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PS-TRATAMENTO DE EFLUENTES ANAERBIOS POR SISTEMAS DE DESINFECOCarlos Chernicharo, Luiz Antonio Daniel, Maurcio Sens e Bruno Coraucci Filho

7.1

INTRODUO

O 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 das guas 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 fsicoqumicas 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 microrganismos patognicos (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 transmissoIngesto de gua contaminada

DoenaDisenteria bacilar Clera Leptospirose Salmonelose Febre tifide Disenteria amebiana Giardase Hepatite infecciosa Gastroenterite Paralisia infantil (*) Ascaridase Tricurase Ancilostomase Escabiose Tracoma Esquistossomose

Agente causador da doenaBactria (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) Helminto (Ascaris lumbricoides) Helminto (Trichuris trichiura) Helminto (Ancilostoma duodenale) Sarna (Sarcoptes scabiei) Clamdea (Chlamydia tracomatis) Helminto (Schistosoma)

Ingesto de gua e alimentos contaminados Contato com gua contaminada

* erradicada no Brasil Fonte: Adaptado de BARROS et 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 indicadores de 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 de outros 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 indicadores so, 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 guas de consumo humano e de corpos dgua

Parmetro Coliformes totais Escherichia coli ou coliformes termotolerantes

Padro de potabilidade(a) Consultar padro Ausncia em 100 mL

Padro para corpo dgua(b) Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 1.000 5.000 2.000 200 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 e microrganismos indicadores em esgotos brutos

Microrganismo

Contribuio per capita Concentrao (org/hab.d) (org/100 ml) 9 12 Coliformes totais 10 a 10 106 a 109 8 11 Coliformes fecais 10 a 10 105 a 108 8 9 Estreptococos fecais 10 a 10 105 a 106 Cistos de protozorios < 106 < 103 6 Ovos de helmintos < 10 < 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 microrganismos indicadores em sistemas convencionais de tratamento de esgotos

Microrganismos Tratamento primrio (%) Coliformes totais < 10 Coliformes fecais 35 Shigella sp. 15 Salmonella sp. 15 Escherichia coli 15 Vrus < 10 Entamoeba histolytica 10 a 50 Ovos de helmintos 50 a 90 Fonte: Adaptado de USEPA (1986)

Tratamento secundrio (%) 90 a 99 90 a 99 91 a 99 96 a 99 90 a 99 76 a 99 10 70 a 99

Embora as eficincias de remoo de microrganismos patognicos e microrganismos indicadores paream 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 e slidos, 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 tratamento de esgotos, em termos de coliformes fecais e ovos de helmintosSistema Coliformes Fecais (CF/100ml) 1 x 106 Lagoa 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 batelada Lodos 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) 1 x 105 1 x 104 1 x 103 Ovos de helmintos 1 ovo/L

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, um elevado contingente populacional concentrado em reas relativamente pequenas, e que produz enormes quantidades de esgotos; baixssimo o percentual de localidades que apresentam alguma forma de tratamento de seus esgotos, caracterizando, portanto, uma situao de lanamento in natura de uma enorme parcela dos esgotos gerados pela populao; Nas poucas cidades que apresentam alguma forma de depurao dos esgotos, usualmente so utilizados processos convencionais de tratamento, que no so eficazes na remoo de organismos patognicos; Os esgotos no tratados, ou tratados em processos convencionais, podem contaminar fontes de gua para abastecimento pblico, uso recreacional, irrigao de culturas, dessedentao de animais, etc.

importante salientar, no entanto, que, apesar dos esgotos domsticos serem uma fonte incontestvel de contaminao por organismos patognicos, tambm os agentes utilizados nos processos 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 uma avaliao criteriosa, com base nas caractersticas especficas de cada situao. Ou seja, no existem diretrizes universais em relao aos requisitos da desinfeco de esgotos. A deciso sobre a necessidade 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 necessidade de implementao e requisitos de um sistema de desinfeco de esgotos, levando em considerao os riscos de sade pblica envolvidos e a possibilidade de se reduzir ou de se eliminar esses riscos. Uma vez identificado o nvel de risco envolvido, os aspectos ambientais passam a determinar a aplicabilidade da alternativa de controle. No item 7.7 deste Captulo so apresentadas importantes consideraes sobre os principais aspectos relacionados 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 esgotos Fonte: Adaptado de USEPA (1986)

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7.2

FUNDAMENTOS DA DESINFECO

7.2.1 Princpios de inativao de microrganismosA 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.C n t = cons tan te na qual: C: concentrao do desinfetante; n: constante t: tempo necessrio para se atingir um percentual constante de destruio. (7.1)

Intensidade e natureza do agente fsicoAlguns exemplos de agentes fsicos de desinfeco so o calor e a luz. Nesses casos, a eficincia da desinfeco depende da intensidade da radiao.

TemperaturaO 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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25 Nmero de vezes que o tempo de inativao reduzido

20

15

10

5

0 0 20 40 Incremento de temperatura (C) 60 80

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 dos microrganismos. 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.

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7.2.2 Aspectos cinticos da desinfecoA 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,dN = kN dt

(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:

N = exp( kt ) No

(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,

dN = k ' C n N dtna qual: k = k 'C n k: constante de decaimento (Ln/mgn. min) C: concentrao de desinfetante (mg/L) n: coeficiente (adimensional)

(7.4)

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:

N = exp k ' C n t No

(

)

(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 pordN = k " C n t m 1 N dt

(7.6)

Integrando para os limites (t = 0, N = No) e (t, N), considerando que a concentrao constante no tempo, fornece: ln N k "C n t m = No m (7.7)

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

ln

N = kC n t m No

(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 IntroduoO 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.% populao c/ esgotos clorados 8000 7000 6000 No. de ETEs 5000 4000 3000 2000 1000 0 1900 1910 1920 1930 Ano 1940 1950 1960 No. de ETEs No. ETEs com clorao 60 50 40 30 20 10 0 1910 1916 1940 Ano 1945 1948 1957

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 projetoA desinfeco um processo projetado para eliminar os organismos patognicos, sem no entanto produzir 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,

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em muitos casos, s propriedades fsicas do agente desinfetante e s reaes qumicas com outros constituintes 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 um lquido, com a conseqente liberao de calor e reduo de volume em cerca de 450 vezes. Essa a razo pela qual o transporte comercial de cloro usualmente feito em cilindros pressurizados, que possibilitam uma substancial reduo do volume. No entanto, quando se necessita fazer a aplicao do cloro na forma gasosa, muitas vezes torna-se necessrio suprir energia trmica para vaporizar o cloro lquido comprimido. Algumas das principais propriedades fsicas do cloro so apresentadas na Tabela 7.6.Tabela 7.6 Propriedades fsicas do cloro Cloro lquido Pequena -34,05 oC mbar claro

Propriedade Afinidade pela gua Ponto de ebulio (a 1 atm) Cor Corrosividade

Cloro gasoso Pequena Amarelo acizentado

Extremamente corrosivo ao Extremamente corrosivo ao ao, na presena de pequena ao na presena de pequena quantidade de umidade quantidade de umidade 1422 kg/m3 (a 16 oC) No explosivo No inflamvel Penetrante e irritante 1,468 0,385 centipoise (a 0 oC) 3,2 kg/m3 (a 1,1 oC e 1 atm) No explosivo No inflamvel Penetrante e irritante Abaixo de 9,6 oC 167,9 micropoise (a 100 oC)

Densidade Limites de exploso (no ar) Inflamabilidade Odor Solubilidade Gravidade especfica (em relao gua a 4 oC) Viscosidade

Fonte: Adaptado de USEPA (1986); WEF (1992) Nas aplicaes prticas de desinfeco de esgotos, tambm utilizado o cloro nas formas de hipoclorito de sdio e de hipoclorito de clcio. A quantidade relativa de cloro presente nessas fontes alternativas de cloro expressa em termos de cloro disponvel. Estequiometricamente, compostos puros 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, sendo relativamente estvel na forma seca (perda aproximada de concentrao igual a 0,013% por dia). J o hipoclorito de sdio encontrado na forma lquida (soluo), em concentraes que usualmente variam de 1 a 16%. No vivel comercializar o hipoclorito de sdio em concentraes mais elevadas, uma vez que a sua estabilidade qumica diminui rapidamente com o aumento da concentrao. Por exemplo, temperatura ambiente, a concentrao de uma soluo de hipoclorito de sdio a 18% reduz-se a metade em apenas 60 dias (USEPA, 1986).

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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 atua como 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 situaes onde 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+ + OClCa(OCl2) Ca2+ + 2OClDixido 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) NaClO3 + H2O2(g) + H2SO4 ClO2(g) + O2 + Na2SO4 + H2O 5NaClO2 + 4HCl 4ClO2 + 5NaCl + 2H2O (formao de ClO2 a partir de clorato) (7.13) (7.14) (7.11) (7.12)

(formao de ClO2 a partir do cido clordrico) (7.15)

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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 ClO2 apresenta 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 organoclorados. Quando a amnia (NH3) est presente na gua, ocorre a reao com o cloro para formar as cloraminas: NH3 + HOCl NH2Cl + H2O + H+ (Monocloramina) NH2Cl + HOCl NHCl2 + H2O NHCl2 + HOCl NCl3 + H2O (Dicloramina) (Tricloramina) (7.17) (7.18) (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 do breakpoint, quando guas contendo amnia so cloradas. Em guas contendo nitrognio orgnico e nitrognio amoniacal, o breakpoint ocorre 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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produzida em cada estgio titulada at o ponto final incolor. As tricloraminas so normalmente includas 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 cloro combinado. O somatrio das concentraes de cloro residual livre e cloro residual combinado indica a concentrao de cloro residual total. Para os residuais de cloro livre, um pH mais baixo, que favorece a formao de cido hipocloroso sobre a formao do on hipoclorito, mais eficaz para a desinfeco. Tambm conhecido que, para um 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 de monocloraminas, dicloraminas e tricloraminas formadas dependem do pH. A oxidao completa da amnia pelo cloro, levando formao de nitrognio gasoso, apresenta uma relao estequeomtrica de 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 que o acido hipocloroso (estimado em 200 vezes menor, USEPA, 1999), elas so mais estveis e duram mais que o cloro livre ou o dixido de cloro, o que faz as cloraminas interessantes para constituir o residual 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 poder desinfetante do que daria a soma das capacidades individuais, USEPA, 1999). Outro aspecto que estimula 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 sade pblica, 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 compostos nitrogenados, notadamente o nitrato (NO3-), com uma relao estequeomtrica de 4 moles de cloro consumido 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 Fe2+, Mn2+, H2S e matria orgnica, reagem com o cloro e este reduzido em sua maior parte ao ion cloreto (ponto A na Fig. 7.5). Aps satisfazer essa demanda inicial, o cloro continua a reagir com a amnia para formar as cloraminas (entre os pontos A e B da Figura 7.5). As monocloraminas formam em pH entre 7 e 9 e razo molar cloro/nitrognio amoniacal menor ou igual a 5. Entre pH 4,4 a 6 e razo molar cloro/nitrognio amoniacal de 5 a 7,6, h prevalncia de formao de dicloraminas e as tricloraminas prevalecem 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 parcela remanescente em nitrognio gasoso e nitrato. A continuidade da adio de cloro leva oxidao quase completa das cloraminas no ponto C (breakpoint), quando a relao molar cloro/amnia de cerca de 1,5. Adies subseqentes de cloro produzem residuais de cloro livre. A clorao

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referenciada como sendo ao breakpoint, devido caracterstica peculiar da curva de cloro residual, como ilustrado na Figura 7.5.

0,5 Cloro livre Cloraminas Cloro residual Predominncia de cloro residual livre

0,4 Cloro residual

B

0,2

0,1

A0 0,0 0,2 0,4 0,6 Cloro aplicado 0,8 1,0

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

7.3.3 Aspectos relativos a projeto7.3.3.1 Cintica de inativao microbiolgica Para se projetar um sistema de desinfeco de esgotos, torna-se necessrio conhecer a taxa de inativao 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

C (Breakpoint)

0,3

Predominncia de cloro residual combinado

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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 para a inativao microbiolgica com cloro livre Microrganismos pH Temperatura k o n ( C) (L .mg-n. min-1) 8,5 20 a 25 30,6 E. coli 9,8 20 a 25 5,91 10,7 20 a 25 1,30 Aerobacter aerogenes 7 20 a 25 1,39 x 104 Pseudomonas 8,5 20 a 25 312 Pyocyanea 9,8 20 a 25 2,13 10,7 20 a 25 0,74 Salmonella typhi 7,0 20 a 25 8,15 x 106 8,5 20 a 25 2,45 x 104 Shigella dysenteriae 7,0 20 a 25 9,07 x 107 Micrococcus pyogenes var. aureus 7,0 25 3,32 6 20 0,0290 7 20 0,0219 8 20 0,0209 9 20 0,0080 Bacillus metiens 9,35 20 0,0086 10 20 0,0058 12,86 20 0,0015 10 30 0,0032 10 35 0,0044 10 50 0,0075 6 10 12,78 Poliovirus tipo I (Mahoney) 6 20 30,12 6 30 75,12

n 1,46 1,34 0,79 3,78 2,74 1,26 0,71 4,07 1,78 4,92 1,10 1,24 1,18 1,12 0,99 1,04 0,48 0,58 0,87 1,00 1,26 0,818 0,615 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 7,0 8,5 9,5 6,5 7,0 7,8 8,5 9,5 10,5 6,5 7,0 7,8 8,5 9,5 10,5 6,5 7,0 7,8 8,5 9,5 10,5 7,0 8,5 9,5 6,5 7,0 7,8 8,5 9.5 6,5 7,0 7,8 8,5 9,5 Temperatura (oC) 35 35 35 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 2a6 2a6 2a6 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 20 a 25 k (Ln.mg-n. min-1) 0,084 0,0109 2,48 x 10-5 0,483 0,316 0,193 0,0854 0,049 0,0125 0,363 0,241 0,095 0,0715 0,0358 0,00809 0,821 0,55 0,341 0,151 0,064 0,0301 0,0902 0,0182 6,8 x 10-4 0,491 0,290 0,211 0,113 0,0417 0,44 0,301 0,174 0,102 0,0483 n 1,39 1,52 13,3 1,07 1,04 1,18 1,125 1,37 2,27 1,19 1,35 1,18 0,917 1,16 1,7 1,3 1,15 1,32 1,02 0,995 1,52 1,32 1,67 6,26 1,13 1,84 1,07 1,16 0,878 1,27 1,44 1,55 1,01 1,05

E. coli

Aerobacter aerogenes

Shigella dysenteriae

Salmonella typhi

Pseudomonas pyocyanus

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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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 tratadosAplicao Esgoto bruto (pr-clorao) Efluente primrio Efluente de tratamento fsico-qumico Efluente de filtros biolgicos percoladores Efluente de lodos ativados Efluente filtrado (aps tratamento em lodos ativados) Faixa de dosagem (mg/L) 6 a 25 5 a 20 2a6 3 a 15 2a8 1a5

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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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 torre de 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 torre 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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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 Figura 7.9 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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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.35 Perda do teor de cloro (%) 30 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tempo de estocagem (dias)

Figura 7.8 Perda do teor de cloro em uma soluo de hipoclorito de 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).

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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 taxa inicial 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 distribuio uniforme junto ao fluxo de esgotos. Na sua forma mais simples, o difusor pode ser constitudo de um tubo plstico perfurado (JORDO & PESSOA, 1995). Existem diversas opes de sistemas de mistura, utilizando-se dispositivos mecnicos, canais ou condutos com escoamento em regime turbulento, podendo-se destacar os seguintes (USEPA, 1996): Difusor em tubulao: colocado no interior de uma tubulao, onde o efluente escoa a seo plena e em regime turbulento (ver Figura 7.10a). Estrutura hidrulica submersa: na qual se induz uma zona turbulenta no ponto de aplicao da soluo 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 variando entre 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 fecais no 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 da Equao 7.22. P = V G 2 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 dissoluo possvel da soluo gasosa com o efluente a ser desinfetado. De outra forma, parte do cloro gasoso pode ser perdido da soluo, o que pode comprometer a eficincia da desinfeco e aumentar os custos operacionais da instalao. (7.22)

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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 Tanque de contato

Figura 7.10d Esquema de um tanque de mistura com agitador mecnico

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. V = Qmd h na qual: V: volume do tanque de contato (m3) Qmd: vazo mdia afluente ao tanque de contato (m3/min) h: tempo de contato (min) (7.23)

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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) Controle do processo

Figura 7.12 Tanque de contato com regime de escoamento de fluxo pisto (ETE Caadores Camb/PR)

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 ao fluxo 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).

Nt 3 = (1 + 0,23 C t h ) No 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)

(7.24)

7.3.4 Aspectos negativos da clorao e necessidade de descloraoEm muitas estaes de tratamento, a desclorao do efluente se torna necessria, j que os teores de cloro 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 de enxofre 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 mgSO2/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 descloraoAplicao Dosagem para vazo mdia para vazo mxima Tempo de contato para mistura rpida para vazo mxima Taxa de retirada de gs de recipientes de 150 libras de recipidentes de 2.000 libras unidade Faixa mgSO2/L por mg/L de cloro residual segundo 45 30 370 Valores Tpicos 1,3 4,0

1,0 a 1,6 2,0 a 5,0

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

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7.3.5 Aspectos relativos operao e manutenoOs compostos halogenados utilizados na desinfeco apresentam certas propriedades que devem ser consideradas 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 que detalham 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 sade ocupacional esto relacionadas possibilidade de vazamentos de cloro, a partir dos cilindros, vlvulas ou tubulaes. A concentrao limite que o operador pode ficar exposto ao cloro de 1 ppm, em volume, tomada como mdia ponderada de um perodo de 8 horas. Outras concentraes de interesse para 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) 3,5 4,0 15,1 30,2 40 a 60 Resposta Percepo mnima de odor Efeito adverso sem gravidade Irritao da garganta Tosse 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). Dessa forma, a unidade de desinfeco deve dispor de algum dispositivo, qumico ou eletrnico, para o monitoramento 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 um mdico. Tabela 7.12 Procedimentos de emergncia a serem tomado, decorrentes de contato com o cloroTipo de contato Procedimento

Geral

Retirar a pessoa do local e lev-la para uma rea no contaminada. Remover a roupa contaminada e lavar, com gua, todas as partes do corpo expostas ao cloro Se a respirao estiver interrompida, proceder a respirao artificial. Quando a respirao for retomada, ou se a respirao no tiver sido interrompida, administrar oxignio. Mantenha a pessoa aquecida e em repouso.Os olhos devem ser lavados com gua durante 15 minutos, segurando as plpebras abertas para garantir a completa irrigao dos mesmos. Lavar as partes que foram expostas ao cloro com gua e sabo. recomendvel que a instalao disponha de uma ducha de emergncia.

Inalao

Contato com os olhos Contato Com a pele

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 dimensionamentoDimensionar 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 de h = 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 = Qmd x h = 0,017 m3/s x 5 s = 0,085 m3 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 = Qmed x 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 Ct x h)-3 Ct = [(No/Nt)1/3 1] / (0,23 x h) = {[(1 x 107)/(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 x h) = {[(1 x 107)/(1 x 103)]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 IntroduoOs 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 normal das 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 projeto7.4.2.1 Caractersticas dos esgotos Existem 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 concentrao inicial 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 absorverem energia 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: I = I o exp( ax) 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) (7.25)

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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:

a = 2,303 A na qual: a: coeficiente de extino (cm-1) A: absorvncia (unidade de absorvncia/cm)

(7.26)

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, usualmente reportadas em W.s/cm2, 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:N = N o exp kt Io [1 exp( aL)] aL

(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 a equao a seguir. Da = I 0 t na qual: Da: dose aplicada (mWs/cm2) Io: intensidade de radiao ultravioleta na superfcie (mW/cm2) t: tempo de exposio (s) A dose aplicada por volume calculada por: (7.28)

Dav =

I ot 0,2778 L

(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 dos microrganismos.DR = I mt 0,2778 L (7.30)

na qual: Dr: dose recebida por volume (W.h/m3) Im: intensidade mdia de radiao ultravioleta (mW/cm2) Na Tabela 7.13 esto apresentadas as doses para inativao de 90% da concentrao inicial de microrganismos e a constante de inativao. interessante observar as diferentes resistncias dos microrganismos. Os dados disponibilizados na Tabela 7.13 podem ser usados para dimensionamento de reatores de desinfeco. importante observar que a dose refere-se dose mdia recebida, pois deve-se considerar a absoro de radiao ultravioleta pelo lquido, isto , quanto maior a espessura da lmina lquida percorrida, maior a absoro.

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Tabela 7.13 Doses inativantes e constantes de inativao de alguns microrganismos irradiados com ultravioleta Constante de inativao Dose necessria Grupo Microrganismo para inativar 90% cintica de primeira ordem (cm2/mWs) (mWs/cm2) 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 0,38 Pseudomonas 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 0,32 Vrus 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. A determinao dessa dose feita medindo-se o tempo de exposio e a intensidade de radiao. O tempo de exposio terico facilmente determinado conhecendo-se a vazo e o volume do reator, ou seja:

t=

V Q

(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 outras causas que desviam o escoamento da condio ideal. A intensidade de radiao pode ser determinada por radiometria ou por actinometria. A utilizao de radiometria exige que sejam feitas medies em diferentes pontos do reator fotoqumico, para se obter a intensidade mdia. O equipamento provido de sensor especfico para o comprimento de onda de interesse, normalmente 254 nm. O mtodo actinomtrico utiliza-se de reaes fotoqumicas para avaliar a intensidade de radiao. Os produtos qumicos utilizados so padronizados, conhecendo-se o rendimento quntico, ou seja, a quantidade de produto formado por quantidade de radiao absorvida (mol de produto/einstein1). aplicvel a reatores pequenos, de preferncia em batelada ou sem escoamento, por motivos operacionais e econmicos. O ferrioxalato de potssio o actinmetro de uso mais comum (HARRIS et al, 1987). H tambm a possibilidade de utilizao de modelos matemticos para estimar a intensidade de radiao, considerando a lmpada como um somatrio de fontes pontuais que emitem radiao em todas as direes, ou seja, formam uma esfera no entorno da fonte. possvel tambm usar bioensaios, em que se adiciona gua ou esgoto concentrao conhecida de microrganismos desenvolvidos em cultura pura, com resposta conhecida exposio radiao ultravioleta. Conhecendo-se o tempo de exposio e as concentraes de microrganismos viveis antes 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 total ou parcial destes, reflete a relao mtua entre a formao de fotoprodutos letais e sua remoo por1

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. O restante 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) Figura 7.13 Diferentes modelos de fotoreatores

(c)

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 a matria 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 PROSABAs pesquisas de desinfeco de esgoto sanitrio utilizando radiao ultravioleta foram iniciadas na Escola 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 de esgotos, composto de reator UASB e Filtro Biolgico Percolador (FBP). O Foto-reator consiste de uma unidade tubular, construda com tubo PVC tipo esgoto, de dimetro nominal 100 mm, com 45 cm de altura total. No eixo da tubulao foi adaptada uma lmpada de vapor de mercrio de baixa presso, potncia nominal de 15 W. O esgoto proveniente do sistema UASB/FBP entrava na cmara de desinfeco pela parte inferior do tubo e saa pela parte superior (ver Figura 7.15). Foram realizadas diversas baterias de testes, configurando vrias condies operacionais em relao s variveis tempo de exposio e intensidade de radiao UV. Foram obtidos excelentes resultados de inativao de Escherichia coli e de ovos de Ascaris lumbricoides, para tempos de exposio acima de 20 segundos, correspodendo a doses de radiao da ordem de 6,7 mW.s/cm2. Para tempos de exposio da ordem de 40 segundos (doses de 14 mW.s/cm2), foram obtidas eficincias mdias de remoo de E. coli da ordem 5 e 4 unidades logartmicas, para os efluentes do FBP e do reator UASB, respectivamente. Em relao inativao de ovos de A. lumbricoides, inoculados no efluente do FBP, foram obtidas eficincias mdias da ordem de 90%, para tempos de exposio de 40 e 60 segundos (doses de 14 e 20 mW.s/cm2).

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Efluente

Afluente

Figura 7.15 - Vista geral do Foto-reator simplificado utilizado para desinfeco com radiao ultravioleta.

7.4.4 Aspectos relativos operao e manutenoA operao dos reatores de desinfeco simples, consistindo, basicamente, na limpeza das instalaes e verificao do funcionamento das lmpadas, substituindo as que estivem queimadas. Os equipamentos comerciais disponveis no mercado possuem sistema de limpeza manual ou mecanizada. Independente do modo de acionamento, esse equipamento retira as impurezas depositadas, raspando-as com anel de material flexvel que se ajusta perfeitamente superfcie do tubo externo que reveste a lmpada. Essa limpeza mecnica no eficiente para remover os produtos inorgnicos que precipitam, sobretudo carbonato de clcio. Para remover esse material, utilizam-se produtos qumicos solventes que so injetados quando o anel de limpeza desloca-se sobre o tubo de proteo, no sendo necessrio interromper o funcionamento da unidade de desinfeco. Nos modelos com limpeza manual, o raspador acionado manualmente com a unidade em funcionamento. Para a limpeza do material precipitado necessrio remover as lmpadas e fazer a limpeza manualmente. A substituio peridica feita, em mdia, uma vez por ano. conveniente salientar que normalmente as lmpadas no queimam, simplesmente ocorre o desgaste dos eletrodos, reduzindo a emisso de radiao, atingindo potncia radiante no mais suficiente para manter a eficincia de desinfeco nos nveis desejados. As lmpadas apresentam, em mdia, vida til de 7.500 a 10.000 horas, o que representa funcionamento contnuo por um ano ou mais. A energia emitida pela lmpada reduz-se ao longo do tempo, sendo que, em mdia, aps 100 horas de funcionamento, a lmpada emite aproximadamente 70% da energia irradiada nas primeiras horas de uso (USEPA, 1999). Essa reduo de energia dever ser considerada no dimensionamento das unidades de desinfeco. Durante a operao importante ficar atento e nunca se expor direta ou indiretamente radiao ultravioleta, pois esta cancergena e causa catarata, mesmo em exposio de apenas alguns segundos. Portanto, antes de se realizar qualquer operao que exija a abertura do reator ou a retirada das lmpadas, o circuito eltrico deve ser necessariamente desligado.

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7.4.5 Exemplos de dimensionamentoEstimar as doses de radiao ultravioleta necessrias para se alcanar diferentes nveis de inativao de Escherichia coli. Dimensionar uma unidade para desinfeco de efluente de esgoto sanitrio secundrio, empregando radiao ultravioleta, com base nas informaes apresentadas a seguir. Usar modelo com lmpadas imersas. a) Dados de entrada Populao: 10.000 habitantes Vazo afluente mdia: Qmed = 1.478 m3/dia (61,6 m3/h) Vazo afluente mxima diria: Qmax-d = 1.670 m3/dia (69,6 m3/h) Vazo afluente mxima horria: Qmax-h = 2.246 m3/dia (93,6 m3/h) Concentrao mxima coliformes fecais no afluente: No = 5x105 NMP/100 mL (valor mdio anual) Concentrao desejada de coliformes fecais no efluente desinfetado: N 1000 NMP/100 mL Absorvncia do esgoto a 254 nm, trajetria de 1 cm: 0,30 (valor mximo) Lmpadas: 30 W potncia nominal, 9 W a 254 nm no incio de funcionamento e perda de 30% na emisso de energia aps 100 horas de uso. Eficincia do refletor de alumnio: 70% Transmitncia do quartzo: 98% Frao sobrevivente: log

N 0 = 2,665DR ,1694 (DR: dose recebida; equao obtida a partir dos dados No

de DANIEL, 1993). Equao vlida para absorvncia inferior a 0,765 e concentrao de slidos suspensos totais menor que 11,7 mg/L b) Dimensionamento de instalao para desinfeco com radiao ultravioleta Para atender s exigncias de concentrao de coliformes fecais menor que 1.000 NMP/100mL, a frao sobrevivente dever ser:

N N 1000 N 0,002 log 2,70 5 No No N o 5 x10Para essa frao sobrevivente, a dose recebida ser:

N 2,7 0 log = 2,665DR ,1694 DR = No 2,665

1 0,1694

DR = 1,1 Wh/m3 (a 254 nm)

Considerando dose mdia recebida de 1,1 Wh/m3 (em comprimento de onda de 254 nm), para se obter a eficincia desejada calcula-se a dose aplicada:

Dav =

P254 t (Wh/m3)

P254: potncia da lmpada a 254 nm(W) t: tempo de exposio (h) : volume desinfetado (m3) Clculo do nmero de lmpadas O volume desinfetado por cada lmpada pode ser considerado como sendo o produto da rea de influncia de cada lmpada (quadrado com lado E, em que E o espaamento entre lmpadas) pelo comprimento da lmpada. Conhecendo-se este volume, calcula-se o espao entre as lmpadas. Para clculo deste volume, considerou-se que a lmpada tem 0,90 m de comprimento e desconsiderou-se o volume ocupado pelo tubo que

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reveste a lmpada (tubo externo para proteo da lmpada).

Dav =

D R aL P t P t = 254 = 254 1 exp( aL ) e 2C

C: comprimento da lmpada (m) L=e/2: trajetria percorrida pela radiao ultravioleta (m) a: coeficiente de extino (m) Fixando o tempo de exposio em 15 s e considerando que a perda de energia no invlucro de quartzo de 2% e que a lmpada perde 30% da potncia radiante quando envelhece, ou seja, a potncia efetiva da lmpada de 6,17 W:

6,17 x

15 3600 = e 2 0,90

1,1x69,1x

e 2

e 1 exp 69,1 2

e = 9 cm

Volume relativo a cada lmpada: Vl = 0,09 2 x 0,90 = 0,00729 m3 Para manter o tempo de exposio de 15 s para vazo mxima horria de 93,6 m3/h, o volume total :

15 93,6 = 0,39 m3 3600 0,39 Nmero de lmpadas: n = = 54 lmpadas = Vl 0,00729 = tQ =

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7.5

DESINFECO COM OZNIO

7.5.1 IntroduoO oznio, gs alotrpico do oxignio, foi utilizado inicialmente para a desinfeco de gua de abastecimento, para remover cor, sabor e odor. Data de 1906, em Nice, Frana, uso do oznio, pela primeira vez, para desinfeco de gua. A finalidade do tratamento com oznio difere nos usos para desinfeco de gua e para desinfeco de esgoto. No primeiro caso, a inativao dos organismos patognicos obrigatoriamente total enquanto que, no segundo caso, permitida a inativao parcial dos patognicos, com concentrao residual de microrganismos ativos variando de acordo com o uso pretendido para esgoto tratado. O oznio age nos constituintes da membrana citoplasmtica, nos sistemas enzimticos e nos cidos nuclicos dos microrganismos. Nos vrus, o oznio ataca tanto as protenas da clula como os cidos nuclicos. O oznio , ao mesmo tempo, um agente desinfectante ativo, particularmente sobre os vrus, e um oxidante da matria orgnica. Sua aplicao em tratamento de esgotos , particularmente, melhor empregada nas estaes de depurao biolgica utilizando o oxignio puro, pelo fato de reutilizar, no reator biolgico, o gs oznio excedente da cmara de ozonizao (DEGRMONT, 1989). Todavia, no h impedimentos de se utilizar o oznio para desinfeco de efluentes de outros processos de tratamento. O oznio um gs produzido a partir de oxignio do ar ou de oxignio puro no local de utilizao. O gs oznio apresenta maior solubilidade na gua que o gs oxignio, sendo treze vezes mais solvel que este. A quantidade de oznio introduzida na gua limitada pela pequena concentrao de oznio na fase gasosa (de 15 20 g/Nm3 de ar) inerente aos meios de produo disponveis. Uma vez dissolvido na gua, o oznio molecular no estvel, pois a sua forte reatividade com numerosos compostos minerais e orgnicos, faz com que o oznio seja consumido, se desgaseifique (fraca proporo) ou se decomponha em entidades radicalares (radicais hidroxil OH), sob o efeito inicializador dos ons hidrxila (OH-) (reaes 1 e 2). Estas