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. * e-mail: 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
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 (315-350 nm), localizada a 17 cm da superfície da solução. Esta lâmpada tem fluxo luminoso de 12.000 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
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 -1 10 0 Inicial (AH) Inc. Inc. 60 0 0 Fotólise (AH) 200 64 0 0 * Fotocatálise (AH) 182 39 0 0 * 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 6.000 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
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 10-3. 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 -1 10 0 Inicial (AH) Inc. Inc. 13 0 0 Fotólise (AH) 114 77 29 0 0 Fotocatálise (AH) 110 40 24 0 0 Inicial (DH) Inc. Inc. Inc. Inc. * Fotólise (DH) 65 0 0 0 0 Fotocatálise (DH) 26 0 0 0 0 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 1.300 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. 169 0 0 Inicial após 24 h Inc. Inc. Inc. 60 0 Inicial após 24 h Inc. Inc. 58 0 0 Fotólise 75 38 0 0 0 Fotólise 0 0 0 0 0
Verifica-se que o Efluente 1 apresentavase altamente contaminado (em torno de 16.900 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 60.000 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 5.800 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 0 0 0 0 0 Inicial após 24 h Inc. 181 30 0 0 Inicial após 24 h 0 0 0 0 0 Fotólise 0 0 0 0 0 Fotólise 0 0 0 0 0 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 1.800 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 0 0 0 0 0 Inicial após 24 h 74 30 0 0 0 Inicial após 24 h 0 0 0 0 0 Fotólise 0 0 0 0 0 Fotólise 0 0 0 0 0 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
(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 0 0 0 0 0 Inicial após 24 h 110 18 0 0 0 Inicial após 24 h 0 0 0 0 0 Fotólise 0 0 0 0 0 Fotólise 0 0 0 0 0 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, 2006. 101 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 2003. 3. 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 2000. 4. ASSALIN, M. R. Aplicação da fotólise heterogênea na desinfecção de águas contaminadas com E.coli, 2001. 69 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, 2002. 124 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. 689-694, outubro de 2004. 7. 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.