Integração da ozonização no tratamento de água e efluentes : uma abordagem para a remoção e mineralização de fármacos e inativação de patógenos

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Costa, Letícia Reggiane de Carvalho
• Orientador(a): Feris, Liliana Amaral
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Tratamento da água; Tratamento de efluentes; Ozonização; Remoção de contaminantes
• Palavras-chave em Inglês: Pharmaceutical compounds; Inactivation; Microorganisms; Tertiary treatment; Ozonation; Advanced oxidative processes; Degradation pathways; Water and wastewater treatment
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/277051

A crescente presença de poluentes como fármacos e microrganismos patogênicos em matrizes ambientais, consiste em preocupação global. O descarte inadequado de resíduos aquosos altera as características dos recursos hídricos levando à poluição das águas que servem como fonte de abastecimento para os municípios. No Brasil, os sistemas de tratamento de água convencionalmente utilizados não são capazes de remover completamente essas substâncias, mostrando a urgente necessidade de aplicação de tecnologias mais avançadas para a remoção adequada desses contaminantes. Nesse contexto, a ozonização surge como uma técnica promissora para complementar os processos de tratamento existentes. O presente estudo tem como objetivo geral avaliar a eficiência do processo de ozonização aplicado de forma complementar ao tratamento de água e efluentes contendo compostos farmacêuticos e patógenos de interesse. O estudo considerou diferentes sistemas operacionais para avaliar a capacidade de remoção, mineralização e inativação de patógenos, de forma individual e integrada em matrizes aquosas reais e sintéticas. Representando a matriz sintética, foram utilizadas soluções de 30 mg/L contendo os poluentes cafeína (CAF) e ampicilina (AMP), ambos comumente encontrados no meio ambiente. Amostras de água do Arroio Dilúvio em Porto Alegre, RS, Brasil com concentração adicional dos fármacos de 50 mg/L, e efluente da instalação de tratamento de esgoto (RSWRF), Reno, NV, Estados Unidos foram representativas da matriz real. A decisão sobre as concentrações dos fármacos considerou as limitações analíticas do cromatógrafo, que não consegue detectar concentrações na faixa de ng/L ou μg/L (concentrações reais de fármacos em águas residuais). Além disso, a dose significativa de ozônio justificou a necessidade de concentrações mais altas para permitir uma investigação mais detalhada da degradação dos compostos. Como metodologia, inicialmente, conduziu-se um estudo do sistema de ozonização em batelada para determinar a capacidade de produção do gás, a estabilidade da produção no sistema e a eficiência de transferência de massa, utilizando a CAF como poluente modelo. Em seguida, foi avaliada a influência das variáveis pH, tempo e fluxo de gás na degradação e mineralização dos fármacos, através de um planejamento fatorial por delineamento composto central (CCD). A fim de prever a toxicidade das amostras tratadas, foi desenvolvido um estudo de toxicidade In-Sílico através da ferramenta QSAR, a qual foi aplicada tanto para o composto original quanto para seus possíveis subprodutos de ozonização e/ou metabolitos. A integração da ozonização ao tratamento convencional de água foi consolidada pela aplicação da técnica nas etapas de pré-oxidação e ozonização intermediária. Além do estudo em batelada, foi realizado estudo de desinfecção de patógenos em planta piloto na estação para tratamento e recuperação de águas residuais de propriedade e operado pela cidade de Reno, Nevada, EUA (Reno Stead Water Reclamation Facility - RSWRF). Um estudo de rastreamento foi realizado usando três doses de ozônio (razão ozônio/carbono orgânico total (O3/TOC) de 0,7, 1,0 e 1,4) para determinar o desempenho da desinfecção no sistema em escala piloto usando o efluente real. A eficiência da desinfecção foi avaliada medindo coliformes totais, Escherichia Coli (E. coli), Pepper Mild Mottle Virus (PMMoV), Tomato Brown Rugose Fruit Virus (ToBRFV) e Norovirus (HNoV). Os resultados obtidos mostraram as eficiências dos diferentes sistemas e variáveis estudadas. O estudo em batelada demonstrou a importância da estabilização do gerador de ozônio, o qual garantiu uma produção constante do gás nos tempos entre 10-15 minutos de operação. A capacidade de transferência de massa determinada foi em média de 5,7% para o poluente modelo CAF, destacando a influência do difusor poroso utilizado no processo e da interação das moléculas na transferência do gás. Experimentos com soluções sintéticas individuais mostraram índices superiores a 97% de remoção para os fármacos em pH 10 e concentração de ozônio de 0,25 mg/L em 200 mL. Para esse estudo, observou-se uma mineralização com valores de 22,3% e 20,8% para CAF e AMP, respectivamente, e 34,0% para a matriz composta sintética (30 mg/L), todas com dosagem de gás de 500 mg/L. A análise In-Sílico da toxicidade dos fármacos e seus subprodutos revelou um alto potencial de toxicidade, identificando possíveis efeitos adversos na pele e variabilidade na toxicidade aquática. Esses resultados ressaltam a importância de avaliações experimentais de toxicidade mais abrangentes. Resultados dos experimentos com a matriz real mostraram índices de mineralização de 30,8% com dosagem de gás de 830 mg/L, relativamente maior que a aplicada para a matriz sintética. Isso pode ser justificado pela complexidade química da matriz. A integração da ozonização no tratamento convencional de água resultou em uma redução média de 25% na concentração de coagulante através da pré-ozonização, evidenciando os benefícios dessa abordagem na remoção de contaminantes. Ainda, proporcionou um aumento na mineralização da matriz nas duas vazões aplicadas (0,5 e 1,0 L/min), atingindo valores finais de 33,2 e 39,0%, respectivamente (pH 8, tempo de 30 min e concentração de coagulante 60 mg/L). Em relação à aplicação da ozonização intermediária, a mineralização atingiu valores de 59,0% (pH 8, tempo de 30 minutos; vazão de 0,5 L/min) e 83,0% (pH 10, tempo de 15 minutos; vazão de 1,0 L/min). Este último ressalta não apenas a eficácia do processo de ozonização integrado, mas também seu potencial para otimizar a operação de tratamento mais sustentável. O estudo no sistema piloto de ozonização contínua demonstrou que o tratamento na etapa de desinfecção foi eficaz na redução dos microrganismos presentes no efluente, atingindo valores de redução variando de 2,46 a 4 logs. Após a ozonização, as concentrações de bromato e NDMA aumentaram, atingindo níveis entre 2,8 -12,0 µg/L e 28 - 40,0 ng/L, respectivamente, para níveis de brometo na água de alimentação de 86,7 ± 1,8 µg/L. Este aumento foi particularmente notável com dosagens mais elevadas de ozono. Esses resultados ressaltam a importância de considerar não apenas a redução de microrganismos, mas também a formação de subprodutos durante o tratamento. Os resultados confirmam que a complementaridade do processo convencionalmente aplicado às estações de tratamento com a ozonização é um eficaz, sensível e rápido para a remoção e mineralização de fármacos em meio aquoso, bem como inativação de patógenos. Sugere-se utilizar a ferramenta de avaliação da toxicidade como suporte para a tomada de decisão sobre a configuração e controle do sistema, visando otimizar o processo e aumentar sua viabilidade para aplicação em larga escala da ozonização em águas contaminadas.