II-004 - APLICAÇÃO DA FOTÓLISE NA DESINFECÇÃO DE ÁGUAS
Patrícia Pulcini Rosvald Donaire(1)
Bacharel em Química pela Universidade Estadual de São Paulo (UNESP). Especialista em Gestão Ambiental pela Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP. Mestranda em Saneamento e Ambiente na Faculdade de Engenharia Civil na UNICAMP.
Roberta Lourenço Ziolli
Bacharel em Química pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Doutora em ciências pela mesma universidade, com tese defendida na área de Química Ambiental. Participou de um programa de estágio no exterior, financiado pela agência de fomento brasileira, CAPES, desenvolvendo parte de sua tese de doutorado na cidade de Liverpool,
Inglaterra, na área de Oceanografia e Geoquímica Ambiental. Atualmente, professora assistente doutora do departamento de Química da PUC-Rio.
José Roberto Guimarães
Graduado em Química, mestrado e doutorado em Química Analítica/Ambiental. Atualmente é professor assistente doutor do Departamento de Saneamento e ambiente (DAS) da Faculdade de Engenharia Civil (FEC) - UNICAMP. É professor do curso de graduação e de pós-graduação da FEC-UNICAMP, orientando projetos ao nível de iniciação científica, mestrado e doutorado. Atua em projetos envolvendo a qualidade de águas de lagos urbanos, em testes de toxicidade, lodos de ETE, respirometria, desinfecção de águas de abastecimento, tratamento de águas residuárias utilizando Processos Oxidativos Avançados (POA) combinados com processos biológicos.
Wilson de Figueiredo Jardim
Professor Titular do Instituto de Química da UNICAMP, onde foi contratado em 1984. Graduou-se em Química pela Universidade Federal de São Carlos; obteve o título de PhD na Universidade de Liverpool (Inglaterra) em 1983. Em 1987 realizou o pós-doutorado no Centro de Estudos Ambientais da Universidade Drexel, na Filadélfia. Sua área de atuação é Química Ambiental, mais especificamente Química Aquática e Processos Oxidativos Avançados.
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RESUMO
As doenças de transmissão hídrica, no Brasil e no mundo, vêm se propagando cada vez mais nas últimas décadas, sendo alvo de muitas mortes devido à falta de tratamento adequado dos esgotos e outros efluentes contaminados com microorganismos patogênicos.
Por questões históricas, técnicas e econômicas, o cloro foi e ainda é o desinfetante mais utilizado no país e no mundo. Porém, após a descoberta do potencial de formação de subprodutos, como os THM (trialometanos), advindos da reação do cloro com matérias húmicas e proteínas, seu uso na desinfecção passou a ser questionado. Pesquisas de métodos alternativos à cloração começaram a ser desenvolvidas, tanto com o intuito de substituir os antigos métodos químicos, como de minimizar a formação de precursores de THM e outros subprodutos, alguns dos quais apresentam potencial cancerígeno.
Processos fotoquímicos conjugados com H2O2 fazem parte de um grupo de tecnologia emergente chamado POA (Processos Oxidativos Avançados), os quais estão em franco desenvolvimento na aplicação em águas residuárias e tratadas, enfocando mais recentemente a busca e o aprimoramento de processos de desinfecção efetivos, minimizando a produção de subprodutos possivelmente tóxicos, com custo e operação acessíveis e seguros.
A radiação ultravioleta (UV), que é uma alternativa para desinfecção, quando utilizada sem ser conjugada a outros processos (tais como O2, H2O2) é chamada de fotólise, que é um sistema baseado numa interação irreversível da luz com a molécula, causando sua destruição total ou parcial.
Este trabalho investiga o uso da fotólise como processo de desinfecção de águas brutas. Para tal, lança-se mão de um fotoreator anular, comercialmente disponível, através do qual, águas com composição de sais definidas e contaminadas com Escherichia coli, serão testadas e a eficiência do processo analisada através da fração de bactérias sobreviventes. Posteriormente, águas naturais contaminadas serão utilizadas para estudo.
A viabilidade para uso em pequenas e médias comunidades, geralmente carentes de saneamento básico, será analisada, bem como sua eficiência, limitação e aplicabilidade.
PALAVRAS-CHAVE: Desinfecção, Processos Oxidativos Avançados, Fotólise, Tratamento de Águas
Residuárias.
INTRODUÇÃO
Doenças de transmissão hídrica são aquelas em que a água atua como veículo do agente infeccioso. Os microorganismos patogênicos atingem a água através das excretas de pessoas ou animais infectados, causando problemas principalmente no aparelho intestinal do homem. Essas doenças podem ser desencadeadas por bactéria, vírus, protozoários ou menos frequentemente por fungos. Infecções do trato gastrointestinal são as doenças mais frequentes quando vistas em larga escala mundial. Em países subdesenvolvidos, tais infecções são a maior causa de morte de crianças abaixo de 5 anos de idade.
Entre as principais doenças que se propagam por falta ou contaminação da água e inadequada disposição dos esgotos estão a diarréia, o cólera, a febre tifóide e paratifóide, a hepatite infecciosa, a salmonelose, a desinteria bacilar, as gastroenterites, as parasitoses e a teníase. Em nações industriais desenvolvidas, os microorganismos que causam doenças transmitidas via água potável são quase que exclusivamente bactéria e vírus (Carlson, 1991).
Devido a tais fatos, a desinfecção tornou-se indispensável no processo de tratamento de água, tanto de abastecimento, como residuárias (esgoto doméstico ou industrial), sendo efetuada principalmente em efluentes secundários.
Basicamente existem três métodos de desinfecção (Daniel, 1993): • Processos naturais: lagoas de estabilização;
• Agentes químicos: cloro, hipoclorito de sódio ou de cálcio, dióxido de cloro, cloraminas, ozônio, etc., e • Agentes físicos: calor e radiação ultravioleta.
O processo de fotólise é conhecido desde o início do século passado, mas por problemas de confiabilidade de equipamento e tecnologia, entre outros, foi abandonada. Posteriormente, superados em grande parte esses problemas, o sistema de radiação ultravioleta começou a ganhar popularidade, principalmente nos países europeus e sua pesquisa e desenvolvimento tem aumentado bastante. Um dos fatores importantes para a popularização desses sistemas é o custo, que os tornam competitivos economicamente, se comparados à cloração.
A desinfecção com UV é mais efetivamente usada para água de baixa turbidez e cor devido à necessidade da penetração da luz no meio reacional, sendo portanto a qualidade da água a ser tratada um importante fator na utilização deste processo. Para pequenas comunidades, é uma técnica que devido ao baixo custo e operação prática dos reatores comerciais que já foram desenvolvidos para baixas vazões, pode servir como uma alternativa viável, frente à dependência total dessa comunidade da estação central de tratamento, que muitas vezes não tem condição de operar eficazmente tanto a nível de abastecimento quanto de uma desinfecção segura.
Ao contrário dos outros desinfetantes, que tem ação química, a radiação ultravioleta atua fisicamente, atingindo principalmente os ácidos nucleicos dos microorganismos, promovendo reações fotoquímicas, que inativam os vírus e bactérias (Bolton, 1999).
O termo "dose de UV" é frequentemente utilizado na literatura de desinfecção e representa a exposição ao UV de um dado organismo, na faixa germicida. Este parâmetro é similar à concentração em mg//L, quando o desinfetante é uma substância química (Bolton, 1999).
A dose de radiação ultravioleta é o produto da intensidade de radiação bactericida (W/cm2) pelo tempo de exposição (s).
A inativação de microorganismos é uma função exponencial com respeito à dose, em que parte da energia emitida pela fonte de radiação é absorvida por substâncias presentes na água como matérias dissolvidas, partículas em suspensão e pela própria água. Porisso, a intensidade de radiação utilizada para o cálculo da dose média foi corrigida em função da absorbância, segundo a lei de Beer-Lambert (Sobotka, 1993).
Para avaliação do grau de poluição de um corpo hídrico geralmente utiliza-se como parâmetro certos microorganismos chamados de indicadores de poluição fecal. Para que uma bactéria seja indicadora de uma poluição fecal, esta deve reunir algumas características, tais como:
• Estar presente sempre em maior quantidade que os patógenos; • Ser de origem exclusivamente fecal;
• Ser mais resistente aos processos de desinfecção que os patógenos; • Não se reproduzir fora do intestino;
• Ter sobrevivência paralela aos patógenos mais resistentes; • Ter análise laboratorial rápida;
• Ser fácil de detectar e quantificar; • Não ser patogênica;
Porém, não existe nenhuma bactéria que possua todas essas características ao mesmo tempo, existindo apenas alguns grupos que cumprem parte destes requisitos, que são os coliformes totais e fecais, estreptococus fecais e clostridium perfringens.
Os coliformes totais são compostos por Escherichia coli, Citrobacter spp, Enterobacter spp e Klebsiella spp, e ocorrem naturalmente no solo, águas e vegetais não poluídos. Os coliformes fecais, segundo alguns autores, são compostos por Klebsiella t.t e Escherichia coli.
Nos animais de sangue quente, 90% dos coliformes totais presentes nas fezes são Escherichia coli. Os coliformes fecais representam 96,4% dos coliformes encontrados em fezes humanas. De 1 a 5% dos coliformes fecais são enteropatogênicos. Os coliformes podem indicar a presença de bactérias patogênicas, mas não de vírus.
A presença de coliformes totais em água deve ser interpretada de acordo com o tipo de água. Se esta tiver desinfetada, os coliformes totais devem estar ausentes. Por outro lado, sua presença indica que houve falhas no tratamento ou algum tipo de contaminação no reservatório ou na rede de distribuição. Funcionam como um alerta de que houve contaminação, não indicando a origem dessa poluição. No entanto, a presença de coliformes fecais indica com certeza que houve poluição fecal proveniente de fezes de animais de sangue quente e ou humanas, ou seja, de esgotos.
O tema de estudo deste projeto faz parte de um dos Temas Prioritários do PROSAB (Programa de Pesquisas em Saneamento Básico), Tema 1- Águas de Abastecimento: eficiência, limitações e aplicabilidade de sistemas de tratamento de água não convencionais, no qual a FEC, através do Depto. de Saneamento e Ambiente participa.
MATERIAIS E MÉTODOS Preparação da água sintética
Para os ensaios preliminares de desinfecção foi produzida uma "água sintética", utilizando-se água deionizada, sais e posterior contaminação com E.coli. Este procedimento foi aconselhado pelo Standard Methods, 15a edição, 1995 que possui composição e características físico-químicas definidas, de acordo com as TAB. 1 e TAB. 2 :
TABELA 1 : Composição da água sintética.
Reagentes Concentração NaHCO3 12,00 mg/L CaSO4 7,01 mg/L MgSO4 7,50 mg/L KCl 0,50 mg/L NaOH (1,0 M) 5,00 mL KH2PO4 30,00 mL
TABELA 2 : Características físico-químicas da água sintética.
Parâmetro Unidade Valor
Condutividade (da água deionizada)
µmho/cm 1
Dureza mg/L CaCO3 10 a 13
pH unidades de pH 6,4 a 6,8
Alcalinidade mg/L CaCO3 10 a 14
Foram feitos também ensaios preliminares para determinação da concentração de substância húmica (de um lote específico da marca Aldrich, distribuído para todos os grupos envolvidos na rede Prosab) necessária para que a água sintética pura apresentasse cor aparente próxima a 10, 30 e 50 uC, faixas escolhidas para estudo neste projeto. Para isso foi feita uma solução de substância húmica a 0,1%, da qual retiraram-se as alíquotas necessárias para se obter as cores pretendidas sendo as respectivas medidas realizadas num espectrofotômetro DR/4000 U.
Para as análises de turbidez também foram feitos ensaios preliminares para determinação da concentração de argila (também de um lote específico distribuído para todos os grupos envolvidos na rede Prosab) necessária para que a água sintética pura apresentasse turbidez aparente próxima de 3, 30 e 50 uT, faixas escolhidas para estudo neste projeto. Para isto, foi feita uma suspensão de argila montmorilonita sódica a 1%, da qual retiraram-se as alíquotas a partir das quais se obteve a turbidez esperada, sendo estas amostras analisadas num turbidímetro 2100N.
Esquema experimental
O esquema experimental utilizado está ilustrado na FIG 1.:
FIGURA 1: Montagem do experimento.
O reator utilizado é produzido comercialmente (Advantage 12, Trojan Technologies Inc.), possui uma lâmpada UV de 65 W inserida no centro, com volume interno útil de 2,25 L. É constituído por um corpo cilíndrico de aço inox, com 94 cm de comprimento e 6 cm de diâmetro interno. Permanece preso verticalmente ao suporte metálico (conforme FIG.1) e o efluente é bombeado do reservatório em fluxo ascendente e coletado na saída superior do reator , para as análises físico-químicas e bacteriológicas.
As amostras foram recolhidas em triplicata e a contagem de microorganismos foi feita pelo método Colilert, da seguinte maneira: cada 100 mL de amostra foram diluídos em água deionizada, pela técnica de diluições sucessivas, para que o No fosse inferior ao limite de detecção do método e o substrato correspondente foi adicionado. Em seguida, as amostras foram dispostas em cartelas, que acompanham o método e passadas numa seladora IDEXX QUANTI-TRAY SEALER, sendo então mantidas em estufa a 37οC por aproximadamente 24 (+ ou - 6) horas e quantificadas novamente. Para tal, utiliza-se uma lâmpada de luz negra que é incidida sobre a cartela, de acordo com o método, para determinação do número de microorganismos resultantes depois da desinfecção (N).
A partir da vazão de 3,8 L/min., os valores de No passaram a ser monitorados na hora da inoculação da bactéria na água sintética, previamente ao experimento, e no término do experimento, para garantir tanto a sobrevivência das bactérias, como para obter a concentração real das mesmas.
A intensidade da radiação UV emitida pela lâmpada é de 0,01W/cm2, sendo este valor utilizado para o cálculo do valor da intensidade média e posterior dose média. A espessura da lâmina d'água entre a parede da lâmpada e a parede do reator é de 1,975 cm.
RESULTADOS
Os ensaios preliminares foram realizados com vazões a partir de 0,21 L/min até 3,8 L/min, sem adição de cor e turbidez, de acordo com a TAB.3 :
TABELA 3 - Resultados obtidos na destruição de E.coli em função do tempo de residência.
Vazão (L/min.) Tempo de residência (min.) No NMP/100 mL N NMP/100 mL 0,208 10,8 104 ND 0,344 7,00 104 ND 1,000 2,20 104 ND 1,800 1,22 104 ND 3,800 0,60 5,17.104 ND 3,800 0,60 3,79.107 ND
Onde, NO e N são números de microorganismos inicial e final; ND: não detectável pelo método Colilert, que não implica em ausência total de microorganismos.
De acordo com os resultados obtidos na TAB.3, observa-se que na ausência de cor e turbidez e vazão máxima de 3,8 L/min., a desinfecção por fotólise foi totalmente eficiente, visto que o valor de N0 máximo foi de 3,79.107 NMP/100 mL e o valor de N ficou abaixo do limite de detecção mínimo do método, que é < 1,0 NMP/100 mL.
Experimentos com adição de cor e turbidez na água sintética contaminada com E.coli foram conduzidos, e os parâmetros de turbidez, absorbância, cor aparente, cor verdadeira e pH antes e depois da desinfecção passaram a ser monitorados, obtendo-se os resultados presentes na TAB.4:
TABELA 4: Características das águas sintéticas acrescidas de cor e turbidez. Água Sintética Turbidez (uT) Absorbância* (u.A.) Cor aparente (uC) Cor verdadeira (uC) pH inicial pH final 1 2,16 0,065 33 5 6,21 6,21 2 3,04 0,104 53,5 6 5,50 5,52 3 6,92 0,572 172,5 14 6,17 6,16 4 32,2 0,620 504 32 6,20 6,20 5 52,00 0,935 >520 46 5,43 5,45
Onde: inicial: antes da desinfecção; final: depois da desinfecção, *absorbância medida em caminho ótico final de 1 cm.
Observando-se os valores obtidos na TAB.4, verifica-se que a absorbância aumenta concomitantemente com o aumento da cor e turbidez na água sintética, enquanto que o pH permanece em valores próximos de 6,0 tanto antes quanto depois da desinfecção.
O monitoramento dos parâmetros já citados é imprescindível, visto que a Dose Média de radiação, emitida pela lâmpada, que passa através da lâmina d'água, é calculada em função da Intensidade Média de radiação, a qual depende da absorbância da água, ou seja, o quanto esta retém de intensidade luminosa no caminho que vai da fonte até a parede interna do reator.
A eficiência do processo de desinfecção foi calculada em função da fração de bactérias sobreviventes (N/N0).
TABELA 5: Doses médias utilizadas e eficiências de desinfecção obtidas para E.coli em águas sintéticas. Água Sintética Vazão (L/min.) N0 (NMP/100 mL) Tempo de residência (seg.) N (NMP/100 mL) Dose média (mWs/cm2) Eficiência (-log N/N0) 1 18,9 2,7.106 7,1 N.D. 66,0 > 7,30 2 13,2 8,2.106 10,2 N.D. 94,9 > 7,30 3 13,2 2,3.108 10,2 >2,4.103 61,2 < 4,98 4 13,2 2,0.107 10,2 1,0 59,2 7,30 5 13,2 2,0.107 10,2 >2,4.103 42,0 < 3,92
De acordo com os resultados obtidos na TAB.5, verifica-se que para as águas sintéticas 1 e 2, que apresentaram valores de cor e turbidez mais baixos e valores de No de 2,7.106 e 8,2.106 NMP/100 mL respectivamente , a desinfecção foi totalmente alcançada de acordo com o método e as características de cada água, necessitando-se de uma dose média de radiação que variou entre 66,0 e 94,9 mWs/cm2, respectivamente.
Observando-se as características das águas sintéticas 3 e 4, verifica-se que embora a água 4 apresente valores de cor e turbidez bem mais altos do que a água 3, a desinfecção total nesta, com um valor de No de 2,0.107 NMP/100 mL, foi quase totalmente alcançada, restando um valor de N de 1,0 NMP/100 mL para uma dose média de radiação de 59,2 mWs/cm2. Já a água 3, constituída de um valor de No de 2,3.108 NMP/100 mL e valores de cor e turbidez bem mais baixos que a água 4 apresentou uma desinfecção ineficiente, cujo valor de N extrapolou o limite de detecção do método, ou seja, acima de 2,4.103 NMP/100 mL
Para o experimento com a água sintética 5, a dose média de radiação foi de 42,0 mWs/cm2, resultando numa eficiência de desinfecção, cujo valor de N extrapolou o limite de detecção do método, visto que esta apresentava valores de cor e turbidez relativamente altos com valor de N0 de 2,0.107 NMP/100 mL.
Foram realizados posteriormente, experimentos com água natural coletada do Lago Chico Mendes, situado em Campinas, onde além dos parâmetros já monitorados, mediu-se o carbono orgânico total (COT) antes e depois da desinfecção. Os resultados obtidos das análises das águas naturais estão ilustrados na TAB. 6:
TAB. 6 - Características das águas naturais. Água natural Turbidez (uT) Absorbância (cm-1) Cor aparente (uC) Cor verdadeira (uC) pH inicial pH final COT inicial (ppm) COT final (ppm) 1 10,1 0,109 133 7 7,24 7,42 6,70 7,04 2 20,5 0,260 225 22 6,82 6,85 15,58 16,11 3 25,5 0,300 285 27 6,80 6,94 34,80 35,96
Observa-se pela TAB.6 que semelhantemente às águas sintéticas contaminadas, produzidas anteriormente, a absorbância das águas naturais aumenta em função do aumento da turbidez e cor presente nestas, enquanto que o pH permanece próximo de 7,0 tanto antes quanto depois da desinfecção.
O carbono orgânico total, representado pelo COT, manteve-se relativamente constante antes e depois da desinfecção, não apresentando nenhuma diminuição, indicando portanto que não houve mineralização da matéria orgânica.
TAB.7 - Doses médias utilizadas e eficiências de desinfecção obtidas para E.coli presente em águas naturais. Água natural N0 (NMP/100 mL) Vazão (L/min.) Tempo de residência (Seg.) N (NMP/100 mL) Dose média (mWs/cm2) N/N0 Eficiência (-log N/N0) 1 4,1.102 18,9 7,1 N.D. 63,0 <2,4.10 -3 > 2,62 2 3,4.105 13,2 10,2 5,9 77,0 1,7.10-5 4,77 (99,9999%) 3 3,2.105 18,9 7,1 4,3.102 54,0 1,3.10-3 2,89 (99,99%)
O experimento realizado com a água natural 1, com valor de No de 4,1.102 NMP/100 mL, apresentou uma desinfecção eficiente de acordo com o método utilizado e as características da mesma, exposta a uma dose média de radiação de 63,0 mWs/cm2.
A desinfecção obtida sobre a água 2 também foi eficiente, visto que ocorreu uma redução quase total da carga bacteriana inicial, de 3,4.105 para 5,9 NMP/100 mL, para uma dose média de 77,0 mWs/cm2.
Já para a água natural 3, a eficiência de desinfecção foi menor para uma dose média de radiação de 54,0 mWs/cm2, obtendo-se uma redução de 3,2.105 para 4,3.102 NMP/100 mL de E.coli.
CONCLUSÕES E DISCUSSÕES
Com base nos resultados obtidos até o momento , concluiu-se que:
O processo de desinfecção utilizado, a fotólise, foi bastante eficiente para as águas testadas até o momento A eficácia do processo de desinfecção é uma função da dose média de radiação, ou seja, o processo é limitado pela turbidez e cor presentes na mesma, os quais aumentam sua absorbância.
Verificou-se que há uma carga bacteriana inicial limite, a partir da qual a eficiência de desinfecção efetiva não é mais alcançada.
Pretende-se continuar os experimentos de fotólise aplicando-se maiores vazões para determinar-se a eficiência do processo, através da determinação da concentração máxima de E.coli, que eventualmente esteja presente na água residuária e que possa ser eliminada com o menor tempo de residência possível, diminuindo assim o tempo de tratamento na etapa de desinfecção.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. BOLTON, J.R. Light Compendium, Ultraviolet Principles and Applications. EPA- Newsletter, n.66, 37p., 1999.
2. CARLSON, S. Fundamentals of water disinfection. J.Wat. SRT - Aqua v.40, p.346-356, 1991.
3. DANIEL, L.A. Desinfecção de esgotos com radiação ultravioleta: fotorreativação e obtenção de parâmetros cinéticos. São Carlos: EESC,USP, 1993. Tese de Doutorado: Escola de Engenharia de São Carlos, USP, 164p., 1993.
4. Standard Methods For the Examination of Water and Wastewater, 18 ed. Washington: APHA/AWWA/WEF, 1992.
5. SOBOTKA, J. The efficiency of water treatment and disinfections by means of ultraviolet radiation.
