VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

II-032 - EFEITO DO DECAIMENTO DA INTENSIDADE DE RADIAÇÃO DE LÂMPADAS UV NA DESINFECÇÃO DE ESGOTO TRATADO A NÍVEIS

SECUNDÁRIO E TERCIÁRIO Tercio Dal’ Col Sant’ Ana (1) Engenheiro Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (1998), Mestre em Engenharia Ambiental – UFES (2001), Engenheiro da Fluir Engenharia Ambiental. Fabrícia Fafá de Oliveira Engenheira Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (1988). Mestre em Engenharia Ambiental – UFES (1996), Pesquisadora bolsista DTI/CNPq/RHAE – UFES – DHS (Programa de Saneamento Básico/PROSAB). Ricardo Franci Gonçalves Engenheiro Civil e Sanitarista – UERJ (1984), Pós-graduado em Enga de Saúde Pública - ENSP/RJ (1985), DEA - Ciências do Meio Ambiente - Univ. Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Água – INSA de Toulouse, França (1993), Prof. Adjunto do DHS e do PMEA - UFES. Endereço (1): Departamento de Hidráulica e Saneamento - Universidade Federal do Espírito Santo - Agência FCAA - Vitória - ES - CEP: 29060-970 - Brasil - Tel: (0xx27) 3335-2860 - Fax: (0xx27) 3335-2165 e-mail: fafaoli@terra.com.br RESUMO O trabalho em questão aborda a desinfecção dos efluentes produzidos em uma ETE do tipo UASB + Biofiltro Aerado Submerso (BFs) + Filtro Terciário (FT), objetivando a produção de efluentes compatíveis com a reutilização para fins produtivos e com a manutenção de balneabilidade de águas costeiras. Um dos principais fatores intervenientes na eficiência de desinfecção UV, intensidade de radiação UV foi avaliada por medição direta em reatores do tipo colimador, três tipos de lâmpadas foram testadas quanto à potência de emissão de radiação UV e decaimento com o tempo, através da comparação de leitura e valores obtidos em modelagem matemática. Em duas das marcas testadas os resultados foram compatíveis com as especificações do fabricante, entretanto uma marca não foi confiável quanto à durabilidade e emissão de radiação UV. PALAVRAS-CHAVE: Intensidade de Radiação UV, desinfecção UV, decaimento de intensidade, modelo matemático. INTRODUÇÃO Os sistemas de desinfecção UV dependem de três fatores críticos: propriedades hidráulicas do reator, a características do esgoto, e intensidade de radiação UV (USEPA, 1999). As propriedades hidráulicas podem ser bem controladas através da adoção de parâmetros de projeto como relação comprimento/largura, velocidades de escoamento e dispositivos de entrada e saída. A adoção de processos biológicos confiáveis quanto à produção de efluentes com teores de SS e turbidez muito baixos garante o bom desempenho da ação do UV na desinfecção.

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

A dose de radiação ultravioleta, que é dada pelo produto da intensidade de radiação e do tempo de exposição, é o parâmetro principal para o projeto e operação de sistemas UV. Os fatores que afetam a intensidade são a idade das lâmpadas, sujeiras nas lâmpadas, e configuração e localização das lâmpadas no reator. Diante do exposto, o objetivo deste trabalho é propor coeficientes para projeto e operação de sistemas UV que visam a correção da intensidade UV mediante aos efeitos de idade das lâmpadas e transmitância do meio líquido. Em sistemas de desinfecção UV a energia disponível na faixa germicida (250 a 270 nm) é um fator crítico para avaliação do desempenho do mesmo. A lâmpada de baixa pressão de vapor de mercúrio é normalmente a fonte de geração de luz UV mais barata e simples disponível no mercado. Estas são construídas com invólucro de tubo de quartzo e um eletrodo em cada extremidade. O tubo é preenchido com vapor de mercúrio a baixa pressão e um gás inerte, geralmente argônio. O mercúrio é excitado pela corrente elétrica e emite luz ultravioleta no comprimento de onda de 253,4 nm. A intensidade de emissão de radiação ultravioleta é afetada pela temperatura da lâmpada, por flutuações de voltagem e pela idade da lâmpada. Os principais fatores que contribuem para redução da eficiência de emissão de radiação incluem falhas nos eletrodos, deposição de mercúrio nas paredes (escurecimento) e solarização do invólucro (USEPA, 1984). MATERIAIS Para avaliação preliminar foi utilizado um reator em batelada do tipo eixo colimador (Figura 1), o qual normalmente é utilizado para a realização de testes controlados em bancada de laboratório para avaliação e determinação dos coeficientes cinéticos de decaimento dos organismos de interesse da pesquisa expostos a doses variadas de radiação UV.

Figura 1 – Reator UV batelada com eixo colimador

A lâmpada de baixa pressão de vapor de mercúrio (germicida – UV254nm) foi instalada no interior de uma caixa retangular de alumínio, onde perpendicularmente é instalado um tubo de aproximadamente 60 cm é fixado na lateral da caixa. Este tipo de reator tem a função de fornecer somente radiação UV perpendicular ao plano de saída do eixo colimador, isto se deve a limitações da leitura pelo aparelho medidor. O plano experimental contemplou a construção de nove colimadores para acompanhamento simultâneo e em triplicata do envelhecimento de três marcas comerciais de lâmpadas germicidas. As marcas utilizadas e as especificações fornecidas pelos fabricantes são mostradas na tabela 1.

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

Tabela 1: Lâmpadas Ultravioleta de baixa pressão utilizadas nos testes e principais especificações.

Marca Modelo PotênciaTotal

W

Potência UV (254 nm)

W

Referência:

Hua Ning ZG 30 30,0 8,3 H Philips G30T8 30,0 8,3 P

White Dove (s. i.) 30,0 (s. i.) W (s. i.): sem informação.

METODOLOGIA A lâmpada foi mantida em funcionamento enquanto foi acompanhada a intensidade na saída do eixo colimador com um medidor de luz ultravioleta digital - Radiômetro (MOD. UVC 254 - COD. 2056 - Marca Lutron /Instrutherm). As leituras foram comparadas ao valor esperado obtido a partir de potência UV emitida pela lâmpada aplicando-se o modelo matemático desenvolvido por Blatchey III (1997) a partir do modelo Point Source Summation (PSS) (USEPA, 1984). No modelo PSS a lâmpada é simulada como uma série de pontos de radiação colineares – fontes. A intensidade em qualquer ponto na zona irradiada é estimada somando-se as contribuições de intensidade de cada fonte pontual. O modelo denominado por LSI desenvolvido por Blatchley III implementou o modelo PSS com a utilização de calculo integral. Para um colimador a intensidade pode ser modelada pela equação abaixo descrita:

( )[ ]dxyxx

LP

yxIii

f

eii 2224),(

+∆+−= ∫ π

Equação (1)

Onde: I: intensidade UV (mW cm-2), xi, yi : coordenadas cartesianas definindo a locação do iésimo ponto receptor (cm), e,f : limites de integração em um colimador (cm), P : energia UV 254nm emitida pela lâmpada (W), L : comprimento da lâmpada, ∆ = H + α + β : Valores característicos do reator, ilustrados na figura 2

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

Figura 2 – Ilustração esquemática dos termos do modelo LSI aplicado a colimadores (Fonte: Blatchley, 1997).

A potência emitida a 254nm foi obtida em catálogos de fornecedores, normalmente esta representa o valor médio emitido pelas lâmpadas com 100 horas de funcionamento. RESULTADOS A figura 3 ilustra os resultados preliminares obtidos, estes mostraram a tendência de redução da potência da lâmpada em função do tempo de operação. Uma curva do tipo exponencial foi ajustada com boa correlação (R2=0,928, e coeficiente de Pearson = -0,963 com significância de 99%). Figura 3 – Potência UV 254nm relativa observada em reator colimador em função do tempo de operação

y = 1,6248e-0,0006x

R2 = 0,9280%

25%

50%

75%

100%

125%

150%

175%

200%

0 200 400 600 800 1000

Tem po de Operação (h)

Pot

ênci

a re

lativ

a a

nom

inal

Pontos Levantados

Ajuste

A lâmpada avaliada é um modelo ZG30 da Hua Ning, segundo o fabricante a vida útil está estimada como superior a 3000 horas de funcionamento.

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

A marca A (ref: H) testada preliminarmente foi monitorada em triplicata. As leituras obtidas com o radiômetro foram relacionadas com a potência de referência UV obtida com o modelo matemático mostrado anteriormente e são mostrados na figura 4. Figura 4: Potência UV 254nm relativa observada em reator colimador em função do tempo de operação. (Marca A)

0%

50%

100%

150%

200%

250%

300%

350%

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Tem po após partida (horas)

Pot

ênci

a re

lativ

a a

Nom

inal

H 01 H 02 H 03

Em média, as lâmpadas apresentaram potência de radiação a 254nm compatível com a especificada pelo fabricante (100%), no período de partida as leituras foram superiores a esperada e o decaimento da emissão de energia mostrou um comportamento exponencial o que indica como 5000 horas o tempo em que será verificada a potência estimada. Para esta marca, a qual tem durabilidade de aproximadamente 5000 horas, a potência especificada é compatível com a verificada em condições operacionais. O mesmo procedimento acima executado para a marca A foi realizado para outras duas marcas, os resultados são mostrados nas figuras 5 e 6. Figura 5: Potência UV 254nm relativa observada em reator colimador em função do tempo de operação. (Marca B)

0%

50%

100%

150%

200%

250%

300%

350%

400%

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Tem po após partida (horas)

Po

tên

cia

rela

tiva

a N

om

inal

P04 P05 P06

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

Para a marca B (ref: P), no período de monitorado, as lâmpadas apresentaram potência de radiação a 254nm superior com a especificada pelo fabricante, e o efeito de decaimento da emissão de energia não foi observado apesar das flutuações das leituras devido a variações de tensão na rede elétrica. Tal marca, portanto, mostrou-se confiável quando as informações fornecidas pelo fabricante. Figura 6: Potência UV 254nm relativa observada em reator colimador em função do tempo de operação. (Marca C)

0%

50%

100%

150%

200%

250%

300%

350%

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Tem po após partida (horas)

Po

tên

cia

rela

tiv

a a

No

min

al

W 07 W 08 W 09 W 10 W 11

Já para A marca C (ref: W), em curto período de operação, aproximadamente 750 horas, foram observadas leituras inferiores a estimada pelo fabricante (100%). Além disso, a vida útil média das mesmas foi de aproximadamente 1750 horas, bem inferior a das outras marcas. Apesar desta marca apresentar valor de mercado duas a três vezes menor que as outras marcas, a confiabilidade das lâmpadas é baixa quando aos quesitos durabilidade e emissão de radiação UV-254nm. CONCLUSÕES Com base no trabalho realizado, concluiu-se que: Dentre as marcas testadas, as lâmpadas dos fabricantes (ref: H e P) apesar de apresentarem custo superior a outras são confiáveis quanto às informações nominais, O efeito de decaimento foi observado para algumas das lâmpadas testadas, entretanto para as marcas A e B a potência UV-254nm é ligeiramente superior a nominal no período de vida útil das mesmas. A marca C de menor valor de mercado não se mostrou confiável quanto à potência UV gerada e durabilidade. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. U. S. ENVIROMENTAL PROTECTION AGENCY – EPA. Design manual: Municipal Wastewater

Disinfection. EPA/625/1-86/021, Office of Research and Development, Water Engineering, Research Laboratory, Center for Environmental Research Information, Cincinnati, OH, 1986.

2. U. S. ENVIROMENTAL PROTECTION AGENCY – EPA. Wastewater technology Fact Sheet: Ultraviolet Disinfection. EPA/832/F-99/064, Office of Water, Washington, D.C., 1999.

3. BLATCHLEY III, E. Numerical modeling of UV intensity: Application to collimated-beam reactors and continuous flow systems. Water Research, vol. 31, n. 9, p. 2205-2218, 1997.

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental