens - Efetiva inativação de muitos vírus, esporos e cistos. - Baixas dosagens podem não inativar efetivamente - Por ser um processo físico que evita a geração, vírus, esporos e cistos. transporte, manuseio ou estoque de substâncias tóxicas - Organismos podem reparar ou reverter os efeitos ou corrosivas. destrutivos causados pela radiação. - Baixo tempo de contato quando comparado com outros - Requer um programa de manutenção e limpeza das desinfetantes. lâmpadas. - Os equipamentos requerem pouco espaço. - Turbidez e SST podem tornar a desinfecção ineficiente. - Custo superior ao do cloro, mas competitivo se incluirmos a descloração. Adaptado de EPA (1999) METODOLOGIA Os ensaios foram realizados utilizando-se amostras de dois sistemas de tratamento de esgotos domésticos da cidade de Florianópolis, Estado de Santa Catarina- Brasil: Estação Insular (lodos ativados com aeração prolongada), Estação Morro da Caixa (reator anaeróbio UASB) que atende a uma pequena população (aproximadamente 100 residências de baixa renda, o que resulta em um afluente com alta concentração de materiais orgânicos). Em todos os ensaios foram analisados os parâmetros físico-químicos, ph, cor, turbidez, DQO, SST e absorvância (254nm) do efluente na desinfecção. Na realização dos ensaios foram utilizados um colimador e um reator. O colimador UV é equipado com uma lâmpada de 30W (Philips). Na realização dos testes com o colimador a amostra é colocada em um Becker com 150 ml de efluente atingindo uma lâmina líquida de 4,5 cm. Durante a irradiação o efluente recebe uma pequena agitação (± 100 rpm) através de um agitador magnético a fim de manter os sólidos em suspensão e homogeneizar a amostra. 2

Lâmpada UV Amostra 40cm Agitador Figura 1 Esquema do ensaio de desinfecção com o Colimador UV O reator UV trabalha em fluxo contínuo, podendo ser equipado com 6 lâmpadas UV de baixa pressão de mercúrio de 30W cada. O equipamento permite que seja variada a intensidade da radiação, alterando-se a altura ou o número de lâmpadas, também permite variações na altura da lâmina d`água utilizando-se vertedores retangulares móveis. Todos estes recursos foram utilizados nos testes. Defletor Planta Lâmpadas uv 50cm 10cm 95 cm Corte 18 cm 35cm 20 cm Entrada Saída Figura 2 Reator UV A medição da radiação emitida foi realizada através de um fotômetro portátil (Instrutherm MRUR) que mede o espectro eletromagnético na faixa de 254 nm. Nos testes realizados com o colimador utilizando amostras do efluente da Insular (lodos ativados), acrescentou-se efluente do tanque de aeração (rico em sólidos em suspensão) para se obter amostras com características diferentes. Desta forma obteve-se um aumento na cor, turbidez, DQO, SST do efluente a ser irradiado. Foram adicionados 0,5%, 1% e 2,5% de efluente do tanque de aeração na amostras. Em todos os ensaios realizados com E. coli e Coli Totais, as doses de UV variaram entre 5 e 100 mw.s/cm 2. A Intensidade média foi calculada usando-se a lei de Lambert. 3

RESULTADOS E DISCUSSÃO ENSAIOS COM O REATOR UV (CONTÍNUO) Efluente ETE Insular (lodos ativados): Os valores médios dos parâmetros físico-químicos e bacteriológicos são: DQO de 16mg/l, SST de 10 g/l, Turbidez de 12 ut, Absorvância de 0,005 e E. coli de 10 5. Para se aplicar diferentes dose uv fixou-se à lâmina líquida em 4,5 cm e variou-se a vazão. Nos seis ensaios realizados, doses de 20mWs/cm 2 e 30mW/cm 2 reduziram para 10 2 e zero respectivamente, o NMP de E. coli/100ml. Nos testes onde foram variadas as alturas da lâmina líquida e mantida a vazão (1,5 m³/h) e a intensidade UV (mw/cm 2 ) constantes, os ensaios com maior lâmina (8cm) apresentaram a melhor inativação de microrganismos, ou seja, para estes ensaios a lâmina d`água maior resultou em um maior o tempo de exposição e conseqüentemente maior a dose UV. As eficiências foram semelhantes aos ensaios com lâmina fixa. ENSAIOS COM O COLIMADOR UV (BATELADA) Efluente ETE Insular: Embora estes ensaios tenham sido realizados com pequenos volumes de amostras (250 ml), os resultados encontrados com o colimador foram semelhantes aos do reator, para as mesmas doses aplicadas. Log NMP CT/100ml 1,0E+07 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 1,0E+00 COLIMADOR REATOR 0 20 40 60 80 Dose superficial UV (mj/cm²) Figura 3 - Numero de E. coli para ensaios de desinfecção em diferentes equipamentos (reator e colimador). Efluente ETE Insular acrescidos de sólidos do tanque de aeração: As concentrações médias de SST nas amostras variaram de 7,5 a 214 mg/l. A adição de efluente do tanque de aeração as amostras não alterou significativamente o número inicial de microrganismos (± 10 5 NMP/100ml). Observa-se pela Figura 4 que mesmo com as maiores concentrações de SST uma dose de 60mWs/cm² conseguiu enquadrar o efluente as exigências legais <1000 NMP/100ml. NMP E coli/100m l 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 SST= 214-2,5% SST = 89-1,0% SST = 33-0,5% SST = 7,5-0% 1,0E+00 0 20 40 60 80 100 120 Dose superficial (m W s/cm2) Figura 4 Número de E. coli em função da dose superficial UV e SST(mg/l). 4

Dos e UV m é dia (m Ws /cm 2) 90 80 SST = 7,5 70 SST = 33 60 SST = 89 50 SST = 214 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 120 Dos e UV s upe rficial (m Ws /cm 2) Figura 5 Relação entre dose UV superficial e dose média em função de SST(mg/l) das amostras na figura 3. Na figura 5 pode-se observar o grau de influencia dos sólidos em suspensão na absorção da radiação ultravioleta. No caso da amostra com 214 mg/l de SST, uma dose superficial de 100mW/cm 2 resulta em apenas 30 mw/cm 2 de dose média, ou seja, de radiação que efetivamente irá contribuir na desinfecção do efluente. Em outra situação, na amostra com 7,5 mg/l de SST, a dose média de radiação na lâmina líquida é mais de 85% da dose aplicada, ou seja, a interferência dos sólidos foi irrelevante. Nota-se também que a mesma dose superficial de 60 mws/cm 2 equivale a diferentes doses médias, variando de 10 a 30mW/cm 2 dependendo da concentração dos SST adicionados. Efluente Morro da Caixa (reator anaeróbio UASB): O efluente apresentou alta concentração de SST, Cor e Turbidez (80mg/l, 400uC e 90uT ), respectivamente, e 10 7 NMP de E. coli/100ml. Mesmo nestas condições a radiação UV baixou o NMP E. coli em 4 casas logarítmicas. Os valores apresentados na figura 6 são médias de 6 amostras, irradiadas com diferentes doses uv. NM P /100m l NMP E. coli Dose media UV Dose superficial UV 1,0E+07 100 1,0E+06 80 1,0E+05 1,0E+04 60 1,0E+03 40 1,0E+02 1,0E+01 20 1,0E+00 0 1 2 3 4 5 6 7 Ens aios Figura 6 Inativação E. Coli efluente UASB em função da dose Uv média e superficial Dose UV mws/cm2 A relação entre a dose superficial e a dose média foi de aproximadamente 2,4, ou seja para se alcançar uma dose média de 40mWs/cm 2 foi necessário aplicar uma dose superficial de 96 mws/cm 2. (Figura 6). Mesmo utilizando-se amostras com elevadas concentrações de sólidos suspensos atingiu-se uma redução do numero de E. coli satisfatória (<NMP 1000/100ml) com doses médias de até 40 mws/cm 2. 5

Doses médias ultravioleta maiores que 40mWs/cm 2 não melhoraram significativamente a qualidade microbiológica do efluente, provavelmente devido a influencia dos sólidos protegendo os microrganismos. Ensaios com ovos de helmintos e formas encistadas de protozoários: Poucos ensaios foram realizados, mas com uma dose de 200mW.s/cm 2 a inativação foi irrelevante, enquanto que 50% de Trichura trichiura foram inativados. Com respeito a Giárdia, inativou-se 43% dos cistos com 80mW/cm² de UV. Não foram encontrados Cryptosporidium nas amostras. As amostras para análise de helmintos foram preparadas com água destilada onde foram adicionados um concentrado de ovos de helmintos, atingindo um concentração média de 300 ovos por litro. Para os ensaios com protozoários (Giárdia sp. e Cryptosporidium sp.) foram coletadas amostras do reator anaeróbio (UASB). CONCLUSÃO Embora a literatura recomende a desinfecção ultravioleta para efluentes com SST menor que 30 mg/l (EPA 1999), os resultados encontrados mostram que esse conceito pode ser revisto. Conforme alguns estudos realizados observou-se que não somente a concentração mas também o diâmetro das partículas influencia na eficiência da desinfecção, pois os sólidos podem proteger os microorganismos da radiação (Daniel 1993, Jiménez C. B.1999). Neste estudo não foi avaliado o tamanho das partículas portanto não se sabe qual foi a sua interferência na desinfecção, mas pode-se supor que o diâmetro dos SST foi responsável pala menor eficiência de inativação de E. coli no efluente UASB (Figura 6) comparado com o efluente de lodos ativados (Figura 5) para a amostra com características semelhantes de (Cor Turbidez e SST). Confirmando outros estudos já realizados, a radiação ultravioleta não apresentou resultados satisfatórios na inativação de ovos de helmintos, tanto Giárdia como Trichura trichiura. Observamos claramente que para todas as concentrações de SST as maiores taxas remoção de ocorrem até a dose de 40mJ/cm 2 e a partir deste ponto em todas as amostras analisadas a remoção de coliformes se estabiliza, este comportamento provavelmente está relacionado aos microrganismos protegidos pelas partículas sólidas.e as suas diferentes resistências a radiação UV. Com base em evidencias epidemiológicas, recomenda-se um padrão bacteriológico de uma média geométrica de 1000 coliformes fecais por 100mL de água para irrigação irrestrita de qualquer cultura, o que é considerado tecnicamente viável. O decaimento gradual e natural dos microrganismos patogênicos sobre o solo constitui outro valioso fator de segurança para reduzir os riscos potenciais para a saúde (EPA, 1999). A viabilidade da radiação UV na desinfecção de efluentes pode ser notada na excelente remoção tanto de Coliformes Totais como E.coli, em geral acima de 99,99%, mesmo em amostras com valores altos de SST, DQO, Turbidez e Cor. Atingiu-se em todas as amostras os padrões da Organização Mundial da Saúde valores de 1000 CF/100mL, utilizando-se doses de ultravioleta economicamente viáveis, quando se comparado com outros sistemas de desinfecção. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DANIEL L. A. Desinfecção de esgotos com radiação ultravioleta fotorreativação e obtenção de parâmetros cinéticos. Tese de Doutorado em Eng. Civil: Hidráulica e Saneamento. Escola de Engenharia de São Carlos, 1993. DANIEL L. A. Aternativas para desinfecção de esgotos sanitários. Anais do I Seminário Nacional de Microbiologia Aplicada ao Saneamento, Vitória-Espírito Santo. 54-59, 2000. EPA. Watewater technology fact sheet Ultraviolet disinfection.epa/832/f/99-064. US EPA. Washington DC. 1999. KÖNIG R.. UV wastwater disinfection: the key to the future. Water 21-04/2001. 30-32,.2001. 6

JIMÉNEZ C. B., SAKAMOTO G., WRIGHT H. B. Uv disinfection of Mexico city wastewaters treated using advanced primary treatment and filtration impact of TSS and particle size distribution. Anais do 20 Congresso de Eng. Sanitária e Ambiental 1999 Rio de Janeiro-RJ. LAZAROVA, Z., JANEX, M.L., FIKSDAL, L., OBERG, C., BARCINA, I. E POMMEPUY, M. Advenced wastewater disinfection technologies: Short and long term efficiency. Water Science. Technology. 38(12), 109-117, 1998. MOTA, S. Avaliação do Desempenho de Culturas Irrigadas com Esgoto Tratado. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 1997. artigo i 003. OMS - Tatamiento y uso de Aguas Residuales, CEPIS-OPS-OMS, Lima, 1996 7