PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de abastecimento Desinfecção de água de abastecimento por radiação ultravioleta

Histórico do uso da radiação UV 1877 - Foi observado o efeito germicida da luz solar; 1910 - Primeiro uso conhecido da radiação ultravioleta para desinfecção de água na França; 1929 - Identificada a relação entre a desinfecção e absorção de luz UV pelo ácido nucléico; Década de 1930 – Desenvolvimento de lâmpadas fluorescentes e produção de lâmpadas germicidas tubulares. Prof. Mierzwa

Histórico (cont.) A despeito dos avanços ocorridos, a utilização dos sistemas de desinfecção por radiação UV foram abandonados: Custo elevado para a produção dos equipamentos; Confiabilidade dos sistemas. O interesse pela desinfecção com radiação UV ressurgiu na década de 1950; Pesquisas relacionadas ao mecanismo de inativação por luz UV. Prof. Mierzwa

Histórico (cont.) As primeiras aplicações confiáveis da radiação UV para desinfecção ocorreram na Áustria e Suíça em 1955; Nos EUA e Canadá, na década de 1970, os sistemas de desinfecção por radiação UV eram principalmente aplicados para efluentes; A constatação de que baixas doses de radiação UV poderiam inativar Giárdia e Criptosporídeos ampliou o uso desta tecnologia. Prof. Mierzwa

Características da Radiação UV No espectro das ondas eletromagnéticas provenientes do sol a radiação UV está entre os raios-X e a luz visível. Prof. Mierzwa

Características da Radiação UV O comprimento de onda típico da radiação UV varia de 100 nm a 400 nm; O espectro da radiação UV é composto pelas radiações UVA, UVB, UVC e UV-vácuo; Os comprimentos de onda mais efetivos para desinfecção estão entre 200 e 300 nm; Nesta faixa encontram-se as radiações UVB e UVC. Prof. Mierzwa

Espectro da radiação solar com destaque para a radiação UV Prof. Mierzwa

Geração da radiação UV Descargas elétricas em átomos de determinados elementos; Ativação dos átomos com deslocamento de elétrons para orbitais mais energéticos; Quando os elétrons retornam para orbitais menos energéticos, o excesso de energia pode ser liberado na forma de radiação UV. Prof. Mierzwa

Geração de luz UV Átomo Processo de Ativação dos Átomos Retorno ao Estado Fundamental Prof. Mierzwa

Atuação da radiação UV nos microrganismos Comprimentos de onda específicos podem atuar no material genético do microrganismos causando danos no DNA ou RNA; DNA – Ácido desoxirribonucléico; RNA – Ácido ribonucléico. A extensão dos danos vai depender da exposição à radiação UV; Em geral a inativação ocorre pois os microrganismos perdem a capacidade de se multiplicar. Prof. Mierzwa

Atuação da radiação UV nos microrganismos (cont.) Os microrganismos que não podem se reproduzir são incapazes de infectar alguém; Somente a radiação que é absorvida pelo DNA ou RNA é capaz de causar danos; Estudos mostram que o ácido nucléico é capaz de absorver radiação UV na faixa de 200 a 300 nm; A radiação absorvida pode resultar em vários danos ao DNA, porém processo de formação de dímeros é o mais comum. Prof. Mierzwa

Dano no DNA pela formação de dímeros Prof. Mierzwa

Absorção de radiação UV pelo DNA Prof. Mierzwa

Espectro de emissão de lâmpadas UV (http://www. americanairandwater Prof. Mierzwa

Mecanismo de reparação de danos dos microrganismos Os microrganismos possuem mecanismos que possibilitam a recuperação de danos ao DNA; A recuperação do dano pode ser feita mediante foto-reativação ou na ausência de luz; A foto-reativação e feita por enzimas expostas a luz com comprimento de onda variando entre 310 nm e 490nm. Prof. Mierzwa

Mecanismo de reparação de danos dos microrganismos (cont.) Alguns estudos sobre o mecanismo de reativação dos microrganismos mostram que: Para Giárdia, após exposição à doses típicas do processo de desinfecção, não ocorre reparação; Criptosporídeos também não recuperam a capacidade infectiva após a inativação por radiação UV; O RNA dos vírus não dispõem das enzimas necessárias para possibilitar a sua reparação e dependem do hospedeiro para este processo; As bactérias podem ser reativadas após a exposição à radiação ultravioleta. Prof. Mierzwa

Representação do Processo de Desinfeção por UV Prof. Mierzwa

Mecanismo de foto-reativação do DNA pelos microrganismos Prof. Mierzwa

Desinfecção com radiação UV O grau de destruição ou inativação dos microrganismos depende da dose de radiação; A dose depende da intensidade da radiação UV e do tempo de exposição; D = I . t Onde: D = dose de radiação UV (mW.s/cm2 ou mJ/cm2); I = Intensidade da radiação (mW/cm2) t = tempo de exposição (s), Prof. Mierzwa

Cinética de Inativação dN/dt = - k.I.N k  constante de inativação; I  Intensidade de Energia no reator. Prof. Mierzwa

Transmissão de radiação UV A água pode absorver a radiação UV; Em geral a absorbância de radiação UV varia com o comprimento de onda; Quanto maior o comprimento de onda menor é a absorção; A absorbância em 254 nm (A254) é uma medida da quantidade de radiação absorvida pela água; Assim a quantidade efetiva de radiação UV disponível é menor que a intensidade fornecida pela lâmpada. Prof. Mierzwa

Transmissão de radiação UV Uma forma de quantificar a intensidade de radiação UV transmitida é pela utilização da Lei de Beer-Lambert: UVT(%) = Transmissão de radiação UV para um caminho ótico específico (1 cm); A254 = Absorbância de radiação UV na amostra de água para o caminho ótico de 1 cm. Prof. Mierzwa

Relação entre transmissão de radiação UV e absorbância em 254 nm Prof. Mierzwa

Requisitos de qualidade da água para desinfecção com radiação UV Fonte: Edstrom Industres. Ultraviolet Disinfection (http://www.edstrom.com Prof. Mierzwa

Doses necessárias para inativação de vários microrganismos Prof. Mierzwa

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Equipamentos de desinfecção por radiação UV Basicamente existem duas configurações para os sistemas de desinfecção por UV: Sistema fechado; Sistema aberto, em canais. Os sistemas fechados são os preferidos para tratamento de água de abastecimento. Prof. Mierzwa

Sistema de desinfecção por radiação UV para canais abertos Prof. Mierzwa

Representação esquemática do sistema de desinfecção em canal aberto Prof. Mierzwa

Desvantagens do sistema de desinfecção em canal aberto Perigo de exposição dos trabalhadores à radiação ultravioleta; Crescimento de algas na superfície dos tubos de quartzo; Dificuldade para limpeza das lâmpadas; Potencial de ocorrência de curto circuito no escoamento, resultando em uma dose inferior à mínima necessária. Prof. Mierzwa

Equipamento de desinfecção por radiação UV com escoamento forçado Prof. Mierzwa

Detalhe do equipamento de desinfecção por radiação UV com escoamento forçado Prof. Mierzwa

Vantagens dos sistemas de desinfecção com escoamento forçado Menor área para a instalação; Redução do potencial de deposição de partículas; Exposição reduzida dos trabalhadores aos raios UV; Sistema modular; Podem ser adquiridos sistemas com limpeza automática das lâmpadas. Prof. Mierzwa

Planejamento, projeto e implantação de sistemas de desinfecção por UV Definição das metas para desinfecção Identificação da área potencial para instalação da unidade Definição dos critérios de projeto para a unidade: Vazão, fator de depósito, organismo alvo, nível de inativação, etc. Avaliação de alternativas para instalação Avaliação dos equipamentos disponíveis, incluindo estratégias de controle Identificação do processo de validação Procura pelo equipamento Desenvolvimento do projeto detalhado Construção da unidade de desinfecção Partida e operação do sistema Prof. Mierzwa

Lâmpadas UV utilizadas em tratamento de água LP – Low pressure; LPHO – Low pressure high output; MP – Medium pressure Fonte: EPA 815-R-05-013, 2005 (www.epa.gov/safewater) Prof. Mierzwa

Desgaste das Lâmpadas Com o uso, há uma tendência da intensidade da lâmpada diminuir; Isto resulta na redução da intensidade de radiação UV; Este processo é conhecido como desgaste; O desgaste das lâmpadas de UV com o tempo é influenciado: Pelos ciclos de acionamento e desligamento; Pela potência aplicada por unidade de comprimento da lâmpada. Prof. Mierzwa

Variação da intensidade de radiação de lâmpadas UV com o tempo (fonte: DROSTE, R.L, 1997) Prof. Mierzwa

Custos de Sistemas de desinfecção por radiação UV (40 mJ/cm2) Fonte: EPA 815-R-05-013, 2005 (www.epa.gov/safewater) Prof. Mierzwa

Custos de Sistemas de desinfecção por radiação UV (40 mJ/cm2) Prof. Mierzwa

Considerações finais Por ser um processo físico não há necessidade de manipulação e armazenagem de produtos químicos; O processo de desinfecção por radiação ultravioleta não tem ação residual; Necessita de um baixo tempo de contato para promover a inativação (10 s a 20 s); Pode requerer a dosagem de um agente de desinfecção com ação residual. Prof. Mierzwa