Aula 6 - Desinfecção e fluoretação

ESCOLA POLITÉCNICA DA USP

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA

PHD 2411 – SANEAMENTO I DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

Prof. Dr. Roque Passos Piveli

DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

 Introdução  Definição

 Agentes desinfetantes

 Histórico do processo de desinfecção  Aspectos químicos do cloro em meio

DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

 Demanda de cloro – Reações com nitrogênio amoniacal

 Avaliação da eficácia do processo de desinfecção

 Cinética do processo de desinfecção  Efeito da temperatura

TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO

Manancial _{Coagulação Floculação Sedimentação}

Filtração Desinfecção

Fluoretação Correção de pH

Água final

Polímero Agente oxidante

DESINFECÇÃO

Definição: O propósito do

processo de desinfecção é

eliminar, de modo econômico, os

microrganismos patogênicos

ESTERILIZAÇÃO

Definição: Processo de destruição

de todas as formas de vida



Agentes físicos



Temperatura



Radiação



Filtração



Agentes químicos



Fenóis



Álcoois



Halogênios



Metais pesados



Ácidos e bases

AGENTES DESINFETANTES

CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DE

UM AGENTE DESINFETANTE

 Atividade antimicrobiana  Solubilidade

 Estabilidade

 Inocuidade para o homem e os animais  Ausência de combinação com material

CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DE

UM AGENTE DESINFETANTE

 Apresentar toxicidade para os

microrganismos em temperatura ambiente

 Ausência de poderes corrosivos e

tintoriais

PRINCIPAIS AGENTES

DESINFETANTES UTILIZADOS NO

TRATAMENTO DE ÁGUA

 Cloro (Cloro gasoso, Hipoclorito de

Sódio e Hipoclorito de cálcio)

 Cloraminas

 Dióxido de cloro  Ozônio

 Evidências de John Snow - 1854  Teoria dos germes - Louis Paster e

Robert Koch - 1870

 Poder do cloro na ação desinfetante -

Robert Koch - 1881

HISTÓRICO DO PROCESSO

DE DESINFECÇÃO

 Primeiras aplicações do cloro como agente

regular no processo de desinfecção de águas de abastecimento

 Alemanha (1890)

 Inglaterra - Lincon - (1905)

 Estados Unidos - Chicago - (1908)

HISTÓRICO DO PROCESSO

DE DESINFECÇÃO

HISTÓRICO DO PROCESSO DE

DESINFECÇÃO

0 5 10 15 20 25 30 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Ano T a x a d e m o rta li d a d e p o r 1 0 0 .0 0 0 h a b ita n te s Início do processo de cloração Identificação dos DBP’s Protozoários resistentes a ação dos agentes desinfetantes convencionais

Taxa de mortalidade de febre tifóide nos Estados Unidos da América Fonte: Jacangelo, M. (2001)

 Lesão da parede celular

 Alteração da permeabilidade celular  Inibição da ação enzimática

 Alterações das moléculas de

proteínas e de ácidos nucleicos

MODO DE AÇÃO DOS

 Avaliação do processo  Monitoramento da concentração de microrganismos patogênicos  Monitoramento da concentração de microrganismos indicadores

EFICÁCIA DO PROCESSO

DE DESINFECÇÃO

 Estar presente na fase líquida quando da

presença de microrganismos patogênicos

 Estar presente apenas quando a presença

de microrganismos for um perigo iminente

 Estarem em maior número do que os

microrganismos patogênicos

 Serem mais resistentes a ação dos agentes

desinfetantes do que os microrganismos patogênicos

CARACTERÍSTICAS DE UM

 Crescerem facilmente em um meio cultura

relativamente simples

 Estarem distribuídos randomicamente na

amostra a ser examinada

 Crescerem de forma independente em

relação a outros microrganismos quando inoculados em meio de cultura artificial

CARACTERÍSTICAS DE UM



Grupos coliformes totais



Contagem de bactérias

heterotróficas



Grupos coliformes fecais ou

termotolerantes

MICRORGANISMOS

INDICADORES EM ENGENHARIA

AMBIENTAL

Parâmetro Valor Mais Provável Água para consumo humano

Coliformes termotolerantes Ausência em 100 ml Água na saída do tratamento

Coliformes totais Ausência em 100 ml

Água tratada no sistema de distribuição (Reservatórios e Rede) Coliformes termotolerantes Ausência em 100 ml

Coliformes totais

Sistemas que analisam 40 ou mais amostras por mês:

Ausência em 100 ml em 95% das amostras examinadas no mês

Sistemas que analisam menos de 40 amostras por mês:

Apenas uma amostra poderá apresentar mensalmente resultado positivo em 100 ml

PADRÃO MICROBIOLÓGICO DE

POTABILIDADE DA ÁGUA PARA



Controle de gosto e odor em águas

de abastecimento



Oxidação de ferro, manganês e H

₂

S

APLICAÇÃO DO CLORO COMO

AGENTE OXIDANTE E



Controle do crescimento de algas

nas unidades componentes da ETA



Controle do crescimento

microbiológico e desenvolvimento de

biofilmes em redes de distribuição

APLICAÇÃO DO CLORO COMO

AGENTE OXIDANTE E

Aplicação Dosagem típica pH ótimo Tempo de Reação Efetividade Oxidação de ferro 0,62 mg/mg Fe 7,0 < 1,0 hora Bom Oxidação de manganês 0,77 mg/mg Mn 7,5 a 8,5 9,5 1 a 3 horas Minutos Razoável, função do pH Controle de biofilmes 1 mg/l a 2 mg/l 6,0 a 8,0 Não Disponível Bom Controle de gosto e odor

Variável 6,0 a 8,0 Variável Variável

Remoção de cor Variável 4,0 a 7,0 Minutos Bom

APLICAÇÕES DO CLORO E

DOSAGENS TÍPICAS



Cloro gasoso (Líquido – Gás)



Hipoclorito de sódio (Solução líquida)



Hipoclorito de cálcio (Sólido)

APLICAÇÃO DO CLORO NO

TRATAMENTO DE ÁGUAS DE

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

HIPOCLORITO DE SÓDIO

 Cilindros de 45 kg (Retirada de gás)  Cilindros de 90 kg (Retirada de gás)  Cilindros de 900 kg (Gás ou Líquido)  Carretas de 18 toneladas (Líquido)  Carretas de 20 toneladas (Líquido)  Tanque estacionário de 50 toneladas

* Observação: Retirada de cloro gasoso é limitado a 1% de sua capacidade mássica por hora

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

CLORO GASOSO

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

CILINDROS DE 90 KG

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

CILINDROS DE 900 KG

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

CILINDROS DE 900 KG

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

CAMINHÃO TANQUE DE 18 TON

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

RETIRADA DE CLORO GASOSO

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

RETIRADA DE CLORO GASOSO

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

RETIRADA DE CLORO LÍQUIDO

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

RETIRADA DE CLORO LÍQUIDO

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

EVAPORADORES E CLORADORES

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

EVAPORADORES E CLORADORES

APLICAÇÃO DO CLORO EM ETA’S

Cloro Gasoso

) ( 2 ) ( 2 gás

Cl

aquoso

Cl







_T Cl parcial aquoso

e

P

Cl

atm

L

mol

H

6 2.818,48 ) ( ) ( 2

.

10

.

805

,

4

)

/

(

2 







ASPECTOS QUÍMICOS DO

CLORO EM MEIO AQUOSO

Cloro Gasoso

HOCl

Cl

H

O

H

Cl

_2(aq)



₂











 





 





3,35 ) ( 2 10 . .  _    aquoso H Cl Cl HOCL H K

ASPECTOS QUÍMICOS DO

CLORO EM MEIO AQUOSO

Hipoclorito de Sódio

 









H

O

HOCl

Na

OH

NaOCl

₂

Hipoclorito de Cálcio

 









H

O

HOCl

Ca

OH

OCl

Ca

(

)

2

2

2

2

2 2

ASPECTOS QUÍMICOS DO

CLORO EM MEIO AQUOSO

 





H

OCl

HOCl

K K T T pK₁  10,069  3.000  0,025

 







7,5 1 10 .      HOCl OCl H K

ASPECTOS QUÍMICOS DO

CLORO EM MEIO AQUOSO

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pH F ra ç õ e s io n iz á v e is HOCl OCl

 Reações com a luz ultra-violeta

2

2 2

2HOCl  H   Cl  O

 Reações com compostos inorgânicos

(Fe+2_{, Mn}+2_{, S}-2_{, NO}

2-)

 Reações com compostos orgânicos  Reações com compostos fenólicos  Reações com substâncias húmicas

CLORO E SUAS REAÇÕES

DEMANDA DE CLORO

 Reações com nitrogênio amoniacal       H O H Cl NH HOCl NH_{4 2 2} O H NHCl HOCl Cl NH₂   ₂  ₂ O H NCl HOCl NHCl₂   ₃  ₂ O H Cl H N HOCl NH₄ 3 ₂ 5 3 3 ₂ 2         O H Cl H NO HOCl NH₄  4  ₃  6   4   ₂

CLORO E SUAS REAÇÕES

DEMANDA DE CLORO

 Cloro Residual Livre



 

 



OCl HOCl

 Cloro Residual Combinado



NH₂Cl

 

 NHCl₂

 

 NCl₃



 Demanda de Cloro

Cloro Aplicado - Cloro Residual

CLORO E SUAS REAÇÕES

DEMANDA DE CLORO

CLORO E SUAS REAÇÕES

DEMANDA DE CLORO

    e Cl Cl₂ 2 2 HOCl  H   2e  Cl  H₂O O H Cl e H OCl  2   2     ₂         ₄ 2Cl 2H 2e Cl NH NH         ₄ 2 3H 4e 2Cl NH NHCl

1 mol Cl₂ = 1 mol HOCl = 1 mol OCL- = 1 mol NH₂CL 1 mol NHCL₂ = 2 moles Cl₂

CONCENTRAÇÃO DE

AGENTES OXIDANTES

 Lei de Chick (1908) k N dt dN .    Lei de Watson (1908) N C k dt dN n d. .   n d C k k  .  Lei de Chick-Watson (1908) t C k n d e N N . . 0 0         Eficiência = C.t

CINÉTICA DO PROCESSO DE

DESINFECÇÃO

t C k n d e N N . . 0 0         _{Eficiência = C.t}

 Concentração mínima de cloro residual livre após a

desinfecção: 0,5 mg/l

 Concentração mínima de cloro residual livre na rede

de distribuição: 0,2 mg/l

 Concentração máxima de cloro residual livre na rede

de distribuição: 2,0 mg/l

Tempo de contato 30 minutos

CINÉTICA DO PROCESSO DE

DESINFECÇÃO

FLUORETAÇÃO

Definição:O propósito do processo de

fluoretação é garantir uma concentração

mínima e máxima de íon fluoreto em águas de abastecimento a fim de que seja possível a

manutenção da saúde dental da população.

Para cada $ 1,0 gasto em processos de fluoretação, são economizados potencialmente $ 80,0 em custos odontológicos (AWWA, 1999)

TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO

Manancial _{Coagulação Floculação Sedimentação}

Filtração Desinfecção

Fluoretação Correção de pH

Água final

Polímero Agente oxidante

CONCENTRAÇÕES DE FLUORETO

RECOMENDÁVEIS EM ÁGUAS DE

ABASTECIMENTO

TEMPERATURA MÉDIA

ANUAL

DAS MÁXIMAS DIÁRIAS (C)

LIMITES

RECOMENDADOS DE FLUORETO (mg/l)

INFERIOR ÓTIMO SUPERIOR

10 - 12,1 0,9 1,2 1,7 12,2 - 14,6 0,8 1,1 1,5 14,7 - 17,7 0,8 1,0 1,3 17,8 - 21,4 0,7 0,9 1,2 21,5 - 26,3 0,7 0,8 1,0 26,4 - 32,5 0,6 0,7 0,8

CONCENTRAÇÕES DE FLUORETO EM

ÁGUAS SUBTERRÂNEAS DO ESTADO

DE SÃO PAULO

Município Número do Poço F- (mg/L)

Riolândia 6/03 8,20 Santa Albertina 13/14 4,40 Barretos 58/21 2,50 Coroados 91/11 5,00 Queiroz 158/07 4,40 Arealva 163/07 3,00 Presidente Prudente 177/82 11,60 Presidente Prudente 177/82 10,50 Presidente Prudente 177/82 13,30 Presidente Prudente 177/82 9,80 Leme 193/02 7,10 Teodoro Sampaio 200/06 9,20 Rio Claro 247/07 6,60 Cosmópolis 249/11 5,60 Jaguariúna 249/36 6,40 Anhembi 273/03 10,40 Conchas 274/05 8,57

APLICAÇÃO DE FLUORETO EM

ÁGUAS DE ABASTECIMENTO

 Fluoreto de Sódio (NaF)  Fluoreto de Cálcio (CaF₂)

 Fluossilicato de sódio (Na₂SiF₆)  Ácido Fluossilícico (H₂SiF₆)

APLICAÇÃO DE FLUORETO EM

ÁGUAS DE ABASTECIMENTO

Compostos  Características  Fluossilicato de Sódio (Na2SiF6) Fluoreto de Sódio (NaF) Fluoreto de Cálcio (CaF2) Ácido Fluossilícico H2SiF6 Forma pó pó pó líquido Peso Molecular (g) 188,05 42,00 78,08 144,08 % Pureza (comercial) 98,5 90-98 85-98 22-30 % Fluoreto (composto 100% puro) 60,7 45,25 48,8 79,02 Densidade (Kg/m3) 881-1153 1041-1442 1618 1,25(Kg/L) Solubilidade a 25C (g/100gH2O) 0,762 4,05 0,0016 infinita

 Vazão: 1,0 m3/s

 Dosagem mínima de cloro: 0,8 mg/l

 Dosagem média de cloro: 1,5 mg/l

 Dosagem máxima de cloro: 2,5 mg/l

 Tempo de contato: 30 minutos

 Concentração de flúor na água bruta: 0,1 mg/l

 Concentração de flúor na água final: 0,9 mg/l

 Profundidade da lâmina líquida=3,5 m

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

 Cálculo do volume do tanque de contato

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

Q V_ol h   3 3 800 . 1 min / 60 . min 30 . / 0 , 1 . m s s m Q V_ol  _h  

 Definição da geometria do tanque de contato

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

2 3 515 5 , 3 800 . 1 m m m H V A_S  ol   2 2 515 . 3 .L B m B A_S    m H m L m B 5 , 3 0 , 40 0 , 13   

 Definição da geometria do tanque de contato

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

13,0 m 40,0 m 3,25 m 3,25 m

 Cálculo do consumo diário de cloro

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

t C Q Massa  . . dia kg kg g m g dia m Massa_mínima 69,12 / / 000 . 1 / 8 , 0 . / 400 . 86 3 3   dia kg Massa_média  129,6 / dia kg Massa_máxima  216 /

 Dimensionamento do sistema de reservação

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

kg dias dia kg Massa  216 / .20  4.320

Será admitido que o sistema de reservação tenha uma autonomia de 20 dias.

 Opção 1 - Cloro gasoso

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

05 Cilindros de 01 tonelada cada.

 Opção 2 - Hipoclorito de sódio

Concentração da solução: 12,0% em peso como Cl₂ Massa específica da solução: 1.220 kg/m3

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

 Opção 2 - Hipoclorito de sódio

_{Concentração da solução: 12,0% em peso como Cl}

2 Massa específica da solução: 1.220 kg/m3

solução solução produto M kg M M _4.320 12 , 0   M_solução  36.000 kg 3 3 29,5 / 220 . 1 000 . 36 m m kg kg M V solução solução olume  _  

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

 Opção 2 - Hipoclorito de sódio

_{Concentração da solução: 12,0% em peso como Cl}

2 Massa específica da solução: 1.220 kg/m3

) ( 0 , 30 m3 Adotado V_olume 

 Dimensionamento do sistema de fluoretação

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO



C C



t Q Massa  . _AF  _AB . dia kg kg g m g dia m Massa_mínima 69,12 / / 000 . 1 / 8 , 0 . / 400 . 86 3 3 _ 

 Cálculo da massa de ácido fluossilícico

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

Mol H₂SiF₆=144,1 g

Massa de F por mol de H₂SiF₆=114

dia kg Massa 87,37 / 114 1 , 144 . 12 , 69  

 Dimensionamento do sistema de reservação

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

Será admitido que o sistema de reservação tenha uma autonomia de 20 dias.

kg dias

dia kg

Massa  87,37 / .20  1.747,4

Concentração da solução: 22,0% em peso como H₂SiF₆ Massa específica da solução: 1.260 kg/m3

 Dimensionamento do sistema de reservação

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

DE DESINFECÇÃO E FLUORETAÇÃO

solução solução produto M kg M M _1.747,4 22 , 0   Msolução  7.942,74 kg 3 3 6,30 / 260 . 1 74 , 942 . 7 m m kg kg M V solução solução olume  _   ) ( 0 , 7 m3 Adotado V_olume 

Muito