Desinfecção por UV.cdr

F O R A S U S TA I N A B L E W O R L D
DESINFECÇÃO POR LUZ ULTRAVIOLETA
Por Elio Pietrobon Tarran
Resumo: Uma desinfecção eficiente da água utilizando-se a irradiação ultravioleta envolve a observação de diversos princípios que podem ser novos para os
profissionais de tratamento de água. O método apresenta desafios e vantagens por não deixar resíduos químicos na água produzida e necessita de um
tratamento prévio para reduzir os sólidos suspensos que poderiam prejudicar a transmissão de UV por um efeito de sombra pelo qual alguns contaminantes
poderiam escapar da inativação. Em determinados comprimentos de onda que produzem ozônio, o UV também oferece propriedades de oxidação.
Existem alguns meios de desinfecção mundialmente
utilizados. Dentre eles, destacamos o cloro, luz ultravioleta e
ozônio. As várias formas de desinfecção com cloro e derivados
são as mais utilizadas atualmente. Entretanto, ultravioleta e
ozônio têm avançado fortemente como meios de desinfecção.
Neste artigo vamos abordar a desinfecção por raios ultravioleta.
A luz ultravioleta faz parte do espectro eletromagnético com comprimentos de onda entre 100 e 400
nanômetros (nm). Quanto menor o comprimento de onda, maior
a energia produzida. As lâmpadas mais usadas de baixa
pressão de vapor de mercúrio têm comprimento de onda de
253.7 nm. Portanto, a faixa do UVC é a mais apropriada para a
eliminação de micróbios. A faixa de UV vácuo (UV-V),
especificamente com comprimento de onda de 185 nm, é
própria para a produção de ozônio (O3). As lâmpadas
ultravioleta e fluorescentes são similares.
A luz ultravioleta é produzida como resultado de fluxo
de corrente através do vapor de mercúrio entre os eletrodos da
lâmpada. As lâmpadas de baixa pressão de mercúrio produzem
a maioria dos raios com comprimento de 253,7 nm. Esse
comprimento é muito próximo do comprimento de 260 a 265
nm, que é o mais eficiente para matar micróbios.
A principal diferença entre a lâmpada germicida e a
fluorescente é que a germicida é construída com quartzo, ao
passo que a fluorescente é com vidro, com camada interna de
fósforo que converte a luz UV para luz visível. Colisões entre
elétrons e átomos de mercúrio provocam emissões de radiação
ultravioleta, que não é visível ao olho humano. Quando esses
raios colidem com o fósforo, eles "fluorescem” e se convertem
em luz visível. O tubo de quartzo transmite 93% dos raios UV da
lâmpada ao passo que o vidro (vidro macio) emite muito pouco.
COMO FUNCIONA A DESINFECÇÃO
“Microorganismo” é um termo amplo que inclui vários
grupos de germes que provocam doenças. Diferem em forma e
ciclo de vida, mas são semelhantes em seu pequeno tamanho e
simples estrutura relativa. Os cinco maiores grupos são vírus,
bactérias, fungos, algas e protozoários. Focando-se numa célula
básica de bactéria, interessa-nos a parede da célula, a
membrana citoplasmática e o ácido nucleico.
O alvo principal da desinfecção por luz ultravioleta é o
material genético ácido nucleico. Os micróbios são destruídos
por ultravioleta quando a luz penetra através da célula e é
absorvida pelo ácido nucleico. A absorção da luz ultravioleta
pelo ácido nucleico provoca um rearranjo da informação
genética, que interfere com a capacidade de reprodução da
célula. Os microorganismos são portanto inativados pela luz UV
como resultado de um dano fotoquímico ao ácido nucleico.
O ADN (DNA - ácido desoxiribonucléico)é uma
molécula em forma de dupla hélice composta de bases
nitrogenadas—adenina, timina, citosina e guanina (ver Figura 4).
O ADN armazena todas as informações necessárias para a
criação de um ser vivo. O gene é a unidade de ADN capaz de
sintetizar uma proteína. O cromossomo é uma longa seqüência
de ADN parecida com um fio.
O genoma é o conjunto completo dos genes de uma
espécie.A alta energia associada ao pequeno comprimento de
onda (240 – 280 nm) é absorvida pelo ARN (RNA - ácido
ribonucléico) e pelo ADN da célula. A máxima absorção da luz
ultravioleta pelo ácido nucleico, ADN, ocorre com um
comprimento de onda de 260 nm. A Figura 5mostra a
similaridade entre a habilidade da luz ultravioleta em destruir E.
Coli e a habilidade das células do E. Coli em absorver luz
ultravioleta. Observe que a emissão de luz ultravioleta com
comprimento de onda de 254 nm é muito próxima da melhor
condição de absorção da luz pelo ácido nucleico com a célula.
Uma célula que não pode ser reproduzida é considerada morta,
porque não mais se multiplicará.
FIGURA 01
FIGURA 04
A dupla hélice do ADN a cadeia da vida
Rua Ettore Soliane, 161 | Dist. Ind. Nova Era | CEP: 13.347-394 | Indaiatuba - São Paulo - Brasil
Tel.: +55 (19) 3935.7277 | www.techfilter.com.br
F O R A S U S TA I N A B L E W O R L D
FIGURA 2. Espectro Eletromagnético (nm-nanômetros*)
FIGURA 3. Escala Expandida de Radiação UV (nm - nanômetros)
DESINFECÇÃO VS. ESTERILIZAÇÃO
FIGURA 6
Esterilização é quando se dá total eliminação de patogênios
abaixo de um nível de medição especificado. A esterilização é
definida como uma redução de contaminantes igual ou superior
a 8 logs, 10 ou 99,999999%.
A desinfecção é a redução na concentração de patogênios para
níveis não infecciosos. A desinfecção atinge vários níveis de
redução.
-8
1 log...10 ...90%
2 log...10 ...99%
3 log...10 ...99,9%
4 log...10 ...99,99%
5 log...10 ...99,999%
-1
-2
-3
-4
-5
FIGURA 5
PARÂMETROS DE QUALIDADE DA ÁGUA
Para efetuar a desinfecção de água potável e industrial
são necessárias certas condições para a água:
• Filtro de partículas de 5 micra, pois vírus ou bactérias
podem deixar de ser atingidos quando houver partículas.
• Dependendo da qualidade da água, filtros de carvão poderão
ser necessários para retirada de material orgânico, que
interfere na transmissão da luz ultravioleta.
• Deve-se reduzir níveis de ferro e de manganês para 0,3 partes
por milhões (ppm) e 0,05 ppm, respetivamente, e dureza abaixo
de 100 ppm. Ferro, manganês e dureza (cálcio e magnésio)
podem precipitar-se no tubo de quartzo prejudicando a
transmissão da luz.
Como filtros de carvão e resinas podem agir como
aceleradores de multiplicação de bactérias, os reatores de
ultravioleta devem ser instalados no final da linha, ou seja, após
esses.
Rua Ettore Soliane, 161 | Dist. Ind. Nova Era | CEP: 13.347-394 | Indaiatuba - São Paulo - Brasil
Tel.: +55 (19) 3935.7277 | www.techfilter.com.br
F O R A S U S TA I N A B L E W O R L D
DOSAGEM DE LUZ UV
A fórmula a seguir representa como é calculada a
dosagem de UV:
Dosagem = Intensidade x Tempo de Retenção
Onde: Dosagem, intensidade medida em microwatt-segundos
por centímetro quadrado (µWs/cm2). Tempo é medido em
segundos (s).
NOTA: 1.000 µWs/cm2 = 1 mWs/cm2 = 1 mJ/cm2 (mWs =
miliwattsegundos; mJ = milijoules).
FIGURA 7
FATORES QUE AFETAM UMA DESINFECÇÃO EFICAZ COM UV:
• Qualidade da água
• Transmissão do UV
• Sólidos suspensos
• Nível de orgânicos dissolvidos
• Dureza total
• Condições da lâmpada
• Limpeza do tubo de quartzo
• Tempo de uso da lâmpada
• Tratamento da água antes do UV
• Vazão
• Projeto do reator
Esses fatores estão relacionados principalmente com
a exposição dos contaminantes na água e a transmissão
eficiente de UV para uma ativação adequada. Os problemas
incluem o sombreamento (em que os contaminantes pequenos
são ofuscados por outros contaminantes presentes na água),
incrustação ou descoloração do tubo de quartzo, intensidade da
lâmpada e fluxos inadequados.
FIGURA 8
TRANSMISSÃO DO UV
A transmissão de UV é definida como porcentagem da
luz UV com comprimento de 254 nm não absorvida após passar
através de uma espessura de água de 1 cm. A transmissão
depende de materiais dissolvidos e suspensos na água (ver
Figura 6). Transmissões reduzidas diminuem a intensidade da
luz na água,requerendo, portanto, maior exposição de tempo a
fim de que a água receba uma dose apropriada.
A claridade visual de uma água não é um bom
indicador de sua transmissão, uma vez que a água que é clara
para luz visível pode absorver o comprimento de onda da luz
ultravioleta.
A melhor forma de medir a transmissão de luz
ultravioleta na água é fazer a medição com uma pequena
amostra em um aparelho chamado fotômetro, que mede
especificamente a transmissão do comprimento de onda de
254 nm na água. O fotômetro informa o resultado em termos de
porcentagem. Por exemplo, transmissão: 25%,
70%, 79%, 85%, 99%, etc.
Veja a Figura 7 o impacto da luz ultravioleta combinada
com atransmissão UVT.
Veja a Figura 8, um teste prático, demonstrando
relação de dosagem x inativação de coliformes fecais de
efluente.
TABELA 1. REDUÇÃO DE COLIFORMES FECAIS
FATORES DE PROJETO DE UM UV
A câmara de água ou reator deve ser projetada de tal
forma que assegure que todos micróbios recebam uma dose
suficiente de exposição à luz ultravioleta.
Quando não projetados visando a esse padrão, alguns
raios ultravioletas sofrem o que se chama “curto-circuito”, ou
seja, micróbios passam pela câmara sem receber dose
suficiente de luz ultravioleta. Atualmente essas câmaras são
projetadas da mesma forma que aviões e carros, ou seja,
testadas em túneis com fluxo de ar.
No caso de reatores, no projeto utilizam-se os sistemas
CFD (computacional fluid dynamics—dinâmica de fluido
computacional), ou seja, programas que mostram como se
processa o fluxo de água através da câmara, mostrando
inclusive a trajetória de partículas, para se otimizar o projeto.
Sem dúvida o teste final com análises de água antes e após o
ultravioleta, variando-se vazão, quantidade de contaminação
antes e após o ultravioleta, é que nos dará a indicação final do
produto.
Rua Ettore Soliane, 161 | Dist. Ind. Nova Era | CEP: 13.347-394 | Indaiatuba - São Paulo - Brasil
Tel.: +55 (19) 3935.7277 | www.techfilter.com.br
F O R A S U S TA I N A B L E W O R L D
TECNOLOGIA DE LÂMPADAS
Basicamente, dois tipos de lâmpadas são utilizados em um projeto de ultravioleta.
1) Baixa pressão de mercúrio (ver Fig. 9)
2) Média pressão de mercúrio (ver Fig. 10)
Atualmente uma nova versão de lâmpadas com baixa pressão de mercúrio está sendo utilizada: lâmpadas de baixa pressão e
grande potência (LPHO*).
A vantagem é a redução do número de lâmpadas, aumentando a potência do sistema e diminuindo o custo.
Apresentamos abaixo (ver Tabela 2) uma relação de microorganismos, bem como a dosagem necessária para sua inativação com
90% e 99%.
FIGURA 9
FIGURA 10
TABELA 2. DOSES DE UV (mWs/cm²) PARA INATIVAÇÃO 1 LOG OU 2 LOG DE PROCRIAÇÃO MICROBIANA
Microorganismos
BACTÉRIAS
Microorganismos
1 Log 2 Log
Ref*
VÍRUS
1 Log 2 Log
Ref*
PROTOZOÁRIOS
1 Log 2 Log
Ref*
ALGAS
1 Log 2 Log
Ref*
LEVEDURA
1 Log 2 Log
Ref*
*Refencias
1.Legan,R.W.,“UV disinfection chambers,” Waterand Sewage Works, R56-R61,1980.
2.Jevons,C.,“Ultraviolet system sin water treatment,”Effluentand Water Treatment Journmal,J22:161-162,1984.
3.Groocock,N.H.,“Disinfection of Drinking Water by Ultraviolet Light,”J.Inst.Water Engineer sand Scientists,38(2),163-172,1984.
4.Antopol,S.C.,“Susceptibility of Legionella pneumophila to Ultraviolet Radiation,”Appliedand Environmetal Microbiology,38,347-348,1979
5.Wilson,B.,“Coliphage MS-2 as UV Water Disinfection Efficacy Test. Surrotefor Bacterial and Viral Pathogens,”apresentado na Conferência de Tecnologia da
Qualidade da Água, American Water Association, 1992.
6.Wolfe,R.L.,“Ultraviolet Disinfection of potabla water: Current Tecnology and Research,”Environmetal Science Technology, 24(6),768-773,1990
Rua Ettore Soliane, 161 | Dist. Ind. Nova Era | CEP: 13.347-394 | Indaiatuba - São Paulo - Brasil
Tel.: +55 (19) 3935.7277 | www.techfilter.com.br
F O R A S U S TA I N A B L E W O R L D
MANUTENÇÃO E VANTAGENS NO USO DE RADIAÇÃO UV
• Não gera subprodutos
• Não necessita de tanques de contato: apenas alguns segundos são suficientes para a desinfecção
• Não oferece riscos ao usuário
• A manutenção é muito simples, pois necessita apenas de troca anual da lâmpada e limpeza do tubo de quartzo de tempos em
tempos. Dependendo da qualidade da água, a limpeza é dispensável.
OUTRAS APLICAÇÕES DE UV
Efluentes: A grande vantagem do uso de ultravioleta em efluentes é que nada é acrescentado à mesma, ou seja, quando o efluente é
descartado em um corpo aquático, com isso a água está praticamente isenta ou de acordo com os limites de microorganismos e
sem subprodutos nocivos ao meio ambiente.
Quebra de ozônio: O ultravioleta com dosagem apropriada transforma o ozônio em oxigênio: 2O 3 + UV254 = 3O 2
Uso de UV para descloração: Dosagens elevadas de ultravioleta, utilizando-se lâmpadas de média pressão, reduzem os níveis de cloro
na água. Essa solução é utilizada quando não se deseja o uso de filtros de carvão ativado ou sódio metabissulfito.
PROCESSOS DE OXIDAÇÃO AVANÇADA PARA EFLUENTES
Redução de COT (TOC*)— Carbono Orgânico Total: Outra importante aplicação de ultravioleta é o uso em processos de oxidação
avançada, utilizando-se, por exemplo, UV2 + H O 2 (peróxido de hidrogênio),
UV + O3 (ozônio) e UV + TiO2 (dióxido de titânio).
Oxidando-se efluentes de indústrias químicas, farmacêuticas ou cosméticas com os processos acima, é produzido o radical OH*que
quebra cadeias complexas de efluentes, transformando-as em subprodutos mais simples, ou mesmo CO 2 + H 2 O
TABELA 3. ALGUMAS APLICAÇÕES DE DESINFECÇÃO POR UV
Desinfecção de Água Potável
Industrial
CONCLUSÃO
A tecnologia de ultravioleta hoje pode ser aplicada em
várias áreas e o desenvolvimento de novos produtos com maior
poder de desinfecção e menor preço é atualmente o grande
objetivo dos principais fabricantes.
Voltando ao início de nosso artigo cloro, ultravioleta e
ozônio, não considero essas tecnologias concorrentes, porém
complementares.
Os sistemas avançados de tratamento de água
potável, pura ou ultrapura, muitas vezes empregam as três
tecnologias em um único projeto.
Creio que os produtores dessas tecnologias deveriam
reunir-se para desenvolver um conjunto de sistemas de
desinfecção utilizando as três tecnologias.
* Por suas siglas em inglês.
Desinfecção de Efluentes
Aplicações de UV no Ar
Comercial
Proteção para outras tecnologias de
Tratamento de Água
AGRADECIMENTO
O autor agradece Phil Carrigan, Bill Cairns, Gail
Sakamoto e Bruce Laing, da Trojan Technologies Inc.( London,
Ontário -Canadá), pela ajuda no artigo.
Sobre o autor Elio Pietrobon Tarran é Diretor Geral da Tech Filter
(Indaiatuba, São Paulo - Brasil), empresa membro da Water
Quality Associations (WQA), fabricante de Filtros e Sistemas de
Tratamento de Água e Efluentes. É membro, também, do Comitê
Consultivo de Assessores da Água Latinoamérica.
Artigo publicado na revista Água Latinoamerica,
edição março/abril de 2002
Rua Ettore Soliane, 161 | Dist. Ind. Nova Era | CEP: 13.347-394 | Indaiatuba - São Paulo - Brasil
Tel.: +55 (19) 3935.7277 | www.techfilter.com.br