UTILIZAÇÃO DO OZÔNIO NA DESINFECÇÃO DE EFLUENTES SANITÁRIOS

UTILIZAÇÃO DO OZÔNIO NA DESINFECÇÃO DE EFLUENTES SANITÁRIOS

Engenheiro Sanitarista (UFSC, 1999); Mestrando em Engenharia Ambiental (UFSC).

Maria Eliza Nagel Hassemer

Universidade Federal de santa Catarina - UFSC

Diedre Lauffer Damásio

Universidade Federal de santa Catarina - UFSC

Flávio Rubens Lapolli

Universidade Federal de santa Catarina – UFSC

(*): Rua João Pio Duarte Silva, No _{576, Bloco B, Apto 203. Bairro: Córrego Grande. 88037-001, Florianópolis, SC}

– Brasil. Fone: (048) 233-0462. - e-mail: lbassani@hotmail.com

RESUMO

A aplicação de ozônio no tratamento de efluentes domésticos ainda é incipiente no Brasil, não se conhecendo bem os parâmetros de operação destas unidades para seu funcionamento seguro e eficiente. Este trabalho avaliou a eficiência da desinfecção por ozônio em efluentes domésticos tratados por processo de lodos ativados de aeração prolongada e reator anaeróbio UASB, avaliando a remoção de bactérias, ovos de helmintos e cistos de protozoários. Para o processo de lodos ativados, também foram realizados testes de toxicidade aguda e teste de formação de micronúcleos

em eritrócitos de peixes. Os resultados evidenciaram que uma concentração próxima a 4 mgO3/L foi suficiente para

uma desinfecção satisfatória do efluente do sistema de lodos ativados, não apresentando toxicidade aguda, nem genotoxicidade. Análise econômica do tratamento considerando essa dosagem para a ETE Insular - Florianópolis, SC - resultou em valores entre R$0,89 a R$1,99 por economia mês, no primeiro e no décimo ano respectivamente, para um financiamento com taxa de juros de 13% ano. A desinfecção do efluente do reator UASB revelou-se ineficiente para a colimetria e inativação de ovos de helmintos mesmo para as altas dosagens de ozônio testadas. Fato esse atribuído à baixa qualidade físico-química e altas densidades de patógenos desse efluente.

Palavras Chave: desinfecção, efluente sanitário, ozônio, toxicidade. INTRODUCÃO

A maioria das estações de tratamento de esgoto no Brasil, não possui uma etapa específica para a desinfecção; não existindo sequer um padrão de lançamento para coliformes ou qualquer outro organismo indicador. No que se refere ao padrão coliformes fecais, este aparece relacionado a classificação do corpo receptor (1000 coliformes fecais / 100 mL para classe 2). Caso queiramos atingir o padrão para classe 2, teremos que necessariamente incluir uma etapa específica de desinfecção no processo de tratamento, a não ser que contássemos com razões de diluição (vazão do rio/vazão de esgotos) superiores a 1/100, que são via de regra, bastante incomuns em áreas urbanas aonde localizam-se as maiores estações de tratamento de esgotos (SPERLING, 1998).

Além das bactérias patogênicas, indicadas pelos coliformes, existem riscos associados a presença de vírus entéricos e protozoários, ambos apresentando baixas dosagens infectivas e tempos de sobrevivência no meio superiores as bactérias patogênicas. Os vírus, principalmente devido a sua persitência em água e a sua baixa dose infectiva, têm sido associados a surtos de gastroenterite viral provocados por natação em águas contaminadas. Ressalta-se que a sobrevivência dos vírus também é relativamente alta em águas marinhas, até cinco dias para Poliovírus 1. Estudos epidemilógicos conduzidos na África do Sul mostraram risco de gastroenterites de alto a moderado associado a natação em praias contaminadas (BITTON, 1994). A eliminação de vírus entéricos, torna-se por esses motivos, relevante para as estações de tratamento situadas no litoral, com vistas a garantir a balneabilidade das praias de entorno.

Quanto aos protozoários, o risco maior está relacionado a suas formas encistadas de pequenas dimensões, quando presentes em mananciais destinados ao abastecimento, uma vez que sua remoção não é facilmente conseguida pelo tratamento convencional. É evidente que os riscos associados a não existência da desinfecção em estações de tratamento de esgotos são muito variáveis em função do uso e da vazão do corpo receptor, mas de uma maneira geral existe a necessidade da implantação de algum processo de desinfecção.

O ozônio apresenta alto poder oxidante, tornando-se atrativo para a desinfecção de esgotos domésticos. O alto poder oxidante é desejável porque diminui muito as concentrações e o tempo necessário para a desinfecção e, desse modo, haverá economia na construção e operação das instalações. Outro benefício a considerar é que os subprodutos orgânicos da ozonização de efluentes domésticos tratados a nível secundário geralmente apresentam pouca ou nenhuma toxicidade a nível agudo. Existe ainda a vantagem da redução de cor, que, mesmo nas dosagens relativamente baixas, tem se mostrado efetiva. O poder desinfetante do ozônio é cerca de dez vezes superior ao do cloro, e isto para todos os tipos de microrganismos (DI BERNARDO, 1993).

Os fatores mais importantes para a desinfecção pelo ozônio são o COT, pH, temperatura e alcalinidade. Conhece-se pouco a respeito da influência do pH sobre o poder desinfetante do ozônio, os estudos até aqui realizados indicam que na faixa de 6,0 a 8,5 a desinfecção não é afetada, assim como a influência da temperatura também é pouco conhecida, porém sabe-se que para as formas encistadas o aumento de temperatura facilita a desinfecção (DI BERNARDO, 1993).

O presente trabalho tem como objetivo avaliar as concentrações de ozônio e os tempos de contato para a desinfecção de efluentes de diferentes sistemas de tratamento, verificar a toxicidade a nível aguda (CL50) e a nível celular (formação de micronúcleos em eritrócitos de peixes) para as concentrações seguras, e estudar a viabilidade econômica do processo de desinfecção por ozônio .

MATERIAIS E MÉTODOS

A pesquisa foi desenvolvida junto a Estação de Tratamento de Esgotos Insular da CASAN (Companhia Catarinense de Águas e Saneamento) – Florianópolis, SC. A avaliação da capacidade da desinfecção foi verificada através do monitoramento físico-químico e biológico do efluente bruto e do efluente desinfetado.

GERAÇÃO DE OZÔNIO E DISPOSITIVOS DE TRANSFERÊNCIA

O gerador de ozônio operou com oxigênio puro, sendo a determinação de sua capacidade de produção avaliada através da titulação com uma solução de iodeto de potássio. A eficiência de transferência foi determinada pela diferença entre a concentração de ozônio no gás gerado pelo ozonizador (feed-gás) e a concentração de ozônio no gás excedente que saía da coluna (off-gás), conforme a equação (1).

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Os ensaios de desinfecção foram realizados por processos contínuos e descontínuos (batelada). No processo em descontínuo, o reator era formado por uma coluna de acrílico com 1,80m de altura útil e 0,06m de diâmetro interno. A alimentação do sistema ocorreu através da adição de efluente por bombeamento, sendo o ozônio introduzido na base da coluna através de um difusor poroso capaz de gerar bolhas com diâmetro médio de 2mm. O efluente era recirculado em contra corrente à direção do fluxo do gás, conforme a Figura 1. A variação da dosagem de ozônio foi verificada através da variação do tempo de detenção no sistema acima descrito. A concentração de ozônio transferida foi determinada conforme a equação (2).

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Sendo: E = eficiência de transferência (decimal); [O3]feed gás = concentração de ozônio gerado pelo ozonizador

Fluxo do efluente Saída de gás excedente Coluna de contato Rotâmetro Gerador de ozônio Cilindro de oxigênio Bomba de recirculação Sentido do gás

Figura 1: Esquema do sistema de ozonização em batelada

No processo em contínuo, o ozônio foi introduzido na parte superior de um cilindro de aproximadamente 2cm de diâmetro e 20cm de comprimento, contendo em seu interior módulos de colmeias metálicas dispostas transversalmente umas as outras (misturador estático). O líquido tem fluxo descendente o que provoca a sucção do gás para seu interior (efeito Venturi). As colmeias provocam turbulência necessária para uma boa transferência do ozônio para a fase líquida. A concentração de ozônio transferida foi determinada conforme a equação (3).

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Sendo: E = eficiência de transferência (decimal); [O3]feed gás = concentração de ozônio gerada pelo ozonizador

(mg/L); Qg = vazão do gás ozônio (L/h); Qef = vazão de efluente (L/h).

Para avaliar a eficiência da desinfecção frente aos oocistos de Cryptosporidium sp e cistos de Giardia sp, foi utilizado um reator de duas colunas, em contínuo, onde na primeira coluna ocorria a introdução do gás ozônio e a segunda coluna era destinada a aumentar o tempo de contato; ambas as colunas tinham 1,70m de altura e 0,10m de diâmetro. O residual de ozônio foi medido ao longo das duas colunas para determinar o perfil de concentração do reator. A integração do perfil de concentração no tempo, para cada uma das colunas fornece o fator CT

(concentração de O3 residual x tempo) parcial. A soma dos dois fatores CT parciais fornece o CT global do reator. O

perfil de concentração residual é dependente da concentração aplicada de ozônio. Foram testadas as concentrações

de 4 e 7 mgO3/L, sendo determinados os respectivos perfis de concentração residual.

TIPOS DE EFLUENTES TESTADOS E ENSAIOS REALIZADOS

Foram testados efluentes provenientes de dois sistemas de tratamento, um sistema de lodos ativados por aeração prolongada com tempo de detenção celular de 26 dias e, um reator UASB funcionado precariamente, (apresentando arraste de lodo). Como parâmetro de controle da qualidade desses efluentes foram adotados a DQO, SST, pH, temperatura, turbidez e NMP/100ml de E. coli. Os ensaios realizados para cada sistema foram os seguintes:

Para o Sistema de Lodos Ativados:

• Determinação da dosagem segura para a desinfeção de E. coli através de oito testes para cada uma das quatro

concentrações testadas (3, 5, 6 e 9 mgO3/L), sendo estes feitos em batelada;

• Aplicação da dosagem segura de desinfecção para E. coli, anteriormente determinada no sistema em batelada, para o sistema com contínuo. Os testes em contínuo foram realizados com uma vazão de efluente de 256,8 L/h e

uma vazão de gás de 40 L/h (relação vazão gás-Qg/vazão líquido-QL de 0,156). Segundo LAPLANCHE (citado

em HASSEMER, 2000), para se obter bons resultados na transferência do ozônio para o meio líquido deve-se observar a relação Qg/QL < 0,15;

• Teste de toxicidade aguda em Daphnia magna com o efluente recebendo uma dosagem de 5mgO3/L em

batelada, e teste de formação de micronúcleos em eritrócitos de peixes da espécie Geofagus brasiliensis e

Oreochromis niloticus onde foram analisados cinco peixes em três grupos de aquários. O primeiro grupo

continha água reconstituída em laboratório, sendo portanto o controle; o segundo continha o efluente tratado por

lodo ativado sem sofrer ozonização; e o terceiro continha efluente tratado e ozonizado (5mgO3/L). Os resultados

foram obtidos após 24 e 48 horas de exposição;

• Teste da dosagem de ozônio para a destruição de ovos de helmintos das espécies Ascaris lumbricoides e

Trichuris trichiura, sendo estes ensaios realizados em batelada. O método adotado para a contagem de ovos de

helmintos foi a sedimentação-centrifugação e para a determinação de sua viabilidade foi utilizado o método do corante biológico;

• Melhor dosagem para remoção de protozoários (Giardia sp e Cryptosporidium sp), sendo estes ensaios

realizados em contínuo. Metodologia utilizada: concentração com CaCO3/IMS/IFA.

Para o Efluente do Reator UASB:

• Determinação da dosagem segura de ozônio para a desinfeção de E. coli através de seis ensaios para cada uma

das concentrações testadas (12, 15, 20 e 25 mgO3/L), em batelada;

• Verificação da dosagem de ozônio para remoção de ovos de helmintos, em batelada.

RESULTADOS

SISTEMA DE LODOS ATIVADOS

Este efluente apresenta valores de DQO, SST e turbidez muito baixos, como mostra a Tabela 1.

Tabela 1: Características físico-químicas do efluente tratado por lodos ativados de aeração prolongada

DQO DBO pH Temp SST Cor apar Turbidez E. coli

Mg/L mg/L o_{C mg/L UC NTU Log}

NMP/100ML

Min/ Max 98-86 <10 6.1-6.5 21-25 6.0-13.2 20-65 3.9-7.1 4.041-4.987

Média _{92 <10 6.3 23 8,0 40 5,0 4.720}

Remoção de E. coli: Foram realizados oito ensaios em batelada para cada concentração de ozônio testada, como

mostra a Figura 3. Conforme mostram os resultados, uma concentração em torno de 5 mgO3/L foi suficiente para

uma boa desinfecção com valores de E. coli remanescentes na ordem de 1,56 unidades logarítmicas.

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 3,3 5,1 6,35 9,15 O3 (mg/L) L O G N M P /10 0ML ( E. C O L I)

Média log NMP inicial Média Log NMP Desvio Padrão Log NMP

Após a realização dos ensaios em batelada, testou-se o melhor resultado em relação a remoção de E. coli para os

testes em contínuo. Os resultados em termos de eficiência de remoção mostram que a dosagem de 4,1 mgO3/L é

suficiente para se obter um efluente com 1,68 log de NMP de E. coli/100ML, conforme Figura 4. O tempo de contato do reator em contínuo foi de aproximadamente 0,55 segundos. O fator CT (concentração x tempo) ficou em 0,038, sendo maior que o recomendável para 90% de remoção de E. coli. A relação vazão líquido/vazão gás ficou um pouco acima da recomendada; ficando, portanto, a eficiência média de transferência de ozônio em 50%.

0,0000 1,0000 2,0000 3,0000 4,0000 5,0000 6,0000 1 2 3 4 5 6 amostras L o g N M P/100M L (E. co li)

Log NMP E. coli inicial Log NMP E. coli remanescente

Figura 4: Remoção de E. coli para 4,1 mg/L de O3 (contínuo)

Remoção de Ovos de Helmintos: O efluente apresentou uma concentração inexpressiva de ovos de Ascaris,

principalmente devido ao fato dos mesmos serem removidos na decantação. Para avaliar o efeito do ozônio sobre estes foi necessário preparar um concentrado de ovos a partir do lodo anaeróbio e fazer uma diluição no efluente tratado da ETE, atingindo a concentração de 10 ovos/L.Esses ensaios foram realizados em batelada, não sendo possível avaliar o fator CT, importante para formas mais resistentes de microrganismos. Nos cinco ensaios

realizados, notou-se pouca efetividade do ozônio, mesmo para concentrações elevadas (20 mgO3/L em todas as

amostras), conforme Figura 5.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 am o s tra s o v o s v iáv eis / lit ro s o vo s viá ve is in icia is o vo s viá ve is re m a n es c e n te s

Figura 5: Remoção de Ovos de Ascaris lumbricoides (batelada)

Inativação de Oocistos de Cryptosporidium sp e Cistos de Giardia sp : A concentração aplicada de 4 mg/L de

ozônio resultou em um fator CT de 0,283mg.min/L, que revelou-se suficiente para inativar totalmente uma

concentração inicial média de 39 cistos/L de Giardia sp e de 11 oocistos de Cryptosporidium sp. A concentração

aplicada de 7 mg/L de ozônio resultou em um fator CT de 0,6mg.min/L, apresentando também remoção total dos dois tipos de protozoários acima citados.

Ensaios de Toxicidade: Nos ensaios de toxicidade aguda com Daphnia magna com efluente ozonizado com

5mgO3/L, não foi detectado qualquer efeito sobre esses organismos, mesmo nos tubos que continham 100% de

efluente ozonizado. Também não foi observada qualquer diferença significativa na formação de micronúcleos nos eritrócitos dos peixes entre os grupos de aquários. Isto indica que o ozônio não apresentou efeito genotóxico.

REATOR UASB

Esse reator apresentava deficiência em seu funcionamento, com visível arraste de lodo. As características médias do efluente, calculadas a partir de seis amostras, encontram-se na Tabela 2.

Tabela 2: Características médias do efluente tratado por reator UASB

DQO PH SST Temp Cor apar Turbidez E. coli

mg/L mg/L o_{C UC NTU Log NMP/100ml}

Max-Min 191-260 7.2-6.5 38 -110 22-25 150-120 118-48.1 6.322-7.176

Média 183.6 6.9 77.4 24 130 88.32 6.694

Remoção de E. coli: Foram realizados seis ensaios com diferentes concentrações de ozônio (12, 15, 20 e 25

mgO3/L). A remoção de E. coli para este efluente foi insuficiente para atingir-se um padrão de desinfecção aceitável.

A eficiência de remoção é aparentemente influenciada pelo teor de sólidos suspensos. Na amostra que apresentou o menor valor de SST, a eficiência foi significativamente maior que nas demais, utilizando uma concentração de

ozônio de 15 mgO3/L. A Figura 6 mostra a remoção média de E. coli para as concentrações testadas para esse

efluente. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 12,3 15 20 25 O3 (mg/L) L O G N M P/1 00M L ( E . C o li)

Média Log NMP inicial Média Log NMP Remanescente Desvio Padrão Log NMP Remanescente

Figura 6: Remoção de E. coli x Concentração de O3

Remoção de Ovos de Helmintos: Foram realizados cinco ensaios com diferentes concentrações de ozônio (12, 15,

20 e 25 mgO3/L), em batelada, não sendo possível avaliar o fator CT. A eficiência de remoção dos ovos de Ascaris

lumbricoides mostrou-se fortemente dependente da concentração dos mesmos no efluente. Essa influência chega mesmo a ser mais importante que a variação da dosagem de ozônio. A Figura 7 mostra a remoção desses ovos em função da dosagem de ozônio. Para os ovos de Trichiuris trichiura o ozônio atingiu eficiência de 100% de remoção em quatro das cinco amostras testadas.

0 50 100 150 200 250 300 350 9 15 25 25 25 O3 (mg/L) ov os v iá v ei s / lit ro

ovos viáveis iniciais / litro ovos viáveis rem anescentes / litro eficiência de rem oção %

Figura 7: Concentração inicial de ovos viáveis de Ascaris lumbricoides x Eficiência de remoção Análise econômica: A avaliação de custo foi realizada mediante os seguintes parâmetros:

• Geração a partir do oxigênio

• Preço do oxigênio: R$ 0,5 / m3

• Capacidade de geração de O3: 5 kg/h

• Custo equipamento: R$ 800.000,00 • Vazão de tratamento: 300L/s • Custo energia atual: R$ 0,22

• Consumo específico de energia: 9 Kwh/kgO3

• Taxa de juros de 13% ano com prazo de financiamento de 10 anos e um incremento no custo da energia de 20% ano

• Número de economias servidas: 40.000 (3,75 habitantes por economia)

Levando em consideração os parâmetros citados, o custo por economia resultou em R$ 0,89 no primeiro ano de financiamento e R$1,99 no décimo ano.

CONCLUSÕES

Com base no trabalho realizado, concluiu-se que:

• O ozônio é altamente eficiente para a desinfecção de E. coli mesmo em baixas concentrações;

• Os resultados indicam que o processo de remoção de E. coli depende muito do valor de SST no efluente a ser ozonizado;

• Para as dosagens de ozônio testadas, a remoção de ovos de Ascaris lumbricoides foi ineficiente para os dois tipos de efluentes, comprovando com isso que os processos físicos (decantação, filtração) são os mais indicados para a remoção desses ovos. A remoção de Trichuris trichiura foi de 100% para quase a totalidade das amostras;

• O ozônio mostrou-se eficiente na inativação de cistos de Giardia e oocistos Cryptosporidium com uma

concentração de 4mgO3/L

• O ozônio mostrou ausência de toxicidade aguda para Daphnia magna e nenhuma influência sobre a divisão

celular dos eritrócitos dos peixes, quando aplicado 5mgO3/L em um efluente de boa qualidade.

• O processo de desinfecção por ozônio revelou viabilidade econômica para a ETE em questão; ressalta-se que esta tecnologia é sensível ao fator escala, ou seja, a partir de uma certa vazão os custos decrescem significativamente.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BITTON, G. Wastewater Microbiology, Willey-Liss, New York : 1994

DI BERNARDO, L. Desinfecção de Águas de Abastecimento, I Seminário Nacional de Microbiologia Aplicada ao Saneamento, Vitória, 2000.

DI BERNARDO, L. Métodos e Técnicas de Tratamento de Àgua, vol 2, ABES,1993.

HASSEMER, M. E. N. Tratamento de Efluente Têxtil - Processo Físico-Químico com Ozônio e Floculação em Meio Granular, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis: 2000.

LANGLAIS, B., RECKHOW, D. A. e BRINK, D.R. Ozone in Water Treatment: Application and Engineering. American Water Association Research Foundation: Compagnie Générale des Eaux, Lewis Publishers, USA : 1991.

VON SPERLING, M. Associação entre a legislação brasileira de qualidade da água e a seleção de processos de tratamento de esgotos. In Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, vol. 3, n° 2, 1998.