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7 PS-TRATAMENTO DE EFLUENTES ANAERBIOS POR SISTEMAS DEDESINFECO

Carlos Chernicharo, Luiz Antonio Daniel, Maurcio Sens e Bruno Coraucci Filho

7.1 INTRODUOO interesse na desinfeco dos esgotos cada vez maior, dado a crescente deteriorao das fontes de

abastecimento de gua para uso humano. O objetivo principal da desinfeco de esgotos destruir os

patognicos entricos, que podem estar presentes no efluente tratado, para tornar a gua receptora

segura para uso posterior.

No passado, a opo escolhida para disposio dos esgotos foi o despejo, no ambiente, em forma

completamente descontrolada, seja em pequena escala (poos negros, fossas spticas e sumidouros),ou em grande escala. At algumas dcadas atrs existia abundante disponibilidade de guas

subterrneas e superficiais em bom grau de qualidade, e a capacidade de depurao natural do

ambiente ainda dissimulava os efeitos dos lanamentos dos dejetos e produtos residuais da atividade

humana, diretamente no ambiente, sob a antiga premissa de que a soluo contaminao a

diluio.

Na atualidade, os efeitos de degradao esto ficando to evidentes, que no mais possvel ficar

alheio ao problema. Todas as utilidades tradicionais da gua, como abastecimento, irrigao agrcola,

reservatrios naturais, cultura de peixes e moluscos e recreao, entre outras, podero ficar ainda

mais comprometidas, caso sejam mantidas as polticas atuais para o setor de saneamento, levando

uma situao de escassez, carestia e diminuio da qualidade de vida. Como ilustrao, o custo dasguas para abastecimento est sendo cada vez maior, devido necessidade de tratamentos mais caros

para eliminar as substncias que chegam junto com as guas das fontes de captao (muitas das quais

esto adquirindo cada vez mais caractersticas correspondentes a guas servidas). O tratamento de

esgotos, at agora negligenciado por no produzir dinheiro, est comeando a ser alvo de atenes.

Sob um verniz ambientalista, se escondem interesses econmicos que, em cada nova situao,

vem uma oportunidade de lucro. Nas contas de gua das principais cidades, no Brasil e no mundo,

aparece o item coleta e tratamento de esgotos, passando dessa maneira a ser mais um servio

rentvel. Com sinais indicando que os organismos patognicos conseguem passar as barreiras fsico-

qumicas e biolgicas dos tratamentos tradicionais de guas, focaliza-se a ateno atual nos processos

de desinfeco.

Problemtica do lanamento de esgotos nos corpos dgua

A relao entre doena e gua contaminada foi demonstrada pela primeira vez em 1854, quando dois

investigadores ingleses, John Snow e John York, conseguiram identificar que a gua de um poo era

a fonte de infeco de clera asitica em uma determinada rea da cidade de Londres. Eles

demonstraram, tambm, que o poo de gua havia sido contaminado com esgotos provenientes de

uma tubulao danificada, e que esta recolhia os dejetos de uma residncia que abrigava uma pessoa

com clera. Este episdio tornou-se um marco na prtica da engenharia de sade pblica, uma vez

que conseguiu-se estabelecer, com certeza, que a gua era um importante veculo de disseminao da

clera asitica, uma das maiores pragas da raa humana.

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O contnuo crescimento populacional tem provocado crescente demanda por guas de consumo, de

recreao e para irrigao de culturas agrcolas. Com o crescimento populacional, tem aumentado,

tambm, a produo de esgotos e, como conseqncia, a exposio do homem, de animais e de

plantas aos esgotos que so lanados no meio ambiente, particularmente nos corpos de gua como

crregos, rios, lagos e represas. A segurana natural que existia antigamente, em relao aos aspectos

diluio dos esgotos e distncia dos pontos de lanamento, reduziu-se drasticamente, na medida em

que o crescimento populacional vem proporcionando o aumento do volume de esgotos gerados e do

nmero de pontos de lanamento.

O risco de contaminao est relacionado ao fato de que os esgotos contm uma srie de organismos

patognicos que so excretados juntamente com as fezes de indivduos infectados. At mesmo os

esgotos tratados em processos convencionais, como reatores anaerbios, lodos ativados, filtros

biolgicos etc., podem contaminar fontes de gua para abastecimento pblico, uso recreacional,

irrigao de culturas, dessedentao de animais etc. Isso acontece porque os processos convencionais

de tratamento de esgotos no so suficientemente eficientes na remoo de microrganismospatognicos (ver Tabelas 7.4 e 7.5). Nesse sentido, a desinfeco dos esgotos deve ser considerada

quando se pretende reduzir os riscos de transmisso de doenas infecciosas, quando o contato

humano, direto ou indireto, com as guas contaminadas, provvel de ocorrer.

Os organismos patognicos de maior preocupao, quando o homem exposto a ambientes

contaminados com esgotos, so as bactrias e os vrus entricos, alm dos parasitas intestinais. Uma

grande variedade destes organismos est sempre presente em todos os esgotos de origem domstica,

sendo que a sua transmisso para o homem pode ocorrer das seguintes formas:

Ingesto direta de gua no tratada;

Ingesto direta de gua tratada. Nesse caso, pressupe-se alguma falha no sistema de tratamento

ou de distribuio de gua; Ingesto de alimentos infectados com patgenos presentes em guas contaminadas;

Penetrao resultante do contato da pele com a gua contaminada.

A Tabela 7.1 apresenta as principais doenas relacionadas s guas contaminadas pelos esgotos.

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Tabela 7.1 Principais doenas relacionadas s guas contaminadas pelos esgotos

Forma de transmisso Doena Agente causador da doena

Ingesto de gua

contaminada

Disenteria bacilar

Clera

LeptospiroseSalmonelose

Febre tifide

Disenteria amebiana

Giardase

Hepatite infecciosa

Gastroenterite

Paralisia infantil (*)

Bactria (Shigella dysenteriae)

Bactria (Vibrio cholerae)

Bactria (Leptospira)Bactria (Salmonella)

Bactria (Salmonella typhi)

Protozorio (Entamoeba histolytica)

Protozorio (Giardia lamblia)

Vrus (vrus da hepatite A)

Vrus (enterovrus, parvovrus, rotavrus)

Vrus (Poliomielites virus)

Ingesto de gua e

alimentos contaminados

Ascaridase

Tricurase

Ancilostomase

Helminto (Ascaris lumbricoides)

Helminto (Trichuris trichiura)

Helminto (Ancilostoma duodenale)

Contato com guacontaminada

EscabioseTracoma

Esquistossomose

Sarna (Sarcoptes scabiei)Clamdea (Chlamydia tracomatis)

Helminto (Schistosoma)

* erradicada no Brasil

Fonte: Adaptado de BARROSet al. (1995) e VON SPERLING (1995)

Qualidade microbiolgica dos esgotos domsticos

Quando se pretende implementar um sistema de desinfeco de esgotos, torna-se importante

conhecer as suas caractersticas, tanto em termos dos parmetros fsico-qumicos convencionais de

monitoramento (pH, alcalinidade, demanda bioqumica de oxignio, slidos suspensos, nitrognio

etc.), como tambm, e principalmente, em relao aos parmetros microbiolgicos de avaliao das

concentraes de organismos patognicos ou de organismos indicadores. No Brasil, tem sido muito

mais freqente a utilizao dos parmetros microbiolgicos de identificao e quantificao de

organismos indicadores de contaminao, notadamente coliformes totais e fecais (ou

termotolerantes) e estreptococos fecais. Isso se deve s dificuldades e custos inerentes identificao

dos diversos organismos patognicos, muito embora diversos laboratrios de empresas de

saneamento j estejam realizando anlises de rotina para a identificao de Giargia e

Criptosporidium,dentre outros.

Vale lembrar que os organismos indicadoresde contaminao, mais especificamente os coliformes e

estreptococos fecais, so utilizados como parmetros de monitoramento porque estes, alm de fceis

de identificar, esto sempre presentes, em grandes quantidades, nas fezes de origem humana e deoutros animais de sangue quente. Assim, a presena de coliformes e estreptococos fecais em uma

amostra de gua torna-se um forte indicativo de que aquela gua foi contaminada pelo lanamento de

esgotos domsticos e deve, muito possivelmente, conter organismos patognicos. Trata-se, portanto,

de uma determinao indireta da presena de organismos causadores de doenas, uma vez que os

organismos indicadoresso, em sua vasta maioria, habitantes do trato intestinal do homem e no so

causadores de doenas.

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Requisitos e padres de qualidade da gua

Conforme comentado anteriormente, a desinfeco dos esgotos deve ser considerada quando se

pretende reduzir os riscos de transmisso de doenas infecciosas. Nesse sentido, os requisitos de

qualidade de uma gua devem ser avaliados em funo dos usos previstos para essa mesma gua.

Por exemplo, se as guas de um rio so usadas, prioritariamente, para a gerao de energia ou para o

transporte fluvial, no deve haver a preocupao com a presena de organismos patognicos nessas

guas (ver padro para corpo dgua classe 4 na Tabela 7.2). Outros requisitos de qualidade passam

a ser importantes, como a agressividade da gua (no caso de usinas hidreltricas) ou a presena de

material grosseiro (que possa por em risco embarcaes, no caso do transporte fluvial). Por outro

lado, quando os usos preponderantes das guas so mais nobres como, por exemplo, o abastecimento

pblico e a irrigao de hortalias e de produtos ingeridos crus ou com casca, o requisito de

qualidade microbiolgica passa a ser muito importante.

Esses aspectos de requisitos e padres de qualidade so tratados por legislaes especficas,conforme resumido na Tabela 7.2.

Tabela 7.2 Padres de qualidade microbiolgica de guasde consumo humano e de corpos dgua

Padro para corpo dgua(b)

Parmetro Padro de

potabilidade(a) Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4

Coliformes totais Consultar padro 1.000 5.000 2.000 -

Escherichia coliou

coliformes termotolerantes

Ausncia em 100 mL 200 1.000 4.000 -

(a) De acordo com a Portaria no 1496, 29/12/2000, do Ministrio da Sade(b) De acordo com a Resoluo CONAMA no 20, 18/06/1986

Ocorrncias de microrganismos nos esgotos brutos e remoes esperadas no tratamento

As composies microbiolgicas tpicas de esgotos brutos e os nveis de remoo esperados em

diferentes sistemas de tratamento so apresentados nas Tabelas 7.3 a 7.5.

Tabela 7.3 Ocorrncias tpicas de microrganismos patognicos emicrorganismos indicadores em esgotos brutos

Microrganismo Contribuio per capita

(org/hab.d)

Concentrao

(org/100 ml)Coliformes totais 10

9a 10

1210

6a 10

9

Coliformes fecais 108 a 1011 105 a 108

Estreptococos fecais 108 a 109 105 a 106

Cistos de protozorios < 106

< 103

Ovos de helmintos < 106 < 103

Vrus 105

a 107

102

a 104

Fonte: Adaptado de VON SPERLING (1995) e ARCEIVALA (1981)

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Tabela 7.4 Remoes tpicas de microrganismos patognicos e microrganismosindicadores em sistemas convencionais de tratamento de esgotos

Microrganismos Tratamento primrio (%) Tratamento secundrio (%)

Coliformes totais < 10 90 a 99

Coliformes fecais 35 90 a 99

Shigella sp. 15 91 a 99

Salmonella sp. 15 96 a 99

Escherichia coli 15 90 a 99

Vrus < 10 76 a 99

Entamoeba histolytica 10 a 50 10

Ovos de helmintos 50 a 90 70 a 99

Fonte: Adaptado de USEPA (1986)

Embora as eficincias de remoo de microrganismos patognicos e microrganismos indicadorespaream elevadas, de acordo com a Tabela 7.4, deve-se ressaltar que, em se tratando de coliformes,

estes esto presentes em quantidades muito elevadas (ver Tabela 7.3) e, portanto, so necessrias

eficincias de remoo tambm muito altas, usualmente na faixa de 99,99 a 99,999%, para o

atendimento aos padres de qualidade microbiolgica (ver Tabela 7.2). Vale ressaltar que a

concentrao de microrganismos sobreviventes ou remanescentes ativos mais importante que a

eficincia em termos percentuais.

Apresenta-se, na Tabela 7.5, a capacidade de diversas tecnologias de tratamento de esgotos em

atingir, consistentemente, distintos nveis de qualidade do efluente, em termos de coliformes fecais e

ovos de helmintos. Pode-se depreender, a partir das concentraes apresentadas, que os processos

convencionais de tratamento de esgotos, projetados apenas para a remoo de matria orgnica eslidos, usualmente no alcanam uma remoo satisfatria de coliformes e organismos patognicos.

Apenas os processos de tratamento de esgotos que incorporam: lagoas de maturao, infiltrao no

solo e desinfeco so capazes de alcanar nveis reduzidos de coliformes no efluente. Alm destes,

processos envolvendo lagoas tambm podem alcanar baixos valores de ovos de helmintos no

efluente. Deve-se ressaltar, no entanto, que a utilizao de parmetros de projeto mais conservadores

para os processos de remoo mais eficientes, listados na Tabela 7.5, pode possibilitar o alcance dos

nveis desejados de coliformes no efluente.

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Tabela 7.5 - Nveis de qualidade do efluente esperados para diferentes tecnologias de tratamentode esgotos, em termos de coliformes fecais e ovos de helmintos

Sistema Coliformes Fecais (CF/100ml) Ovos de

helmintos

1 x 106

1 x 105

1 x 104

1 x 103

1 ovo/LLagoa facultativa

Lagoa anaerbia + lagoa facultativa

Lagoa aerada facultativa

Lagoa aerada mistura completa + lagoa de sedimentao

Lagoa + lagoa de maturao

Lagoa + lagoa de alta taxa

Lagoa + remoo de algas

Infiltrao lenta

Infiltrao rpida

Escoamento superficial

Terras midas (wetlands, banhados artificiais)

Tanque sptico + filtro anaerbio

Tanque sptico + infiltrao

Reator UASB

Reator UASB + lodos ativados

Reator UASB + biofiltro aerado submerso

Reator UASB + filtro anaerbio

Reator UASB + filtro biolgico de baixa carga

Reator UASB + lagoas de maturao

Reator UASB + escoamento superficial

Lodos ativados convencional

Aerao prolongada

Reator por bateladaLodos ativados c/ remoo biolgica de N

Lodos ativados c/ remoo biolgica de N/P

Lodos ativados + filtrao

Filtro biolgico de baixa taxa

Filtro biolgico de alta taxa

Biofiltro aerado submerso

Biofiltro aerado submerso com remoo biolgica de N

Biodisco

Qualquer das tecnologias acima + desinfeco(a)

Varivel

Fonte: Adaptado de VON SPERLING & CHERNICHARO (2000)

(a) Desinfeco: ex. clorao, ozonizao, radiao UV (desde que o processo de desinfeco seja

compatvel com a qualidade do efluente do tratamento precedente)

Necessidade do ps-tratamento por sistemas de desinfeco

Conforme destacado anteriormente, so grandes os riscos de contaminao dos seres humanos,

quando estes ingerem ou tm contato com guas contendo organismos patognicos. Tal fato torna-se

ainda mais grave, no Brasil, em decorrncia dos seguintes aspectos principais:

A precariedade do quadro sanitrio brasileiro, com baixssimos ndices de cobertura por sistemas

de esgotamento sanitrio, aliado aos baixos investimentos em sade, fazem com que a populao

brasileira seja portadora de diversas doenas que podem ser transmitidas pelas fezes e,

consequentemente, pelos esgotos gerados por essa populao;

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Cerca de 75% da populao brasileira vive nos centros urbanos, configurando, dessa forma, umelevado contingente populacional concentrado em reas relativamente pequenas, e que produzenormes quantidades de esgotos;

baixssimo o percentual de localidades que apresentam alguma forma de tratamento de seusesgotos, caracterizando, portanto, uma situao de lanamento in naturade uma enorme parcelados esgotos gerados pela populao;

Nas poucas cidades que apresentam alguma forma de depurao dos esgotos, usualmente soutilizados processos convencionais de tratamento, que no so eficazes na remoo deorganismos patognicos;

Os esgotos no tratados, ou tratados em processos convencionais, podem contaminar fontes degua para abastecimento pblico, uso recreacional, irrigao de culturas, dessedentao deanimais, etc.

importante salientar, no entanto, que, apesar dos esgotos domsticos serem uma fonte

incontestvel de contaminao por organismos patognicos, tambm os agentes utilizados nosprocessos de desinfeco podem provocar danos sade humana e ao ambiente aqutico. Conclui-se,com isso, que a deciso de se desinfetar, ou no, os esgotos, deve ser tomada a partir de umaavaliao criteriosa, com base nas caractersticas especficas de cada situao. Ou seja, no existemdiretrizes universais em relao aos requisitos da desinfeco de esgotos. A deciso sobre anecessidade de se desinfetar os esgotos de uma determinada localidade envolve (USEPA, 1986): Uma investigao sobre os usos da gua a jusante do ponto de lanamento e sobre os riscos de

sade pblica associados quela gua; Uma avaliao das alternativas disponveis para o controle dos esgotos contaminados por

patgenos; Uma avaliao dos impactos ambientais que as medidas de controle podem ocasionar.

A Figura 7.1 apresenta um fluxograma que pode auxiliar na tomada de deciso sobre a necessidadede implementao e requisitos de um sistema de desinfeco de esgotos, levando em considerao osriscos de sade pblica envolvidos e a possibilidade de se reduzir ou de se eliminar esses riscos. Umavez identificado o nvel de risco envolvido, os aspectos ambientais passam a determinar aaplicabilidade da alternativa de controle.

No item 7.7 deste Captulo so apresentadas importantes consideraes sobre os principais aspectosrelacionados aplicabilidade das alternativas usualmente adotadas para a desinfeco de esgotos.

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Figura 7.1 Fluxograma para avaliao local da necessidade e

requisitos da desinfeco dos esgotosFonte: Adaptado de USEPA (1986)

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7.2 FUNDAMENTOS DA DESINFECO

7.2.1 Princpios de inativao de microrganismos

A desinfeco refere-se destruio seletiva de organismos causadores de doenas, sem que seja

necessria a eliminao de todos os organismos. A desinfeco usualmente conseguida atravs do

uso dos seguintes agentes e meios: agentes qumicos; agentes fsicos; meios mecnicos; radiao.

A descrio mais detalhada desses agentes e meios feita no decorrer do captulo e, particularmente,

no item 7.6 (Outros mtodos de desinfeco).

Existem quatro mecanismos propostos para explicar a ao dos desinfetantes: danificao da parede

celular; alterao da permeabilidade da clula; alterao da natureza coloidal do protoplasma; inibio

da atividade enzimtica (METCALF & EDDY, 1991).

Para se conseguir uma desinfeco efetiva, os seguintes fatores principais devem ser considerados

(METCALF & EDDY, 1991):

Tempo de contato

O tempo de contato do organismo com o agente desinfetante se constitui em uma das principais

variveis do processo de desinfeco. Em geral, para uma dada concentrao de desinfetante, a

destruio tanto maior quanto mais elevado for o tempo de contato. Esta observao foi

inicialmente reportada por CHICK, conforme tratado posteriormente neste captulo.

Concentrao e tipo do agente qumico

Dependendo do tipo de agente desinfetante, e dentro de certos limites, a eficincia da desinfeco

depende da concentrao do agente qumico, de acordo com a Equao 7.1.

teconstCn

tan= (7.1)

na qual:

C: concentrao do desinfetante;

n: constante

t: tempo necessrio para se atingir um percentual constante de destruio.

Intensidade e natureza do agente fsico

Alguns exemplos de agentes fsicos de desinfeco so o calor e a luz. Nesses casos, a eficincia da

desinfeco depende da intensidade da radiao.

Temperatura

O efeito da temperatura na taxa de eliminao de microrganismos pode ser representado pela relao

de vant Hoff-Arrhenius, na qual o aumento da temperatura resulta na acelerao do processo de

desinfeco, conforme representado na Figura 7.2

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Fig. 7.2 Decaimento de microrganismos em funo

do aumento de temperatura

Nmero de organismos

A concentrao de organismos no esgoto influencia o processo de desinfeco, uma vez que, quanto

mais elevado o nmero inicial de organismos, maior ser o tempo requerido para se conseguir a

eliminao dos mesmos. No entanto, a concentrao inicial de organismos no exerce influncia

sobre a eficincia de desinfeco, ou seja, para uma mesma dose aplicada, a relao N/No

praticamente no se altera, independente da concentrao inicial No.

Tipos de organismos

A eficincia dos diversos tipos de agentes desinfetantes influenciada pela natureza e condies dosmicrorganismos. Por exemplo, as clulas bacterianas viveis so eliminadas facilmente, enquanto os

esporos de bactrias so extremamente resistentes, sendo que a maioria dos desinfetantes

normalmente utilizados tem pouco ou nenhum efeito sobre estes. Nesses casos, outros agentes

desinfetantes, como o calor, podem ser necessrios.

Natureza do lquido

Alm dos fatores mencionados anteriormente, tambm a natureza do lquido submetido desinfeco

deve ser avaliada criteriosamente. Por exemplo, os materiais orgnicos presentes no lquido reagem

com a maioria dos agentes oxidantes de desinfeco e reduzem a sua eficincia.

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80

Incremento de temperatura ( C)

Nmerodevezesqueotempode

inativaoreduzido

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7.2.2 Aspectos cinticos da desinfeco

A reduo do nmero vivel de microrganismos, causada por agentes desinfetantes, foi observada,

por CHICK, em 1908, como sendo reao de primeira ordem bimolecular, ou seja,

kNdt

dN= (7.2)

na qual:

k: velocidade de decaimento (min-1

)

N: concentrao de microrganismos (NMP/100 mL)

Ao se integrar a Equao 7.2, para os limites (t = 0, N = No) e (t, N), resulta a equao exponencial:

( )ktNN

o

=exp (7.3)

Para que o decaimento, entendido como inativao dos microrganismos, siga a Equao 7.3, devem

ser respeitadas as seguintes condies:

populao homognea de microrganismos, ou seja, cultura pura;

escoamento de pisto ou batelada de mistura completa;

distribuio homognea de desinfetante e microrganismos;

concentrao constante de desinfetante ao longo do tempo;

constante k vlida para cada concentrao de desinfetante, no sendo aplicada para outras

concentraes.

Para considerar o efeito da concentrao, WATSON, em 1908, partiu de consideraes semelhantes

usada por CHICK, ou seja,

NCkdt

dN n'= (7.4)

na qual:n

Ckk '=

k: constante de decaimento (Ln/mgn. min)

C: concentrao de desinfetante (mg/L)n: coeficiente (adimensional)

A integrao da Equao 7.4, para os limites limites (t = 0, N = No) e (t, N), considerando que a

concentrao de desinfetante constante no tempo, fornece:

( )tCkN

N n

o

'exp= (7.5)

A gua natural e o esgoto sanitrio contm diferentes microrganismos com diferentes resistncias aos

desinfetantes. Por isso, normalmente ocorrem desvios das leis de CHICK e de WATSON.

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Em 1972, HOM apresentou um modelo emprico de decaimento de microrganismos, que considera a

concentrao de desinfetante e o tempo de contato com taxa de decaimento dada por

NtCkdt

dN mn 1" = (7.6)

Integrando para os limites (t = 0, N = No) e (t, N), considerando que a concentrao constante no

tempo, fornece:

m

tCk

N

N mn

o

"

ln = (7.7)

Como m e "k so constantes, faz-se a substituio de mk" por k, obtendo-se:

mn

o

tkCN

N=ln (7.8)

As constantes e os coeficientes de todos os modelos de desinfeco so obtidos por regresso linear

ou mltipla a partir de resultados experimentais obtidos em laboratrio, em condies controladas e

conhecidas, tais como pH, temperatura, alcalinidade, cor, turbidez, slidos em suspenso, gnero de

microrganismo e, quando, possvel a espcie, dentre outros fatores especficos de cada agente

desinfetante.

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7.3 DESINFECO COM CLORO

7.3.1 Introduo

O principal objetivo da clorao dos esgotos sanitrios a preveno da disseminao das doenas de

veiculao hdrica. A primeira aplicao do cloro para fins de sade pblica parece ter ocorrido em

1831, quando este foi usado como agente profiltico durante a epidemia europia de clera

(BELOHLAV & McBEE, 1962; citado por USEPA, 1986). O reconhecimento formal da

aplicabilidade do cloro para a desinfeco de esgotos ocorreu pela primeira vez na Inglaterra, em

1854, embora a clorao de esgotos naquele pas s tenha ocorrido, de fato, a partir de 1884.

A utilizao crescente do cloro na desinfeco de esgotos ocorreu a partir da primeira dcada do

sculo 20, quando foram iniciadas investigaes mais sistemticas sobre a eficincia desse elemento.

As Figuras 7.3 e 7.4 mostram a evoluo, nos Estados Unidos, do nmero de estaes de tratamento

de esgotos (ETE) e da populao com esgotos clorados, a partir do incio do sculo XX,

respectivamente. Pelas figuras, pode-se observar que cerca de 30% das estaes de tratamento j

praticavam a clorao dos esgotos no final da dcada de 50, sendo que esse percentual de

desinfeco beneficiava aproximadamente 50% da populao com esgotos tratados.

Fig. 7.3 Evoluo no nmero de estaes de

tratamento de esgotos nos EUA

Fonte: Adaptado de USEPA (1986)

Fig. 7.4 Evoluo do percentual de populao,

nos EUA, atendida por ETEs que

utilizam a clorao de esgotos

Fonte: Adaptado de USEPA (1986)

7.3.2 Aspectos relativos a projeto

A desinfeco um processo projetado para eliminar os organismos patognicos, sem no entantoproduzir uma gua esterilizada. Dois fatores so extremamente importantes no processo de

desinfeco: o tempo de contato e a concentrao do agente desinfetante. Para tempos de contato

elevados, pequenas concentraes de desinfetante so requeridas. Ao contrrio, tempos de contato

reduzidos requerem elevadas concentraes de desinfetante, para se atingir uma desinfeco

equivalente.

7.3.2.1 Caractersticas qumicas e fsicas dos principais compostos

Os principais compostos a base de cloro utilizados na desinfeco de esgotos so o cloro, nas suas

formas gasosa e de hipoclorito, e o dixido de cloro. Os mecanismos fundamentais de atuao do

cloro e os problemas advindos de sua utilizao na desinfeco de esgotos podem estar relacionados,

0

10

20

30

40

50

60

1910 1916 1940 1945 1948 1957

Ano

%po

pulaoc/esgotosclorados

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960

Ano

No.

deETEs

No. de ETEs No. ETEs comclorao

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em muitos casos, s propriedades fsicas do agente desinfetante e s reaes qumicas com outrosconstituintes que eventualmente estejam presentes nos esgotos.

O cloro molecular (Cl2) um gs de densidade maior que o ar temperatura e presso ambientes.

Quando comprimido a presses superiores sua presso de vapor, o cloro se condensa em umlquido, com a conseqente liberao de calor e reduo de volume em cerca de 450 vezes. Essa arazo pela qual o transporte comercial de cloro usualmente feito em cilindros pressurizados, quepossibilitam uma substancial reduo do volume. No entanto, quando se necessita fazer a aplicaodo cloro na forma gasosa, muitas vezes torna-se necessrio suprir energia trmica para vaporizar ocloro lquido comprimido. Algumas das principais propriedades fsicas do cloro so apresentadas naTabela 7.6.

Tabela 7.6 Propriedades fsicas do cloroPropriedade Cloro lquido Cloro gasosoAfinidade pela gua Pequena Pequena

Ponto de ebulio (a 1 atm) -34,05 oC -

Cor mbar claro Amarelo acizentado

Corrosividade Extremamente corrosivo aoao, na presena de pequena

quantidade de umidade

Extremamente corrosivo aoao na presena de pequena

quantidade de umidade

Densidade 1422 kg/m3 (a 16 oC) 3,2 kg/m3 (a 1,1 oC e 1 atm)

Limites de exploso (no ar) No explosivo No explosivo

Inflamabilidade No inflamvel No inflamvel

Odor Penetrante e irritante Penetrante e irritante

Solubilidade - Abaixo de 9,6 oC

Gravidade especfica (em relao gua a 4 oC) 1,468 -

Viscosidade 0,385 centipoise (a 0 oC) 167,9 micropoise (a 100oC)

Fonte: Adaptado de USEPA (1986); WEF (1992)

Nas aplicaes prticas de desinfeco de esgotos, tambm utilizado o cloro nas formas dehipoclorito de sdio e de hipoclorito de clcio. A quantidade relativa de cloro presente nessas fontesalternativas de cloro expressa em termos de cloro disponvel. Estequiometricamente, compostospuros de hipoclorito de sdio e de hipoclorito de clcio contm 95,2% e 99,2% de cloro disponvel,

respectivamente (USEPA, 1986).

Comercialmente, o hipoclorito de clcio encontrado na forma slida, em diversas marcas, sendorelativamente estvel na forma seca (perda aproximada de concentrao igual a 0,013% por dia). J ohipoclorito de sdio encontrado na forma lquida (soluo), em concentraes que usualmentevariam de 1 a 16%. No vivel comercializar o hipoclorito de sdio em concentraes maiselevadas, uma vez que a sua estabilidade qumica diminui rapidamente com o aumento daconcentrao. Por exemplo, temperatura ambiente, a concentrao de uma soluo de hipocloritode sdio a 18% reduz-se a metade em apenas 60 dias (USEPA, 1986).

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17

7.3.2.2 Forma de atuao e demanda de cloro

Quando o cloro gasoso, ou uma das formas de hipoclorito, adicionado a uma gua contendo

quantidades desprezveis de nitrognio, matria orgnica e outras substncias que demandam cloro,

estabelece-se, rapidamente, um equilbrio entre as vrias espcies qumicas em soluo. O cloro atuacomo um agente oxidante poderoso e freqentemente se dissipa no meio, to rapidamente, que pouca

desinfeco conseguida at que quantidades significativas da demanda de cloro tenham sido

aplicadas. O termo cloro livre disponvel utilizado para se referir concentrao total de cloro

molecular (Cl2), cido hipocloroso (HOCl) e on hipoclorito (OCl-).

Cloro livre

O cloro combina com a gua para formar os cidos hipocloroso e hidroclrico, de acordo com a

reao a seguir:

Cl2+ H2O HOCl + H+ + Cl- (7.9)

Em solues diludas e com nveis de pH acima de 4, o equilbrio da reao acima deslocado

acentuadamente para a direita e muito pouco Cl2 existe como tal na soluo aquosa. O cido

hipocloroso formado um cido fraco e dissocia-se muito pouco em nveis de pH abaixo de 6. A

ionizao ocorre especialmente quando o pH do meio mais elevado, vindo a se formar o on

hipoclorito, conforme a seguir:

HOCl H+ + OCl- (7.10)

O hipoclorito pode ser usado diretamente na forma de soluo de hipoclorito de sdio, sendo esta

uma forma bastante comum de desinfeco, onde grandes quantidades sejam necessrias, como o

caso da desinfeco de esgotos. A utilizao de hipoclorito de clcio bastante popular em situaesonde as quantidades requeridas sejam pequenas ou quando o seu uso seja intermitente. Ambos os

compostos dissociam-se em gua para formar o on hipoclorito, de acordo com as seguintes

equaes:

NaOCl Na+ + OCl- (7.11)

Ca(OCl2) Ca2+ + 2OCl- (7.12)

Dixido de cloro

O dixido de cloro (ClO2) uma molcula neutra na qual o cloro est em estado de oxidao +4.

Este gs deve ser preparado no local de uso, porque reage vigorosamente com agentes redutores,quando est em altas concentraes, no podendo ser armazenado. As principais reaes de

formao de dixido de cloro so como a seguir:

2NaClO2+ Cl2(g) 2ClO2(g)+ 2NaCl (formao de ClO2 a partir de clorito) (7.13)

NaClO3+ H2O2(g) + H2SO4

ClO2(g)+ O2+ Na2SO4+ H2O (formao de ClO2 a partir de clorato) (7.14)

5NaClO2+ 4HCl

4ClO2+ 5NaCl + 2H2O (formao de ClO2a partir do cido clordrico) (7.15)

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18

A caracterstica qumica mais destacada do dixido de cloro a sua capacidade de oxidar outras

substncias, atravs de um mecanismo de transferncia de um nico eltron, onde o ClO2 reduzido a

clorito (ClO2-), sem produo de hipoclorito ou cloro gasoso.

ClO2(aq) + e- = ClO2- (Reduo de dixido de cloro) (7.16)

Por esse motivo, e por oxidar seus precursores, o ClO2apresenta reduzida formao de subprodutos

organoclorados. No entanto o prprio clorito, e tambm o clorato, so apontados como subprodutos

do uso de ClO2, potencialmente nocivos sade humana, suspeitos de produzir anemia hemoltica e

outros efeitos.

Similarmente ao oznio, o ClO2 altera a natureza dos compostos orgnicos naturais, potencialmente

gerando maiores concentraes de alguns subprodutos e diminuindo as concentraes de precursores

de outros. As implicncias destas prticas para a sade humana so amplamente desconhecidas

(USEPA, 1999).

Cloro combinado

Quando o cloro entra em contato com substncias dissolvidas, presentes nos esgotos, ocorre uma

srie de reaes de dissipao, que resultam na perda de desinfetante, ou em uma mudana em sua

forma, para uma espcie menos ativa. Dentre essas reaes, destacam-se as que ocorrem com alguns

compostos de nitrognio e que resultam na formao de cloraminas. As reaes com compostos

orgnicos tambm so importantes, uma vez que podem levar produo de subprodutos organo-

clorados.

Quando a amnia (NH3) est presente na gua, ocorre a reao com o cloro para formar as

cloraminas:

NH3+ HOCl NH2Cl + H2O + H+

(Monocloramina) (7.17)

NH2Cl + HOCl NHCl2+ H2O (Dicloramina) (7.18)

NHCl2+ HOCl NCl3+ H2O (Tricloramina) (7.19)

Cada um destes trs compostos, monocloramina (NH2Cl), dicloramina (NHCl2) e tricloramina (NCl3),

contribuem para o residual de cloro combinado. Estas reaes qumicas proporcionam o fenmeno

dobreakpoint, quando guas contendo amnia so cloradas. Em guas contendo nitrognio orgnico

e nitrognio amoniacal, obreakpointocorre mas menos definido.

Diferenciao entre cloro livre e cloro combinado

O mtodo mais utilizado para a diferenciao entre o cloro livre e o cloro combinado o

Procedimento Titulomtrico Palin DPD.

Na utilizao desse mtodo, a soluo dietil-p-fenilenodiamina (DPD) produz uma cor vermelha

estvel, na presena de compostos clorados residuais, os quais so descoloridos, instantaneamente,

pela titulao com sulfato ferroso amoniacal (FAS).

Na ausncia de iodeto, o cloro livre disponvel reage instantaneamente com o DPD, para produzir

uma cor vermelha. A adio subseqente de uma pequena quantidade de iodeto de potssio (KI) atua

como catalisador para induzir as monocloraminas a produzir uma colorao imediata. A continuao

da adio de iodeto de potssio em excesso produz uma rpida resposta das dicloraminas. A cor

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19

produzida em cada estgio titulada at o ponto final incolor. As tricloraminas so normalmenteincludas na frao das dicloraminas.

Residuais de cloro livre e cloro combinado

prtica comum referir-se ao cloro (Cl2), ao cido hipocloroso (HOCl-) e ao on hipoclorito (OCl-)

como residuais de cloro livre, enquanto as cloraminas so denominadas residuais de clorocombinado. O somatrio das concentraes de cloro residual livre e cloro residual combinadoindica a concentrao de cloro residual total.

Para os residuais de cloro livre, um pH mais baixo, que favorece a formao de cido hipoclorososobre a formao do on hipoclorito, mais eficaz para a desinfeco. Tambm conhecido que, paraum tempo de contato especfico, necessria uma maior concentrao de cloro residual combinado,em relao ao cloro residual livre, para se atingir uma mesma eficincia de desinfeco. Dessa forma, importante se conhecer a concentrao e o tipo de cloro residual presente no meio.

Para os residuais de cloro combinado, na forma de cloraminas, as quantidades relativas demonocloraminas, dicloraminas e tricloraminas formadas dependem do pH. A oxidao completa daamnia pelo cloro, levando formao de nitrognio gasoso, apresenta uma relao estequeomtricade 1,5 mol de cloro consumido para cada mol de amnia oxidada, conforme Equao a seguir:

NH3+ 1,5 HOCl N2+ H+ + Cl- + H2O (7.20)

Embora as cloraminas tenham, para igual tempo de contato, um poder desinfetante muito menor queo acido hipocloroso (estimado em 200 vezes menor, USEPA, 1999), elas so mais estveis e durammais que o cloro livre ou o dixido de cloro, o que faz as cloraminas interessantes para constituir oresidual de desinfetante contido nas redes de distribuio de guas. Alguns estudos tambm tm

mostrado o efeito sinergtico da cloramina com o cloro (a mistura dos dois tem mais poderdesinfetante do que daria a soma das capacidades individuais, USEPA, 1999). Outro aspecto queestimula o seu uso o fato delas serem menos reativas com substncias orgnicas que o cloro,produzindo assim menos subprodutos como os THMs, o que favorvel do ponto de vista da sadepblica, e tambm com relao diminuio da incidncia de odores e gostos nas guas.

Na prtica da clorao de esgotos contendo amnia, pode ocorrer a formao de outros compostosnitrogenados, notadamente o nitrato (NO3

-), com uma relao estequeomtrica de 4 moles de cloroconsumido para cada mol de amnia oxidada, de acordo com a Equao 7.21.

NH4+ + 4HOCl NO3

- + 4Cl- + 6H+ + H2O (7.21)

Quando o cloro adicionado ao esgoto, as substncias rapidamente oxidveis, como Fe 2+, Mn2+, H2Se matria orgnica, reagem com o cloro e este reduzido em sua maior parte ao ion cloreto (ponto Ana Fig. 7.5). Aps satisfazer essa demanda inicial, o cloro continua a reagir com a amnia paraformar as cloraminas (entre os pontos A e B da Figura 7.5). As monocloraminas formam em pH entre7 e 9 e razo molar cloro/nitrognio amoniacal menor ou igual a 5. Entre pH 4,4 a 6 e razo molarcloro/nitrognio amoniacal de 5 a 7,6, h prevalncia de formao de dicloraminas e as tricloraminasprevalecem em pH menor que 4,5 e razo molar cloro/nitrognio amoniacal maior ou igual a 7,6.Entre os pontos B e C (breakpoint), parte das cloraminas ser convertida em tricloramina e a parcelaremanescente em nitrognio gasoso e nitrato. A continuidade da adio de cloro leva oxidaoquase completa das cloraminas no ponto C (breakpoint), quando a relao molar cloro/amnia decerca de 1,5. Adies subseqentes de cloro produzem residuais de cloro livre. A clorao

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20

referenciada como sendo ao breakpoint, devido caracterstica peculiar da curva de cloro residual,

como ilustrado na Figura 7.5.

Figura 7.5 Curva de cloro residual em guas com presena de amnia

7.3.3 Aspectos relativos a projeto

7.3.3.1 Cintica de inativao microbiolgica

Para se projetar um sistema de desinfeco de esgotos, torna-se necessrio conhecer a taxa deinativao do microrganismo indicador pelo agente desinfetante. Em particular, o efeito da

concentrao do agente desinfetante sobre a taxa desse processo determinar a combinao mais

eficiente entre tempo de contato e concentrao de desinfetante a utilizar.

Na desinfeco de esgotos com compostos de cloro, a concentrao do desinfetante se altera com o

tempo e, particularmente durante os momentos iniciais da aplicao do cloro, este passa por

transformaes rpidas, desde a forma livre at as formas combinadas. Dessa forma, torna-se mais

importante a determinao da concentrao de cloro residual do que a de cloro aplicado. Outros

aspectos relevantes e que interferem no processo de desinfeco so:

presena de slidos no efluente, uma vez que este podem proteger os microrganismos da ao do

desinfetante. Infelizmente, poucos mtodos encontram-se disponveis para se avaliar

quantitativamente esse fenmeno;

pH do efluente, j que a inativao de microrganismos aumenta com o decrscimo do pH, tanto

para residuais de cloro livre como de cloro combinado;

temperatura, uma vez que o aumento desta tambm aumenta a taxa de inativao dos

microrganismos.

A anlise de diversos dados de inativao de uma grande variedade de microrganismos, pelo cloro

livre e pelo cloro combinado, indica que a Equao combinada de CHICK-WATSON fornece uma

descrio satisfatria do processo de desinfeco, conforme descrito pela Equao 7.5. As Tabelas

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Cloro aplicado

Clororesidual

Cloro livre

Cloraminas

Cloro residual

A

B

C

(Breakpoint)

Predominncia de cloro

residual combinado

Predominncia de

cloro residual livre

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21

7.7 e 7.8 apresentam valores da constante de decaimento k e do coeficiente n para diferentes

microrganismos e diferentes condies de desinfeco (pH, temperatura e tipo de cloro residual)

Tabela 7.7 Parmetros de CHICK-WATSON paraa inativao microbiolgica com cloro livreMicrorganismos pH Temperatura

(oC)

k

(Ln.mg

-n. min

-1)

n

8,5 20 a 25 30,6 1,46

E. coli 9,8 20 a 25 5,91 1,34

10,7 20 a 25 1,30 0,79

Aerobacter aerogenes 7 20 a 25 1,39 x 104

3,78

Pseudomonas 8,5 20 a 25 312 2,74

Pyocyanea 9,8 20 a 25 2,13 1,26

10,7 20 a 25 0,74 0,71

Salmonella typhi 7,0 20 a 25 8,15 x 10

6

4,078,5 20 a 25 2,45 x 104 1,78

Shigella dysenteriae 7,0 20 a 25 9,07 x 107

4,92

Micrococcus pyogenes var. aureus 7,0 25 3,32 1,10

6 20 0,0290 1,24

7 20 0,0219 1,18

8 20 0,0209 1,12

9 20 0,0080 0,99

Bacillus metiens 9,35 20 0,0086 1,04

10 20 0,0058 0,48

12,86 20 0,0015 0,58

10 30 0,0032 0,87

10 35 0,0044 1,0010 50 0,0075 1,26

6 10 12,78 0,818

Poliovirus tipo I (Mahoney) 6 20 30,12 0,615

6 30 75,12 0,608

Fonte: Adaptado de USEPA (1986)

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Tabela 7.8 Parmetros de CHICK-WATSON para

a inativao microbiolgica com cloro combinadoMicrorganismos pH Temperatura

(oC)

k

(Ln.mg-n. min-1)

n

7,0 35 0,084 1,398,5 35 0,0109 1,52

9,5 35 2,48 x 10-5

13,3

E. coli 6,5 20 a 25 0,483 1,07

7,0 20 a 25 0,316 1,04

7,8 20 a 25 0,193 1,18

8,5 20 a 25 0,0854 1,125

9,5 20 a 25 0,049 1,37

10,5 20 a 25 0,0125 2,27

6,5 20 a 25 0,363 1,19

7,0 20 a 25 0,241 1,35

Aerobacter aerogenes 7,8 20 a 25 0,095 1,188,5 20 a 25 0,0715 0,917

9,5 20 a 25 0,0358 1,16

10,5 20 a 25 0,00809 1,7

6,5 20 a 25 0,821 1,3

7,0 20 a 25 0,55 1,15

Shigella dysenteriae 7,8 20 a 25 0,341 1,32

8,5 20 a 25 0,151 1,02

9,5 20 a 25 0,064 0,995

10,5 20 a 25 0,0301 1,52

7,0 2 a 6 0,0902 1,32

8,5 2 a 6 0,0182 1,67

9,5 2 a 6 6,8 x 10-4 6,26Salmonella typhi 6,5 20 a 25 0,491 1,13

7,0 20 a 25 0,290 1,84

7,8 20 a 25 0,211 1,07

8,5 20 a 25 0,113 1,16

9.5 20 a 25 0,0417 0,878

6,5 20 a 25 0,44 1,27

7,0 20 a 25 0,301 1,44

Pseudomonas pyocyanus 7,8 20 a 25 0,174 1,55

8,5 20 a 25 0,102 1,01

9,5 20 a 25 0,0483 1,05

Fonte: Adaptado de USEPA (1986)

7.3.3.2 Dosagens de cloro requeridas

As dosagens de cloro requeridas para a desinfeco dependem de uma srie de fatores, notadamente

das caractersticas do esgoto. Nesse sentido, usualmente so desenvolvidos estudos de laboratrio

para se determinar as concentraes timas de cloro para se atingir uma determinada eficincia de

desinfeco. Na Tabela 7.9 so apresentadas as dosagens tpicas de cloro necessrias para a

desinfeco de esgotos brutos e tratados em diferentes eficincias.

A determinao da dosagem de cloro e o projeto das instalaes de desinfeco dependem das metas

a serem atingidas, em funo das diretrizes estabelecidas pela legislao ambiental. O sistema de

desinfeco pode ser projetado em funo do residual de cloro livre a ser mantido no efluente final,

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23

ou em funo do nmero mximo de organismos indicadores (usualmente coliformes fecais),

admitido para o efluente final. Qualquer que seja o caso, testes de laboratrio so uma ferramenta

importante para se determinar a concentrao de cloro requerida. Na ausncia de dados mais

especficos, devem ser utilizados os limites superiores das dosagens recomendadas na Tabela 7.9,

para se dimensionar os equipamentos de desinfeco.

Tabela 7.9 Dosagens tpicas de cloro para a

desinfeco de esgotos brutos e tratados

Aplicao Faixa de dosagem

(mg/L)

Esgoto bruto (pr-clorao) 6 a 25

Efluente primrio 5 a 20

Efluente de tratamento fsico-qumico 2 a 6

Efluente de filtros biolgicos percoladores 3 a 15

Efluente de lodos ativados 2 a 8

Efluente filtrado (aps tratamento em lodos ativados) 1 a 5

Fonte: METCALF & EDDY (1991); WEF (1992)

7.3.3.3 Aplicao do cloro

Conforme descrito anteriormente, os principais compostos de cloro utilizados para a desinfeco de

esgotos so o cloro gasoso (Cl2), o dixido de cloro (ClO2), o hipoclorito de clcio [Ca(OCl)2] e o

hipoclorito de sdio (NaOCl). Quando os dois ltimos compostos so utilizados, o processo de

clorao conhecido como hipoclorao.

Cloro

O cloro fornecido como um gs liquefeito, sob presso, em cilindros de diferentes capacidades. A

seleo do tamanho dos cilindros de cloro pressurizado depende principalmente da taxa de utilizao

de cloro na estao de tratamento, do custo do produto, dos requisitos da estao e da necessidade

de estocagem.

O cloro pode ser aplicado diretamente na forma gasosa ou como soluo aquosa. O cloro pode ser

retirado do cilindro na forma lquida ou na forma gasosa. Se a retirada do cloro for feita na forma

lquida, usualmente se torna necessrio prever um evaporador, a fim de ser evitar o congelamento da

linha e aumentar a capacidade de liberao do cloro. Um fluxograma tpico da aplicao de cloro

gasoso e de controle de dosagens mostrado na Figura 7.6.

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24

Figura 7.6 Fluxograma de um sistema de clorao e de desclorao com a

aplicao de dixido de enxofre

Fonte: METCALF & EDDY (1991)

Dixido de cloro

A utilizao de dixido de cloro pressupe a sua gerao in loco, a partir do clorito de sdio, clorato

de sdio, ou do cido clordrico, conforme Equaes 7.13 a 7.15. Descreve-se, a seguir, o

procedimento bsico para a gerao de dixido de cloro, a partir da combinao do cloro com o

clorito de sdio (ver tambm a Figura 7.7):

o cloro lquido vaporizado e convertido em cloro em soluo, sendo posteriormente dosado e

injetado no reator;

o clorito de sdio lquido medido e aplicado no reator. Ao invs da utilizao de clorito de

sdio lquido, que usualmente apresenta uma concentrao de 25%, pode ser utilizado tambm o

clorito de sdio na forma de sal, com preparao da soluo no prprio local da aplicao;

as duas solues (cloro e clorito de sdio) so aplicadas na base da torre de reao, preenchida

com anis de porcelana. Conforme essa nova soluo combinada flui, de baixo para cima, na torrede reao, o dixido de cloro formado. Um tempo de contato de cerca de 1 minuto

usualmente adequado para que essa reao de formao do dixido de cloro ocorra;

para se aumentar a velocidade da reao e se conseguir uma maior taxa de produo de dixido

de cloro, o cloro usualmente dosado ligeiramente em excesso;

a soluo produzida na parte superior da t orre apenas parcialmente o dixido de cloro, com

uma parcela remanescente de cloro em soluo, na forma de cido hipocloroso.

A aplicao da soluo de dixido de cloro no tanque de contato feita da mesma maneira que a

utilizada para os sistemas tpicos de clorao, conforme mostrado no fluxograma da Figura 7.6.

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25

Figura 7.7 Fluxograma da gerao de dixido de cloro

Fonte: METCALF & EDDY (1991)

Hipoclorito de clcio

O hipoclorito de clcio pode ser encontrado na forma lquida ou na forma slida. Na forma slida,

este pode se apresentar como p, grnulos ou tabletes, podendo ser suprido em containers de

diversos tamanhos. O hipoclorito de clcio na forma de grnulos prontamente solvel em gua,

sendo relativamente estvel quando estocado apropriadamente.

Muitas das preocupaes inerentes utilizao de cloro lquido ou gasoso so eliminadas quando se

utiliza o hiploclorito de clcio ou de sdio. No entanto, o hipoclorito mais caro que o cloro lquido,

apresenta perda de cloro ativo quando estocado e mais difcil de manusear. Esse composto tende a

se cristalizar, provocando entupimentos nas bombas dosadoras, tubulaes e vlvulas. O hipoclorito

de clcio mais utilizado em pequenas instalaes de desinfeco.

A forma mais satisfatria de aplicar a soluo de hipoclorito de clcio ou de sdio atravs do uso

de bombas dosadoras de baixa capacidade. Geralmente, estas bombas possibilitam o ajuste das

vazes, podendo-se cobrir grandes faixas de dosagens, com vazes constantes ou variveis. A Figura7.9 apresenta um fluxograma tpico de hipoclorao e desclorao com dixido de enxofre (ver

tambm item 7.3.4)

Hipoclorito de sdio

Nos Estados Unidos, diversas cidades de grande porte utilizam o hipoclorito de sdio devido a

problemas de segurana, em relao ao cloro lquido. A soluo de hipoclorito de sdio pode ser

comprada em tanques, usualmente com 12 a 15% de cloro disponvel, ou fabricada no local. A

soluo perde mais rapidamente o teor de cloro ativo quando esta mais concentrada, sendo essa

perda afetada pela exposio luz solar e ao calor. Por exemplo, uma soluo de hipoclorito de

sdio a 16,7% de concentrao e estocada temperatura de 27

C apresentar perda do teor de cloro

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26

de acordo com a curva mostrada na Figura 7.8. Assim, a soluo de hipoclorito deve ser estocada em

locais frescos e em tanques resistentes corroso.

Figura 7.8 Perda do teor de cloro em uma soluo de hipocloritode sdio a 16,7%, quando estocado a 27 C de temperatura

Da mesma forma que para o hipoclorito de clcio, a aplicao da soluo de hipoclorito de sdio

usualmente feita com o uso de bombas dosadoras de baixa capacidade. A Figura 7.9 apresenta um

fluxograma tpico de hipoclorao e de desclorao com a aplicao de dixido de enxofre (ver

tambm item 7.3.4).

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50

Tempo de estocagem (dias)

Perdadoteordecloro(%)

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27

Figura 7.9 Fluxograma de um sistema de clorao e

desclorao com dixido de enxofre

Fonte: METCALF & EDDY (1991)

7.3.3.4 Controle das dosagens de cloro

O mtodo mais simples de se controlar a dosagem de cloro o manual, quando o operador ajusta a

taxa de aplicao de cloro, para satisfazer as condies de cloro residual no efluente final. A dosagem

requerida usualmente determinada por meio da medio do cloro residual, na sada do tanque de

contato, aps o tempo de residncia do efluente no tanque (ver item 7.3.3.5), ajustando a taxa de

aplicao, at que seja obtido o residual de cloro desejado. O residual de cloro, por sua vez, dever

ser suficiente para produzir um efluente compatvel com a classe do corpo receptor, conforme

estabelecido pela legislao ambiental (ver Tabela 7.2). A determinao do teor de cloro residual,

necessrio para se conseguir a qualidade microbiolgica desejada para o efluente, usualmente feita

por meio de testes de laboratrio.

O controle da dosagem de cloro pode ser feito, tambm, de forma automatizada, por meio de

equipamentos que medem o teor de cloro residual na sada do tanque de contato e ajustam,

automaticamente, a taxa de aplicao de cloro.

7.3.3.5 Mistura e tempo de contato

Conforme j descrito anteriormente, para uma mesma situao de esgoto a ser desinfetado, a mistura

efetiva da soluo de cloro com o efluente, o tempo de contato do cloro com o efluente e o teor de

cloro residual so os trs fatores principais envolvidos na eliminao efetiva de organismos

patognicos, conforme discutido nos itens seguintes.

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Adio de cloro e dispositivo de mistura

O grau de mistura no ponto de aplicao do desinfetante tem um efeito pronunciado sobre a taxainicial de inativao de diversos microrganismos, sendo recomendado, portanto, elevados gradientes

de mistura (acima de 500 s-1

) e suficientes tempos de contato (usualmente da ordem de 1 a 15 s).A soluo de cloro deve ser injetada por meio de um difusor, de modo a garantir uma distribuiouniforme junto ao fluxo de esgotos. Na sua forma mais simples, o difusor pode ser constitudo de umtubo plstico perfurado (JORDO & PESSOA, 1995). Existem diversas opes de sistemas demistura, utilizando-se dispositivos mecnicos, canais ou condutos com escoamento em regimeturbulento, podendo-se destacar os seguintes (USEPA, 1996):

Difusor em tubulao: colocado no interior de uma tubulao, onde o efluente escoa a seoplena e em regime turbulento (ver Figura 7.10a).

Estrutura hidrulica submersa: na qual se induz uma zona turbulenta no ponto de aplicao dasoluo de cloro. Duas configuraes so usualmente utilizadas: vertedor submerso (Figura

7.10b) e ressalto hidrulico (Figura 7.10c). Misturador mecnico: instalado em uma pequena cmara de mistura com reduzido tempo de

residncia, preferencialmente da ordem de 1 segundo, ou menos, e gradiente de mistura variandoentre 1.500 e 3.000 s-1 (METCALF & EDDY, 1991). A utilizao de misturadores mecnicos particularmente importante nas estaes que requerem baixas concentraes de coliformes fecaisno efluente final. Ver Exemplo de dimensionamento (item 7.3.6) e Figura 7.10d.

No caso de misturadores mecnicos, pode-se calcular o gradiente de mistura (G) por meio daEquao 7.22.

2GVP = (7.22)

na qual:P: potncia dissipada na mistura (kgf.m/s), sendo 1 kgf.m/s = 10 W: viscosidade cinemtica do esgoto (kgf.s/m2)V: volume do tanque de mistura rpida (m3)G: gradiente de mistura no tanque de mistura rpida (s-1)

Para qualquer sistema de mistura adotado, importante que o mesmo propicie a maior dissoluopossvel da soluo gasosa com o efluente a ser desinfetado. De outra forma, parte do cloro gasosopode ser perdido da soluo, o que pode comprometer a eficincia da desinfeco e aumentar os

custos operacionais da instalao.

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Figura 7.10a Esquema de difusores em

tubulaes

Figura 7.10b Esquema de um canal com

vertedor submerso para mistura

Figura 7.10c Esquema de um canal com

ressalto hidrulico para mistura

Figura 7.10d Esquema de um tanque de mistura

com agitador mecnico

Tanque de contato

A funo desse tanque garantir um tempo suficiente de permanncia do esgoto, em contato com o

cloro, a fim de possibilitar uma adequada desinfeco. Para tal, pelo menos 80 a 90% do esgoto

devem ficar retidos no tanque de contato durante um determinado intervalo de tempo. A melhor

forma de se conseguir isso atravs do uso de tanques com regime de escoamento de fluxo pisto

(plug flow). Estes tanques devem apresentar relaes comprimento:largura de pelo menos 10:1 e,

preferencialmente, da ordem de 40:1, para se minimizar a ocorrncia de curtos-circuitos. Garantidas

estas condies, o volume do tanque de contato pode ser calculado por meio da Equao 7.23.

hmdQV = (7.23)

na qual:

V: volume do tanque de contato (m3)

Qmd: vazo mdia afluente ao tanque de contato (m3/min)

h: tempo de contato (min)

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O tempo de contato o parmetro fundamental para se dimensionar o volume do tanque de contato,

sendo normalmente adotados valores entre 15 e 45 minutos, garantindo-se um tempo mnimo de 15

minutos para as condies de vazes mximas.

No projeto do tanque de contato, deve-se garantir, ainda, a manuteno de velocidades horizontais,para as condies de vazes mnimas, suficientes para evitar a deposio de slidos no fundo do

reator. Estas velocidades horizontais mnimas devem ser da ordem de 3,0 a 7,5 cm/s. De qualquer

forma, o projeto deve prever descargas de fundo para possibilitar a limpeza do tanque. As Figuras

7.11 e 7.12 mostram equipamentos de controle da dosagem de dixido de cloro e um tanque de

contato.

Nos casos em que o lanamento final do efluente da estao feito por meio de longos emissrios,

nos quais o esgoto apresenta tempos de percurso superiores aos tempos de contato requeridos para a

desinfeco, pode ser possvel eliminar a construo do tanque de contato.

Figura 7.11 Equipamentos de controle de

dosagem de dixido de cloro

(ETE Caadores Camb/PR)

Figura 7.12 Tanque de contato com regime de

escoamento de fluxo pisto

(ETE Caadores Camb/PR)

Controle do processo

A verificao da eficcia do processo de desinfeco deve basear-se na relao entre os teores de

cloro residual e as concentraes de coliformes fecais das amostras do efluente final do tanque de

contato. Para tal, so utilizados dispositivos que controlam a clorao, numa proporo direta aofluxo de esgotos, que deve ser medido, de preferncia continuamente, na entrada ou na sada do

tanque de contato.

A medio do fluxo de esgotos pode ser feita por meio de um vertedor triangular ou retangular ou de

uma calha Parshall. Com base no valor da vazo medida, que geralmente varia muito ao longo do dia,

o dispositivo de controle da clorao ajusta a quantidade de cloro aplicada ao tanque de contato, a

fim de garantir os teores de cloro residual e as concentraes de coliformes fecais almejadas.

A concentrao ideal de cloro residual usualmente determinada atravs de testes de laboratrio, em

funo das dosagens aplicadas e das concentraes remanescentes de coliformes fecais no efluente.

Pode-se estimar a concentrao de cloro residual, em funo do tempo de contato e das

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concentraes inicial e final de coliformes fecais, a partir da Equao 7.24 (METCALF & EDDY,

1991).

( ) 3

23,01

+= hto

t

CN

N

(7.24)

na qual:

Nt: concentrao de coliformes fecais no tempo t (org/100mL)

No: concentrao inicial de coliformes fecais (org/100mL)

Ct: concentrao de cloro residual (mg/L)

h: tempo de contato (min)

7.3.4 Aspectos negativos da clorao e necessidade de desclorao

Em muitas estaes de tratamento, a desclorao do efluente se torna necessria, j que os teores decloro residual presentes no efluente desinfetado podem apresentar toxidade para peixes e outros

organismos aquticos. Alm disso, a matria orgnica presente no corpo dgua receptor pode, em

determinadas circunstncias, reagir com o cloro residual para formar compostos organoclorados e

trihalometanos (THM), produtos potencialmente carcinognicos. Uma discusso complementar em

relao aos aspectos positivos e negativos da clorao apresentada no item 7.7 e Tabela 7.18.

Tendo em vista esses aspectos negativos da clorao, a desclorao do efluente usualmente

necessria, objetivando-se reduzir os teores de cloro residual no efluente final da estao a valores

mnimos.

A desclorao pode ser conseguida com a utilizao de um agente redutor, como dixido de enxofre,

metabisulfito de sdio ou bisulfito de sdio, ou por adsoro em carvo ativado. O dixido deenxofre o agente qumico mais utilizado, particularmente nas estaes de tratamento de mdio e

grande porte. A dosagem terica para a desclorao com dixido de cloro requer 0,9 mgSO 2/L para

cada 1,0 mg/L de cloro residual a ser removido. Fluxogramas esquemticos de sistemas de

desinfeco com cloro e desclorao com dixido de enxofre so mostrados nas Figuras 7.6 e 7.9.

Tabela 7.10 Critrios e parmetros de projeto tpicos para utilizao de

dixido de enxofre em unidades de desclorao

ValoresAplicao unidade

Faixa Tpicos

Dosagem para vazo mdia

para vazo mxima

mgSO2/L por mg/Lde cloro residual 1,0 a 1,6

2,0 a 5,0

1,3

4,0

Tempo de contato para mistura rpida

para vazo mxima

segundo

- 45

Taxa de retirada de gs

de recipientes de 150 libras

de recipidentes de 2.000 libras

-

-

-

-

30

370

Fonte: METCALF & EDDY (1991); WEF (1992) pagina 507

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7.3.5 Aspectos relativos operao e manuteno

Os compostos halogenados utilizados na desinfeco apresentam certas propriedades que devem serconsideradas no projeto, a fim de proteger os operadores das estaes de tratamento de esgotos dos

riscos que podem surgir durante a operao. Existem diversos livros e manuais especializados quedetalham as medidas de segurana que devem ser incorporadas s unidades de desinfeco,principalmente em relao utilizao de cloro gasoso e de hipoclorito.

Nas instalaes que utilizam cloro gasoso, as principais preocupaes com segurana e sadeocupacional esto relacionadas possibilidade de vazamentos de cloro, a partir dos cilindros, vlvulasou tubulaes. A concentrao limite que o operador pode ficar exposto ao cloro de 1 ppm, emvolume, tomada como mdia ponderada de um perodo de 8 horas. Outras concentraes de interessepara o cloro, no ambiente, so apresentadas na Tabela 7.11.

Tabela 7.11 Concentraes de cloro na fase gasosa e seus efeitosConcentrao (ppm v/v) Resposta

3,5 Percepo mnima de odor

4,0 Efeito adverso sem gravidade

15,1 Irritao da garganta

30,2 Tosse

40 a 60 Nvel de perigo

Fonte: USEPA (1986)

interessante notar, a partir da Tabela 7.11, que o nvel mnimo de odor detectado pelo ser humano

(3,5 ppm) maior que o limite mximo estabelecido para a segurana do operador (1 ppm). Dessaforma, a unidade de desinfeco deve dispor de algum dispositivo, qumico ou eletrnico, para omonitoramento contnuo de cloro no ambiente.

Caso ocorra algum contato com o cloro, seja pela inalao, olhos ou pele, decorrente de vazamentos,podem ser tomadas as medidas de emergncia indicadas na Tabela 7.12, antes de se consultar ummdico.

Tabela 7.12 Procedimentos de emergncia a serem tomado, decorrentes de contato com o cloroTipo de contato Procedimento

GeralRetirar a pessoa do local e lev-la para uma rea no contaminada.Remover a roupa contaminada e lavar, com gua, todas as partes docorpo expostas ao cloro

InalaoSe a respirao estiver interrompida, proceder a respirao artificial.Quando a respirao for retomada, ou se a respirao no tiver sidointerrompida, administrar oxignio. Mantenha a pessoa aquecida e emrepouso.

Contatocom os olhos

Os olhos devem ser lavados com gua durante 15 minutos, segurando asplpebras abertas para garantir a completa irrigao dos mesmos.

ContatoCom a pele

Lavar as partes que foram expostas ao cloro com gua e sabo. recomendvel que a instalao disponha de uma ducha de emergncia.

Fonte: USEPA (1986)

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Quanto s questes de manuteno, um programa detalhado deve ser implementado na estao, de

acordo com as freqncias de inspeo recomendadas pelos fabricantes dos equipamentos, com o

intuito de garantir a segurana da estao e a eficincia do processo de desinfeco. A manuteno

de documentao, completa e atualizada, das tarefas e anlises efetuadas de fundamental

importncia para se garantir que as tarefas, freqncias e procedimentos sejam registrados,

possibilitando a verificao das tendncias histricas e as comparaes entre perodos distintos de

operao.

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7.3.6 Exemplo de dimensionamento

Dimensionar um tanque de mistura com agitador mecnico para aplicao e difuso de soluo de cloro e

estimar o volume do tanque de contato e a concentrao de cloro residual a ser mantida no tanque, para se

alcanar uma concentrao de coliformes fecais igual ou inferior a 1.000 NMP/100 mL no efluente final,

considerando os seguintes dados de entrada:

a) Dados de entrada

Populao: 10.000 habitantes

Vazo afluente mdia: Qmed= 1.478 m3/dia = 17,1 L/s

Vazo afluente mxima diria: Qmax-d= 1.670 m3/dia = 19,3 L/s

Vazo afluente mxima horria: Qmax-h= 2.246 m3/dia = 26,0 L/s

Concentrao de coliformes fecais no afluente: Na= 1 x107 NMP/100 mL (valor mdio anual)

Concentrao de coliformes fecais no efluente desinfetado: Ne 1000 NMP/100 mL

Tempo de residncia no tanque de contato, para a vazo mdia:h= 30 minutos

Viscosidade do lquido (esgoto): = 0,001 kg/m.s

b) Dimensionamento do tanque de mistura rpida

Adoo do tempo de residncia no tanque de contato (h)

Adotado o valor deh= 5 s (valores usuais entre 5 e 10 s)

Adoo do gradiente de mistura no tanque de contato (G)

Adotado o valor de G = 1.500 s-1 (valores usuais entre 1.500 e 3.000 s-1)

Clculo do volume do tanque de contato, de acordo com a Equao 7.23:

V = Qmdx h= 0,017 m3/s x 5 s = 0,085 m

3

Clculo da potncia do misturador, de acordo com a Equao 7.22:

P = 0,001 kg/m.s x 0,085 m3 x (1.500 s-1)2 = 191,3 kgf.m/s (ou 1,9 kW)

c) Dimensionamento do tanque de contato

Determinar o volume do tanque de contato, a partir da Equao 7.23:

V = Qmedx h= 17,1 L/s x (30 min x 60 s/min)

V = 30.780 L (30,8 m3)

Determinar a concentrao de cloro residual, a partir da Equao 7.24:

Nt/No= (1 + 0,23 x C tx h)-3

Ct= [(No/Nt)1/3 1] / (0,23 xh) = {[(1 x 10

7)/(1 x 103)]1/3 1} / (0,23 x 30)

Ct= 3,0 mg/L

Determinar a concentrao de cloro residual para as condies de vazo mxima

Para Qmax-h, o tempo de contato ser reduzido para:

h-min.= V / Qmax-h= (30.780 L) / (26 L/s) = 1.184 s (19,7 min.)

Tem-se, ento, para o tempo de contato mnimo, a seguinte concentrao de cloro residual:

Ct= [(No/Nt)1/3

1] / (0,23 xh) = {[(1 x 107)/(1 x 10

3)]

1/3 1} / (0,23 x 19,7)

Ct= 4,5 mg/L

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7.4 DESINFECO COM RADIAO ULTRAVIOLETA

7.4.1 Introduo

Os primeiros registros relatando o uso de radiao ultravioleta para a desinfeco de gua remontam

a 1877, quando os ingleses DOWNES e BLUNT provaram que era possvel inativar microrganismos

expondo-os radiao ultravioleta (KOLLER, 1952). Para a desinfeco de esgoto, acreditava-se

que no seria possvel usar a radiao ultravioleta devido presena de matria orgnica dissolvida e

materiais slidos em suspenso. Entretanto, por volta de 1975, provou-se que era tecnicamente

possvel desinfetar efluente secundrio de esgoto sanitrio (OLIVER & COSGROVE, 1975). Pouco

depois, em 1977, iniciaram no Brasil as pesquisas de desinfeco, comprovando a viabilidade da

radiao ultravioleta para desinfeco de esgoto (CAMPOS & PIZZIRANI, 1977).

A desinfeco com radiao ultravioleta um mecanismo fsico, no qual a energia ultravioleta

absorvida pelos diferentes componentes orgnico-moleculares essenciais ao funcionamento normaldas clulas (HUFF et al, 1965). A ao germicida da radiao UV est associada s alteraes

estruturais que esta provoca no DNA das clulas, conseqncia de reaes fotoqumicas

desencadeadas pela absoro da radiao pelas molculas que constituem o DNA. Ao ocorrer o

processo natural de diviso celular com a duplicao do DNA, a estrutura formada pela absoro de

radiao ultravioleta no reconhecida, o que interrompe o processo de duplicao. Assim, a clula

pode manter temporariamente as atividades metablicas, mas no consegue se reproduzir. Por isso

diz-se que ocorre a inativao e no a morte do microrganismo.

A absoro de radiao UV pelas clulas mxima na faixa de 255 a 260 nm. As lmpadas de baixa

presso de vapor de mercrio, as quais emitem aproximadamente 85% de sua energia no

comprimento de onda de 253,7 nm, so a fonte de radiao UV mais eficiente e efetiva para os

sistemas de desinfeco.

Diferente dos mtodos de desinfeco que utilizam produtos qumicos como, por exemplo, cloro, a

radiao ultravioleta no adiciona produtos ao esgoto ou gua. Sendo assim, no h residual

desinfetante e a ao da radiao s efetiva enquanto a fonte estiver ligada ou o lquido estiver

passando pelo reator fotoqumico. Essa caracterstica constitui uma das principais vantagens no caso

da desinfeco de esgotos, pois reduz-se a potencialidade de formao de subprodutos. Entretanto,

representa limitao para desinfeco de gua, pois, em caso de contaminao na rede de

distribuio, no h como garantir a inativao dos microrganismos, como ocorre com a desinfeco

com cloro, que mantm residual desinfetante. Todavia, para a particularidade do esgoto sanitrio vantajosa, pois no h necessidade de remoo de residual que estaria causando impacto negativo

biota do corpo dgua receptor.

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7.4.2 Aspectos relativos a projeto

7.4.2.1 Caractersticas dos esgotosExistem 4 parmetros principais que usualmente interferem no projeto e na eficcia de um sistema de

desinfeco por ultravioleta:

Vazo de esgoto:

Esse um parmetro fundamental no projeto de qualquer instalao de desinfeco, uma vez que

dele depender, diretamente, o tamanho da unidade. Torna-se importante conhecer no apenas as

vazes mdias afluentes unidade de desinfeco, mas tambm as condies de amortecimento

nas unidades de montante e, particularmente, as variaes de vazes ao longo do dia e ao longo

do ano. A unidade de desinfeco deve ser dimensionada para atender vazo mxima crtica;

Concentrao inicial de coliformes:

A eficcia de um sistema de desinfeco com UV est diretamente relacionada concentraoinicial de coliformes. Embora concentraes tpicas de coliformes possam ser conseguidas com o

auxlio das Tabelas 7.3 a 7.5, recomendvel que uma campanha de monitoramento seja

realizada antes de se iniciar o projeto, uma vez que as concentraes de coliformes podem

variam muito de local para local;

Slidos suspensos:

A radiao ultravioleta s efetiva no processo de desinfeco quando esta atinge diretamente

os microrganismos. Dessa forma, o esgoto a ser desinfetado deve se apresentar com baixas

concentraes de slidos suspensos, para que esses no atuem na absoro da energia

ultravioleta e na proteo dos microrganismos contra a radiao UV;

Absorvncia de radiao UV:

Esse parmetro pode ser entendido como a demanda de radiao UV pelo esgoto, exercida

por compostos orgnicos e inorgnicos especficos. A absorvncia do esgoto afeta a intensidade

efetiva de radiao dentro do reator, podendo requerer solues especficas de projeto e de

espaamento das lmpadas.

7.4.2.2 Extino de radiao UV

A inativao dos microrganismos no sofre interferncia de caractersticas fisico-qumicas, tais como

pH, temperatura, alcalinidade e carbono inorgnico total. Todavia, de se esperar que as substncias

dissolvidas na gua e os slidos em suspenso interfiram na eficincia de desinfeco, por absorveremenergia ou interceptarem os raios de ultravioleta. Ocorre, portanto, a reduo de eficincia por

extino (absoro) da radiao e por proteo fsica dos microrganismos. Essa extino de radiao

ultravioleta segue a lei de Beer-Lambert, ou seja:

( )axIIo

= exp (7.25)

na qual:

I: intensidade de radiao ultravioleta na profundidade x (mW/cm2)

Io: intensidade de radiao ultravioleta na superfcie (mW/cm2)

a: coeficiente de extino (cm-1)

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O coeficiente de extino calculado a partir da absorvncia ou da transmitncia. Normalmente, a

absorvncia medida em espectrofotmetro UV/Visvel em cubeta de 1 cm de trajetria. Para essa

situao, o coeficiente de extino pode ser relacionado com a absorvncia atravs da seguinte

expresso:

Aa 303,2= (7.26)

na qual:

a: coeficiente de extino (cm-1

)

A: absorvncia (unidade de absorvncia/cm)

7.4.2.3 Intensidade de radiao e tempo de exposio

A eficcia da desinfeco com radiao UV encontra-se diretamente relacionada dose (quantidade

de energia) absorvida pelos microrganismos. A dose o produto da taxa de liberao de energia pela

lmpada (intensidade) pelo tempo de exposio a essa intensidade. As doses requeridas, usualmentereportadas em W.s/cm

2, so bastante variveis, uma vez que dependem das caractersticas do esgoto

e dos objetivos da desinfeco.

Ao se considerar a cintica de desinfeco, por exemplo, a lei de CHICK (ver item 7.2.2), observa-se

que a intensidade de radiao ultravioleta no constante, pois ocorre absoro ao atravessar a

lmina lquida. Para considerar esse efeito utiliza-se a intensidade mdia (MOROWITZ, 1950) e a lei

de CHICK passa ser expressa como:

( )[ ]

= aLaL

IktNN oo exp1exp (7.27)

na qual:

N: concentrao final (remanescente) de microrganismos (NMP/100 ml)

No: concentrao inicial de microrganismos (NMP/100 ml)

k: constante de inativao (cm2/mWs)

t: tempo de exposio (s)

Io: intensidade de radiao ultravioleta na superfcie (mW/cm2)

a: coeficiente de extino (cm-1)

L: espessura da lmina lquida ou trajetria percorrida pela radiao ultravioleta (cm)

A frao sobrevivente proporcional ao produto da intensidade pelo tempo de exposio.Teoricamente, se esse produto (dose) for mantido constante, a eficincia ser mantida inalterada, ou

seja, quanto maior a intensidade menor o tempo de exposio ou quanto maior o tempo de exposio

menor a intensidade. Entretanto, conveniente utilizar tempos de contato menores e intensidades

maiores, pois assim as unidades de desinfeco so menores, resultado em otimizao de espao.

7.4.2.4 Doses e constantes de inativao

Deve-se fazer diferenciao entre a dose aplicada e a dose recebida. O que de interesse para a

desinfeco a dose recebida. A dose aplicada usada para estimativa de consumo de energia e

relaciona-se potncia nominal da lmpada, enquanto a dose recebida relaciona-se dose em

comprimento de onda especfico, por exemplo, 254 nm. A dose aplicada a energia total que atinge a

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superfcie da lmina lquida (modelo com refletores) ou o volume total do lquido, conforme aequao a seguir.

tIDa

0

= (7.28)

na qual:Da: dose aplicada (mWs/cm

2)Io: intensidade de radiao ultravioleta na superfcie (mW/cm

2)t: tempo de exposio (s)

A dose aplicada por volume calculada por:

2778,0L

tID

o

av = (7.29)

na qual:Dav: dose aplicada por volume (W.h/m3)Io: intensidade de radiao ultravioleta na superfcie do lquido (mW/cm2)t: tempo de exposio (s)L: espessura da lmina lquida ou trajetria percorrida pela radiao ultravioleta (cm)0,2778: fator de converso de mW para W, s para h e cm para m

A dose recebida a energia total que efetivamente est disponvel para a inativao dosmicrorganismos.

2778,0L

tID

m

R = (7.30)

na qual:Dr: dose recebida por volume (W.h/m

3)Im: intensidade mdia de radiao ultravioleta (mW/cm

2)

Na Tabela 7.13 esto apresentadas as doses para inativao de 90% da concentrao inicial demicrorganismos e a constante de inativao. interessante observar as diferentes resistncias dosmicrorganismos.

Os dados disponibilizados na Tabela 7.13 podem ser usados para dimensionamento de reatores dedesinfeco. importante observar que a dose refere-se dose mdia recebida, pois deve-seconsiderar a absoro de radiao ultravioleta pelo lquido, isto , quanto maior a espessura dalmina lquida percorrida, maior a absoro.

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Tabela 7.13 Doses inativantes e constantes de inativao de algunsmicrorganismos irradiados com ultravioleta

Grupo Microrganismo

Dose necessria

para inativar 90%

(mWs/cm2)

Constante de inativao

cintica de primeira ordem

(cm2/mWs)Aeromonas hydrophila 1,54 1,50

Bacillus anthracis 4,5 0,51

Bacillus anthracis (esporos) 54,5 0,0422

Bacillus subtilius (esporos) 12 0,19

Clostridium tetani 12 0,19

Corynebacterium diphiteiriae 3,4 0,68

Escherichia coli 3,2 0,72

Klebsiella terrigena 2,61 0,882

Bactria Legionella pneumophila 2,49 0,925

Legionella pneumophila 1 2,3

Mycobacterium tuberculosis 6 0,38Pseudomonas aeruginosa 5,5 0,42

Salmonella parathyphi 3,2 0,72

Salmonella typhi 2,5 0,92

Salmonella typhimurium 8 0,29

Shigella dysentariae 2,2 1,05

Staphylococcus aureus 5 0,46

Streptococcus faecalis 4,4 0,52

Vibrio cholerae 3,4 0,68

Colifago 3,6 0,64

Colifago MS-2 18,6 0,0124

Bacterifago F-especfico 6,9 0,33

Hepatite A 7,3 0,32Vrus da gripe 3,6 0,64

Vrus Poliovrus 7,5 0,31

Poliovrus 1 5 0,5

Poliovrus tipo 1 7,7 0,30

Rotavrus 11,3 0,204

Rotavrus SA-11 9,86 0,234

Rotavrus SA-11 8 0,3

Protozorio Giardia muris 82 0,028

Acanthamoeba castellanii 35 0,066

Fonte: Adaptados de CAMPOS, J. R. PIZZIRANI, J. A. (1977); DANIEL, L. A. (1993);

HARM, W. (1980) & WEF (1996).Notas:

1. Os autores acima reportam, eventualmente, diferentes doses e constantes de inativao para

um mesmo microrganismo. Nesse sentido, os valores apresentados nessa Tabela referem-se,

apenas, s doses e constantes de inativao mais elevados.

2. Listagens mais completas de microrganismos, doses e constantes de inativao so

apresentadas em KOLLER (1958) e WEF (1996).

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7.4.2.5 Avaliao do tempo de exposio e da intensidade de radiao

Por ser onda eletromagntica, no h como medir a dose recebida, cessada a exposio radiao.Sendo assim, a dose recebida medida enquanto o esgoto ou a gua est recebendo a radiao. Adeterminao dessa dose feita medindo-se o tempo de exposioe a intensidade de radiao.

O tempo de exposio terico facilmente determinado conhecendo-se a vazo e o volume doreator, ou seja:

Q

Vt= (7.31)

na qual:t: tempo de exposio (s)

V: volume da unidade de desinfeco (m3)Q: vazo (m3/s)

O tempo real poder ser inferior ao tempo terico, devido formao de espaos mortos ou outrascausas que desviam o escoamento da condio ideal.

A intensidade de radiao pode ser determinada por radiometria ou por actinometria. A utilizao deradiometria exige que sejam feitas medies em diferentes pontos do reator fotoqumico, para seobter a intensidade mdia. O equipamento provido de sensor especfico para o comprimento deonda de interesse, normalmente 254 nm.

O mtodo actinomtrico utiliza-se de reaes fotoqumicas para avaliar a intensidade de radiao. Osprodutos qumicos utilizados so padronizados, conhecendo-se o rendimento quntico, ou seja, aquantidade de produto formado por quantidade de radiao absorvida (mol de produto/einstein 1). aplicvel a reatores pequenos, de preferncia em batelada ou sem escoamento, por motivosoperacionais e econmicos. O ferrioxalato de potssio o actinmetro de uso mais comum (HARRISet al, 1987).

H tambm a possibilidade de utilizao de modelos matemticos para estimar a intensidade deradiao, considerando a lmpada como um somatrio de fontes pontuais que emitem radiao emtodas as direes, ou seja, formam uma esfera no entorno da fonte.

possvel tambm usar bioensaios, em que se adiciona gua ou esgoto concentrao conhecida demicrorganismos desenvolvidos em cultura pura, com resposta conhecida exposio radiaoultravioleta. Conhecendo-se o tempo de exposio e as concentraes de microrganismos viveisantes e depois da irradiao, possvel calcular qual a dose recebida.

7.4.2.6 Fotorreativao

O resultado final da exposio dos microrganismos radiao ultravioleta, isto , a inativao totalou parcial destes, reflete a relao mtua entre a formao de fotoprodutos letais e sua remoo por

1 1 einstein = 1 mol de ftons

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processos de recuperao que visam impedir a letalidade, preservando a espcie. Assim sendo, ao se

avaliar a eficincia da desinfeco realizada com radiao ultravioleta, deve-se considerar os

microrganismos que so capazes de se recuperarem aps a irradiao.

So dois os mecanismos de recuperao dos microrganismos irradiados com ultravioleta (JAGGER,

1958):

Reverso das alteraes produzidas pela radiao ultravioleta fotorreativao. A reverso

obtida por meio de recuperaes fotoenzimticas que monomerizam in situ os dmeros de

pirimidina pela ao de enzima na presena de radiao de comprimento de onda de 300 a 500

nm;

Substituio dos nucleotdios lesados pela radiao ultravioleta - recuperao no escuro. A

substituio pode ser feita por meio de remoo da parte lesada e de uma seqncia de

nucleotdeos adjacentes, com posterior ressntese da seqncia original de nucleotdeos. Esse

processo denomina-se recuperao por exciso-ressntese, e feito na ausncia de luz.

A recuperao ps-irradiao ser menor quanto maior for a dose recebida. Em doses elevadas, a

quantidade de dmeros maior que a capacidade de recuperao do microrganismo, no havendo

tempo para reverter todas as alteraes antes que inicie a duplicao da clula.

7.4.2.7 Tipos de lmpadas UV

H dois modelos de fontes artificiais de radiao ultravioleta: as lmpadas de baixa presso de vapor

de mercrio e as lmpadas de mdia presso de vapor de mercrio.

As lmpadas de baixa presso emitem de 80 a 90% da energia no comprimento de onda de 253,4 nm,

podendo ser consideradas monocromticas. Deve ser observado que a energia emitida no

comprimento de onda de 253,4 nm representa de 30 a 50% da potncia nominal da lmpada. Orestante da energia emitida em outros comprimentos de onda e dissipada na forma de calor. A

potncia nominal indicativo do consumo de energia, no da energia emitida. Existem no mercado

lmpadas de diferentes potncias, variando de 4 a 60 W.

As lmpadas de mdia presso de vapor de mercrio emitem em espectro mais amplo, variando de

180 a 1370 nm (USEPA, 1999). A potncia nominal varia de 0,7 a 5 kW. Com isso o tempo de

exposio e o nmero de lmpadas so muito menores do que os utilizados nas unidades que

empregam as lmpadas de baixa presso de vapor de mercrio.

7.4.2.8 Circuito eltrico

O circuito eltrico para acionamento das lmpadas de baixa presso de vapor de mercrio igual ao

usado em lmpadas fluorescentes, optando-se preferencialmente por reatores de partida rpida. Estes

reatores devero ficar em local de fcil acesso, ventilado e protegido de guas pluviais e do prprio

esgoto que est sendo desinfetado.

7.4.2.9 Tipos de fotoreatores

Basicamente, a desinfeco com ultravioleta conseguida atravs da exposio dos microrganismos

presentes nos esgotos radiao emitida por lmpadas de ultravioleta. Essa exposio dos esgotos

radiao UV feita em canais ou em dutos sob presso, denominados reatores fotoqumicos ou

fotoreatores. Os fotoreatores utilizados na desinfeco so basicamente de trs modelos:

lmpadas sobre o lquido, fixadas em refletores (ver Figura 7.13a;

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lmpadas imersas, protegidas por material transparente radiao ultravioleta (ver Figura 7.13b);

lmpadas externas a tubos transparentes, no interior dos quais escoa o lquido (esse modelo

pouco utilizado) (ver Figura 7.13c)

(a) (b)(c)

Figura 7.13 Diferentes modelos de fotoreatores

Para construo de refletores, utiliza-se, normalmente, o alumnio por ser um dos materiais que

melhor reflete a radiao ultravioleta.

O modelo que utiliza as lmpadas imersas necessita de proteo para manter a lmpada sem contato

com o lquido, mantendo assim a temperatura tima de funcionamento e facilitando a limpeza, pois amatria orgnica e inorgnica depositam na superfcie, o que exige limpeza peridica. O revestimento

da lmpada deve ser preferencialmente constitudo de tubo de quatzo que absorve, no mximo, 5%

de radiao ultravioleta. Como alternativa podem ser usados tubos de Teflon, porm com a

desvantagem de absorverem at 35% da radiao ultravioleta (USEPA, 1999). Essa perda de energia

comparvel perda que ocorre em refletores de alumnio polido, usados em sistema com lmpadas

emersas (DANIEL, 1993).

7.4.3 Experincias no mbito do PROSAB

As pesquisas de desinfeco de esgoto sanitrio utilizando radiao ultravioleta foram iniciadas naEscola de Engenharia de So Carlos em 1997. Os trabalhos realizados, desde ento, comprovaram a

viabilidade tcnica, econmica e ambiental da radiao ultravioleta. Ao contrrio do que se

imaginava, possvel desinfetar esgoto com slidos suspensos totais acima da concentrao mxima

que a literatura recomenda, chegando-se a obter at 5 unidades logartmicas de inativao de

coliformes fecais, para efluentes com DQO de at 250 mg/L, SST de at 70 mg/L, absorvncia (254

nm) de at 1,28 e dose recebida de pelo menos 12,5 Wh/m3.

Provou-se que a radiao ultravioleta eficaz para a desinfeco de efluentes de lagoas de

estabilizao, reatores anaerbios e sistemas de lodos ativados, desde que seja mantida a dose

recebida, o que significa maior consumo de energia para a desinfeco de efluentes de pior qualidade.

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Na figura 7.14 est apresentada uma unidade de laboratrio que utiliza lmpadas fixadas em refletor

de alumnio. Esta unidade, de fcil operao, possibilita a obteno de parmetros para projeto, que

podem ser usados para dimensionamento de outros modelos, por exemplo, o de lmpadas imersas e

revestidas com tubos de quartzo.

Figura 7.14 - Vista geral de unidade de laboratrio utilizada

para desinfeco com radiao ultravioleta.

Na UFMG, os experimentos com desinfeco vm sendo realizados com um Foto-reator UV

simplificado, operado com fluxo contnuo, implantado a jusante de um sistema de tratamento

anaerbio/aerbio d