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Aplicação de ozônio no tratamento de água

Publicado em 14/05/2021 às 09:00:36

A aplicação de ozônio vem ganhando bastante destaque ultimamente no âmbito nacional e internacional

Cada vez mais, estações de tratamento de esgoto doméstico e industrial e de água potável vêm utilizando esta tecnologia para abatimento de carga orgânica, desinfecção, branqueamento de celulose e/ou descolorização de efluentes de indústrias têxteis, entre outras possibilidades.

Nas estações de tratamento de efluente para reuso, por exemplo, o ozônio vem sendo amplamente empregado na etapa de desinfecção, pois suas características permitem eliminar os resquícios de matéria orgânica e patógenos, com uma eficiência maior do que o cloro. Além disso, o ozônio não deixa residual (concentração de O3, em mg/L) na água e com isso, não há formação de componentes tóxicos para o ser humano, como é o caso da formação de subprodutos a partir do cloro (halometanos e organoclorados),

Trata-se, portanto, de um oxidante poderoso disponível hoje no mercado para esse tipo de aplicação. O ozônio destrói praticamente todos os tipos de contaminantes e patogênicos. Pode ser gerado in loco, ou seja, na própria planta de tratamento, a partir de uma descarga elétrica efetuada de forma controlada em uma massa gasosa de oxigênio ou ar atmosférico, introduzida de forma contínua, em um equipamento específico chamado de ozonizador.

Formação de ozônio

O ozônio (O3), ou oxigênio triatômico, é uma molécula instável formada pela adição de um átomo de oxigênio à molécula diatômica de oxigênio (O2), que pode ser produzido naturalmente como resultado de relâmpagos (descarga elétrica) ou radiação ultravioleta. Usualmente, o gás ozônio é gerado pelo método de descarga elétrica no gás oxigênio, conhecido como descarga por efeito corona, que consiste na passagem de gás contendo oxigênio puro ou outras misturas de ar, através de alta energia em descarga elétrica. As moléculas de oxigênio são dissociadas e produzem radicais livres altamente reativos, que ao reagir com outras moléculas de oxigênio formam o ozônio (FERREIRA, 2017 apud KIM et al, 1999), como apresentado na Figura 1, a seguir.

Figura 1 – Formação de ozônio (O3) a partir de moléculas de oxigênio (O2).

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Caracteristicas do ozônio

O gás ozônio possui um elevado potencial oxidativo que o destaca como um excelente “destruidor” de compostos orgânicos e de patógenos. O potencial oxidativo do ozônio é de aproximadamente 2,07 mV, enquanto o cloro, por exemplo, é de aproximadamente 1,36 mV (ver Tabela 1). Já o flúor possui um potencial de aproximadamente 3,06 mV.

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Este elevado poder de oxidação do ozônio confere uma elevada capacidade na remoção de matéria orgânica e na desinfecção da água bruta, com um menor tempo de contato e menores concentrações, tornando o uso do ozônio como um potencial oxidante em estações de tratamento de esgoto e água.

Por ser um gás instável, o ozônio possui um tempo de meia vida curto (aproximadamente 20,0 minutos em água a 20,0°C), é parcialmente solúvel em água e, assim como a maioria dos gases, aumenta sua solubilidade à medida que a temperatura diminui. A solubilidade do ozônio na água dependerá da concentração de matéria orgânica presente, pois quanto menor a concentração de matéria orgânica, maior será o tempo de meia vida do ozônio em água (FERREIRA, 2017 apud WYSOK et al., 2006).

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A decomposição do ozônio em meio aquoso é caracterizada por uma rápida diminuição da concentração inicial, com uma fase posterior na qual a concentração de ozônio diminui segundo uma cinética de primeira ordem, sendo que os radicais hidroxila (OH) são os principais produtos desta decomposição.

O ozônio pode reagir com compostos orgânicos em solução aquosa através da reação direta, onde o próprio ozônio molecular atua; e, através da reação indireta, na qual envolve reações com os radicais hidroxila (OH), formados da decomposição do ozônio em meio aquoso. A reação indireta não é seletiva, pois ela é capaz de promover um ataque a compostos orgânicos 106 – 109 vezes mais rápido que alguns agentes oxidantes como, por exemplo, o peroxido de hidrogênio (H2O2) e o próprio ozônio. Predominantemente processos de desinfecção ocorrem via ozônio molecular, já processos de oxidação podem ocorrer tanto por meio do ozônio molecular, via direta, como dos radicais hidroxila, via indireta (ALMEIDA et al., 2004; DI BERNADO e DANTAS, 2005; SILVA et al., 2011).

A formação de radicais hidroxila (OH) leva à rápida decomposição do ozônio em meio aquoso e assim como outros compostos oxidantes, aumentando os níveis de pH. As alterações na eficiência do processo de desinfecção, quando há uma representativa variação no pH do meio, relacionam-se com mudanças na taxa de decomposição do ozônio. Segundo Kim et al., (1998) citado por Ferreira (2017), a estabilidade do ozônio em água decresce quando o pH do meio aumenta; quando esse pH é superior a 8,0 praticamente metade do ozônio introduzido é decomposto em várias formas intermediárias de oxigênio, num período de 10,0 minutos.

Aplicação de ozônio no tratamento de água

A aplicação de ozônio no tratamento de água se deve, principalmente, a qualidade dos corpos hídricos utilizados para tratamento e abastecimento de água para população, que estão cada vez mais poluídos (principalmente, matéria orgânica). Usualmente, as plantas de tratamento de água visam tratar águas provenientes de corpos hídricos Classe 1, 2 e 3, cujos parâmetros físico-químicos se diferem entre si, tornando o processo de tratamento mais simples (Classe 1) ou mais complexo (Classe 3).

De acordo com a resolução do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) de nº 357/05, os corpos hídricos nacionais são enquadrados em cinco (05) classes de água doce, cuja classificação é feita em função da qualidade (parâmetros físico-químicos) da água, indicando o grau de poluição dos mesmos, conforme apresentado a seguir:

  • Classe Especial: aquelas destinadas ao abastecimento doméstico prévia ou com simples desinfecção;
  • Classe 1: destinadas ao abastecimento doméstico após tratamento simples (filtração e Desinfecção); à proteção das comunidades aquáticas; à recreação de contato primário (natação, esqui e mergulho); à irrigação de hortaliças consumidas cruas e de frutas que cresçam rentes ao solo e ingeridas sem remoção de película; à criação natural e/ou intensiva (aquicultura) de espécies destinadas à alimentação humana;
  • Classe 2: águas destinadas ao abastecimento doméstico após tratamento convencional; à proteção das comunidades aquáticas; à recreação de contato primário; irrigação de hortaliças e frutíferas; à criação natural e/ou intensiva de espécies destinadas à alimentação humana;
  • Classe 3: águas destinadas ao consumo humano após tratamento convencional; à irrigação de culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras; dessedentação de animais; e
  • Classe 4: águas destinadas à navegação; harmonia paisagística; e aos usos menos exigentes.

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Notas:

(1): 3,7 mg/L para valor de pH abaixo de 7,5. Se o valor do pH ficar entre 7,5 e 8,0, a concentração de nitrogênio amoniacal deve ser igual ou inferior a 2,0 mg/L; pH entre 8,0 e 8,5 = 1,0 mg/L; pH maior que 8,5 = 0,5 mg/L.

(2): 13,3 mg/L para valor de pH abaixo de 7,5. Se o valor do pH ficar entre 7,5 e 8,0, a concentração de nitrogênio amoniacal deve ser igual ou inferior a 2,2 mg/L; para pH superior a 8,5 = 1,0 mg/L.

Conforme, visto na Tabela 3, os valores das concentrações de alguns poluentes para cada Classe são diferentes, para maioria dos parâmetros. São estes parâmetros que irão definir o grau e a tecnologia com o melhor custo-benefício para o tratamento da água do manancial.

Caso a qualidade da água apresente elevadas concentrações de matéria orgânica (elevada DBO5,20, por exemplo), se faz necessário o auxílio de novas tecnologias para o tratamento de água, uma vez que os processos convencionais apresentam limites de tratabilidade para remoção de matéria orgânica.

Independente de qual tipo/tecnologia de tratamento adotada (filtração direta, convencional ou por ar dissolvido), a aplicação de ozônio nas estações de tratamento de água é vantajosa. Isto porque, o ozônio pode ser aplicado em diferentes etapas de tratamento:

  • Etapa primária: caso se deseje remover grandes quantidades de microalgas e cianobactérias, pode ser aplicado ozônio no pré-tratamento (BRAGA et al, 2007);
  • Etapa secundária: em situações em que a qualidade da água apresente elevados teores de matéria orgânica – expresso em DBO –, recomenda-se que a aplicação de ozônio seja feita após a etapa de decantação, antes de chegar no filtro; e
  • Etapa terciária (desinfecção): quando comparado ao uso de cloro, por exemplo, o ozônio é mais eficiente, rápido e letal para bactérias e micro-organismos, sendo cerca de 100 vezes mais solúvel em água. Outra vantagem da aplicação de ozônio é a não formação de subprodutos, além de poder ser gerado na própria planta. Quando não consumido, o ozônio decompõe-se naturalmente em oxigênio.

Além disso, o emprego do ozônio propicia a redução de teores de substâncias inorgânicas, como o ferro e manganês, por exemplo; aumento da eficiência dos processos de coagulação e floculação; e remoção de certas substâncias orgânicas não biodegradáveis.

Dosagem

A dosagem ótima de ozônio vai depender da qualidade da água bruta e do objetivo da aplicação. Ou seja, o consumo de ozônio vai depender do teor de matéria orgânica ou da quantidade de organismos patogênicos presentes na água bruta, como o grupo de coliformes fecais e totais.

A dosagem de ozônio em ETA, varia em função da concentração de matéria orgânica presente na água a ser tratada. Neste caso específico, a concentração de ozônio aplicado na água varia entre 1,0 e 5,0 mg O3/L (valores usualmente recomendados).

Legislação

Em caso de aplicação de ozônio na etapa de desinfecção da ETA, a Portaria 2914/11 determina que deve ser observado o produto CxT, que calcula a concentração de ozônio (mg/L) pelo tempo de contato (em minutos) na câmara de desinfecção (tanque de contato). O valor deste cálculo deve ser de até 0,38 mg/L.min para temperatura média da água igual a 15,0 ºC, e pode ser calculada através da Equação 1, a seguir:

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Para valores de temperatura média da água diferentes de 15,0 ºC, deve-se proceder os seguintes cálculos descritos no item 9.4.

  1. Para valores de temperatura média abaixo de 15ºC: duplicar o valor de CT a cada decréscimo de 10ºC; e
  2. Para valores de temperatura média acima de 15ºC: dividir por dois o valor de CT a cada acréscimo de 10ºC.

Desvantagens da aplicação de ozônio

As principais desvantagens do sistema de ozonização, seja em estações de tratamento de água ou de esgoto são:

  • Elevados custos de implantação e operação;
  • Impossibilidade de transporte e armazenamento, tendo que ser produzido na própria planta;
  • Baixa solubilidade, não permitindo a obtenção de residuais de ozônio no meio aquoso por muito tempo.

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Até o próximo artigo!

Equipe H2O Engenharia.


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