PROCESSO DE DESINFECÇÃO DE ÁGUA E ESGOTO POR RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA - Diego Araujo e Mauricio Pereira

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PROCESSO DE DESINFECÇÃO DE ÁGUA E ESGOTO POR RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA 
Diego Araújo e Maurício Pereira 
Universidade Federal de Minas Gerais 
 
Resumo: Este trabalho tem como objetivo analisar o processo de desinfecção de água e esgoto utilizando radiação ultravioleta 
emitida por lâmpadas tipo vapor de mercúrio. 
 
1. SISTEMA ÓPTICO ESCOLHIDO 
 
Um sistema óptico é definido como sendo “todo o 
conjunto de superfícies e elementos translúcidos, incluindo 
a fonte de radiação e o detector, dispostos de modo a 
serem sucessivamente atingidos pela luz”. Diante do 
conceito exposto, pode-se em sistema óptico estabelecer 
partes essenciais, a saber, a fonte emissora, o meio de 
propagação e um receptor final. 
O processo de desinfecção de água e esgoto com 
utilização de radiação ultravioleta se configura como um 
sistema óptico, de modo que sua fonte será uma lâmpada 
que emite radiação na faixa do ultravioleta; o meio há de 
ser a água/esgoto, onde haverá propagação da radiação 
emitida pela fonte; o receptor nesse caso serão os 
microrganismos que se deseja desinfetar, sendo, portanto 
alvos da radiação emitida. 
 
Figura 1.1. Configuração do sistema ótico. 
 
RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA 
 
A radiação ultravioleta é toda aquela contida 
entre os comprimentos de onda de 100 à 400nm do 
espectro, sendo subdivididas em radiação UV-vácuo (100-
200nm), UV-C (200-280nm), UV-B (280-315nm) e UV-A 
(315-400nm). Cada uma destas faixas apresentam efeitos e 
aplicações distintas desenvolvidas e otimizadas ao longo 
dos anos. 
A radiação UV-A, por exemplo, é utilizada em 
camas de bronzeamento artificial, em luz negra para festas 
noturnas, representando a radiação mais inofensiva para 
os seres vivos. A radiação UV-B, por sua vez, é considerada 
a principal responsável pela causa de câncer de pele. 
 
 
A radiação UV-C, será a faixa de maior interesse 
para o processo de desinfecção tratado. A radiação UV-C é 
a mais letal para os tecidos biológicos, afetando os ácidos 
nucléicos celulares e então sendo a mais eficaz para o 
perfil germicida. 
O fato de a radiação UV-B ser a maior causadora 
de câncer de pele decorre da ação da camada de ozônio 
que blinda a passagem de toda radiação UV-C e filtra 
parcela da UV-B, permitindo ainda uma quantidade que nos 
impõe risco. 
 
EVOLUÇÃO DO SISTEMA 
 
Pode-se usar a desinfecção de água e esgoto 
para aplicações em diversas áreas, tais como comercial, 
hospitalar, residencial, industrial, etc. 
Como mencionado, a fonte do sistema óptico 
tratado apresenta uma lâmpada que emite radiação UV-C. 
O processo evolutivo da técnica e a descoberta da eficácia 
dessa radiação germicida se deram com o empirismo ao 
longo dos anos. 
 No século XVIII, Isaac Newton notou a existência 
de radiações invisíveis na decomposição da luz branca em 
suas raias espectrais, quando realizou o famoso 
experimento do prisma. Em 1877, Downes e Blunt tiveram 
as primeiras evidências do efeito de luz em bactérias. Uma 
década depois, Roux estudava colônias de bactérias 
causadoras da peste bubônica e da difteria, observando 
que a exposição ao sol inibia o crescimento bacteriano. 
Apenas 5 anos depois, Ward observa um pouco 
além, conseguindo mostrar que a luz vermelha causa um 
efeito distinto da luz azul em bactérias, constatando que 
comprimentos de onda diferentes causam efeitos letais 
também diferentes na ação germicida. Em 1903, Barnard e 
Morgan conseguiram produzir radiação na faixa de 226-
328nm. 
O desenvolvimento da aplicação da radiação como 
efeito germicida sofreu resistência por parte do 
desenvolvimento concomitante da cloração, mas, a 
primeira técnica tem mostrado vantagens, como por 
exemplo, a dispensação de etapas que objetivem eliminar 
subprodutos do processo, já que a inserção de radiação 
não gera subproduto. 
 
FONTE: LÂMPADAS UV-C 
 
Com um pouco mais de avanço, chegamos à 
instância atual, com a possibilidade de optar entre alguns 
tipos de lâmpadas, a depender da dimensão do projeto. As 
lâmpadas de baixa pressão são aquelas que apresentam 
em seu interior o vapor de mercúrio sob-baixa pressão, 
cerca de 10 torr, cerca de 0,014 atm. Se multiplicarmos por 
um fator de 10 essa pressão, obtemos as lâmpadas de 
média pressão. 
Têm-se ainda, variando a quantidade de vapor de 
mercúrio, as lâmpadas de média pressão de alta 
intensidade. E por fim, porém ainda pouco utilizadas, as 
lâmpadas de amálgamas, que utilizam as ligas de metais 
com mercúrio, ao invés de apenas vapor de mercúrio. 
O princípio de funcionamento da lâmpada se 
assemelha muito ao da lâmpada fluorescente ou de luz 
negra. Um gás contido em um tubo emite fótons quando 
submetidos à eletricidade. No caso da lâmpada 
fluorescente, o revestimento de material fosforoso tem 
seus átomos excitados pelos fótons emitidos pelo gás, 
ocorrendo a emissão estimulada, porém desta vez no 
visível. 
A lâmpada de UV-C assim como a de luz negra, 
porém, não são revestidas com objetivo de se obter 
emissão estimulada, pois já emitem em suas faixas 
desejadas. Alguns revestimentos funcionam como filtro, 
somente para bloquear faixas indesejadas. 
 
 
 
 Figura 1.2. Lâmpadas UVC de vapor de mercúrio de baixa 
pressão. 
 
 
 
 
 
DOSE, TRANSMITÂNCIA E ABSORVÂNCIA 
 
Naturalmente, todo meio constituinte em um 
sistema óptico possui potencial para gerar perdas na 
energia luminosa e dispersões de feixes, fenômenos 
conhecidos como atenuação e dispersão. 
A absorvância no processo de desinfecção diz 
respeito ao quanto de intensidade luminosa foi absorvido 
pelo meio para um determinado comprimento de onda 
emitido, dada por: 
 
Onde I é a intensidade luminosa que consegue 
ultrapassar o meio e I₀ é a intensidade emitida pela fonte. 
 
A relação entre I e I₀ é fornecida pela lei de Deer-
Lambert: 
 
 
Em que “e” é o coeficiente de extinção, L é a 
distância percorrida pela radiação e “c” é a concentração 
da substância absorvente. 
A transmitância, por sua vez, informa sobre o 
quanto de intensidade luminosa venceu o meio e chegou à 
um ponto determinado. É fácil inferir que este é um 
parâmetro inversamente proporcional à absorvância, já 
que quanto mais absorve o meio, menos luz é transmitida 
ao receptor, e vice-versa. Sua fórmula é dada por: 
 
 
Onde A é a absorvância. 
 
A consideração destes parâmetros, medidos pelo 
espectrofotômetro, é de fundamental importância para o 
cálculo da dosagem de radiação eficaz do projeto. 
 A lei de Busen Roscoe diz que a Dose é uma 
função direta do tempo de exposição da radiação e da 
intensidade desta, permitindo manipular reciprocamente 
ambos os fatores através de uso de lâmpadas distintas 
(varia intensidade) ou por mecanismos que regulem o fluxo 
(varia o tempo de exposição), de modo a preservar a dose 
desejada. 
 
 
 
2. SANEAMENTO BÁSICO NO BRASIL 
 
Um grave problema para a qualidade da água é a 
descarga, sem nenhum tratamento, de esgoto domiciliar 
em rios e represas que abastecem as cidades e irrigam as 
plantações. 
No Brasil, segundo o Ministério das Cidades, cerca 
de 60 milhões de brasileiros não são atendidos pela rede 
de coleta de esgoto e, destes, aproximadamente 15 milhões 
não têm acesso à água encanada. Ainda mais alarmante é a 
informação de que, quando coletado, apenas 25% do 
esgoto é tratado, sendo o restante despejado “in natura”, 
ou seja, sem nenhum tipo de tratamento, nos rios ou no 
mar. 
Como resultado dos baixos índices de tratamento, 
65% das internações hospitalares no país são devidos às 
doenças transmitidas pela água, como por exemplo, 
disenteria, hepatite, meningite, ascaridíase,tracoma, 
esquistossomose e outras. Segundo a OMS, mais de cinco 
milhões de pessoas morrem por ano no mundo devido às 
doenças transmitidas pela água. 
Precisamos rever nossa crença de que a água é 
abundante e que estará sempre disponível porque isto 
depende estritamente de como utilizamos e preservamos 
este recurso. 
Quanto mais poluída estiver a água, maior 
quantidade de produtos químicos será necessária para 
torná-la potável para consumo. 
 
 
Figura 2.0. Cerca de 60 milhões de brasileiros não são 
atendidos pela rede de coleta de esgoto. 
 
MECANISMO DE DESINFECÇÃO 
 
A desinfecção por radiação UV baseia-se em 
alterações por fotólise do material genético (DNA, RNA) dos 
organismos presentes no esgoto. O DNA é um polímero de 
ácido nucléico, constituído por uma sequência de quatro 
bases nitrogenadas (adenina, citosina, guanina e timina) 
que constituem o código genético. 
 Essas bases formam as chamadas bases 
emparelhadas (por exemplo, adenina com timina e citosina 
com guanina), ligadas por pontes de hidrogênio. São essas 
ligações que fazem com que as duas fitas do DNA 
permaneçam ligadas, dando origem à estrutura conhecida 
como dupla hélice. 
As moléculas de DNA dos organismos a serem 
inativados absorvem radiações com comprimento de onda 
entre 200 e 300 nm, em especial aquelas em torno de 260 
nm, que alteram sua composição e comprometem sua 
funcionalidade (Daniel, 1993). A radiação UV atravessa a 
parede celular e é absorvida pelos ácidos nucléicos e, em 
menor extensão, pelas proteínas e por outras moléculas 
biologicamente importantes (Daniel e Campos, 1992). 
A energia absorvida rompe as ligações não 
saturadas, principalmente as bases nitrogenadas 
pirimídicas, citosina e timina, provocando a dimerização de 
pirimidinas adjacentes de uma mesma fita de cromossomo 
do DNA (Figura 2.1). Os dímeros formados em consequência 
das alterações provocadas pela radiação UV podem 
resultar em timina–timina, timina–citosina e citosina–
citosina. As moléculas pirimídicas resultantes, uma vez 
unidas, deformam a estrutura helicoidal do DNA e 
dificultam a replicação do ácido nucléico. 
Caso a replicação ocorra, as novas células serão 
mutantes descendentes incapazes de se duplicar. A 
resistência à inativação dos diferentes organismos 
patogênicos por radiações UV varia de acordo com a 
espécie, sendo este um dos principais parâmetros de 
dimensionamento dos reatores UV para desinfecção. 
A tabela 2.1 apresenta uma compilação das doses 
de UV para inativação de diversos organismos (patogênicos 
ou não aos seres humanos), De modo geral, bactérias e 
vírus são muito sensíveis à radiação UV, bastando doses 
efetivas da ordem de 20 mWs/cm² para inativar a maioria 
das espécies. 
Entretanto, o mesmo não pode ser dito de 
protozoários e helmintos, dotados de proteções naturais 
que permitem sua sobrevivência em ambientes adversos. 
As formas encistadas dos protozoários e os ovos de 
helmintos são muito resistentes à radiações UV, exigindo 
doses extremamente elevadas e, na maioria dos casos, 
antieconômicas, para resultar em eficiente inativação. 
 Portanto, esses organismos devem ser retidos 
ou eliminados nas etapas do tratamento que precedem a 
desinfecção UV, o que, em função das consideráveis 
proporções, geralmente ocorre por sedimentação ou 
filtração. 
 
Figura 2.1. Dimerização de bases nitrogenadas adjacentes de 
uma mesma fita de cromossomo do DNA. 
 
 
Tabela 2.1. Doses de radiação UV para inativação de bactérias, 
vírus, algas, protozoários, helmintos e leveduras. 
 
PROCESSO DE DESINFECÇÃO POR RADIAÇÃO UV 
 
Os principais componentes de um processo de 
desinfecção UV são as lâmpadas tipo arco de mercúrio, a 
fonte de energia, os reatores elétricos e o corpo do 
processo. 
A eficiência de um processo de desinfecção de 
esgotos ou água por radiação UV depende dos seguintes 
fatores: 
 Características do afluente 
 
Sabe-se que elevadas concentrações de colóides 
e partículas no esgoto influenciam negativamente a 
desinfecção. Quanto mais clarificado for o afluente ao 
processo, melhor será seu desempenho de desinfecção. A 
vazão afluente e a quantidade de organismos a serem 
inativados também são importantes fatores de influência. 
 
 
Figura 2.2. Comparação entre agua clarificada e com elevada 
turbidez. 
 
 Intensidade da radiação UV aplicada 
 
A intensidade de radiação UV deve ser suficiente 
para suplantar todos os obstáculos e atingir o organismo-
alvo com energia suficiente para inativá-lo. Tal fato deve 
ocorrer em todos os pontos do reator UV, sob pena da 
perda de eficiência em função da existência de regiões 
insuficientemente irradiadas. Outros fatores que afetam a 
intensidade são a idade das lâmpadas, sujeira nas 
lâmpadas e localização das lâmpadas no reator. 
 
 
Figura 2.3. Analise e simulação da intensidade das lâmpadas de 
um reator UV. 
 
 Comportamento hidrodinâmico do reator 
 
O reator deve ser projetado de forma a evitar 
curtos-circuitos e zonas mortas, os quais podem gerar o 
uso ineficiente de energia e redução do tempo de 
exposição dos microrganismos à radiação UV. 
O tempo de exposição dos microrganismos à 
radiação UV depende dos caminhos por eles percorridos ao 
longo do reator e determina a quantidade de radiação a 
qual serão expostos. Como a dose de UV depende da 
variável tempo (Dose = intensidade x tempo), o tempo de 
permanência de todos os organismos alvo deve ser o 
suficiente para compor a dose efetiva mínima para sua 
inativação. 
 
 
Figura 2.4. Analise e simulação do comportamento 
hidrodinâmico do reator UV. 
 
 Configuração do reator 
 
A existência de zonas mortas e de curto-circuito, 
assim como de regiões expostas a maiores ou menores 
intensidades de radiação, depende da configuração do 
reator de desinfecção. 
Outros componentes, como o tipo de lâmpada e a 
existência de dispositivos para eliminação do biofilme 
sobre lâmpadas ou envoltórios, também são importantes. 
 
Figura 2.5. Dispositivos para eliminação do biofilme sobre 
lâmpadas. 
 
TIPOS DE PROCESSOS 
 
Uma das classificações mais usuais para os 
processos UV tem por base o posicionamento das 
lâmpadas em relação ao líquido submetido à desinfecção. 
Os processos em que as lâmpadas são 
posicionadas fora da lâmina líquida são conhecidos como 
processos de lâmpadas emersas ou de não contato. Ainda 
nessa categoria, há processos com lâmpadas externas a 
tubos transparentes, no interior dos quais escoa o líquido. 
Os processos com lâmpadas imersas 
compreendem a utilização de lâmpadas que podem estar 
em contato direto ou não com a corrente líquida. 
Nesse último caso, as lâmpadas encontram-se 
protegidas por um envoltório, geralmente de quartzo, que 
pouco absorve a radiação UV. 
Outro tipo de classificação refere-se à forma de 
escoamento do líquido, que pode ocorrer em canais ou em 
condutos forçados. Resumindo as diferentes opções 
técnicas, tem-se: 
 
Processos com lâmpadas emersas: 
 Escoamento hidráulico em canal; 
 Escoamento hidráulico em conduto forçado. 
 
Processos com lâmpadas imersas: 
 Escoamento hidráulico em canal; 
 Escoamento hidráulico em conduto forçado. 
 
 Processos com lâmpadas emersas 
 
O tipo mais comum de processo com lâmpadas 
emersas é caracterizado pelo escoamento livre do líquido a 
ser desinfetado em um ou mais canais funcionando em 
paralelo, assumindo geralmente o formato de uma mesa 
(Figura 2.6). 
Uma câmara de alimentação dos canais recebe o 
efluente dos processos de tratamento secundário ou 
terciário e reparte a vazão de forma equânime entre oscanais por meio de vertedores triangulares. 
A câmara de recepção do efluente final do reator 
UV encaminha o efluente desinfetado para o emissário de 
esgoto tratado. As lâmpadas UV de baixa pressão podem 
ser posicionadas paralela ou transversalmente ao sentido 
de fluxo do líquido e com espaçamento constante entre 
uma e outra lâmpada (de 5 a 10 cm, geralmente). A geratriz 
inferior de cada lâmpada é posicionada o mais próximo 
possível da lâmina d’água, a fim de otimizar a distribuição 
da radiação UV no líquido. 
Os canais são cobertos por tampas constituídas 
ou revestidas por material refletor da radiação, sendo o 
alumínio um dos materiais mais utilizados para esse fim. As 
tampas melhoram o aproveitamento da radiação UV 
emitida pelas lâmpadas, bem como protegem os 
trabalhadores do contato direto com a radiação. 
O escoamento em conduto forçado não é muito 
comum no caso de processos com lâmpadas emersas. As 
lâmpadas são posicionadas externamente a tubos 
transparentes à radiação UV, em quartzo ou Teflon, por 
onde escoa o líquido a ser desinfetado. 
 
Nesse caso, há necessidade de prever a 
instalação de um dispositivo de limpeza da superfície dos 
tubos que entra em contato com o líquido. A formação de 
depósitos (biofilme) diminui a eficiência de transmissão da 
radiação UV, prejudicando o desempenho do processo. 
 
 
Figura 2.6. Reator UV com lâmpadas emersas, sem tampa de 
proteção dos canais de escoamento (pesquisa UFES). 
 
 Processos com lâmpadas imersas 
 
Nesse tipo de processo, as lâmpadas UV 
trabalham dentro da corrente líquida, normalmente 
protegidas por um envoltório constituído por material com 
baixa absorção da radiação UV (quartzo ou Teflon). O 
quartzo absorve em torno de 5% de radiação ultravioleta, 
enquanto o Teflon, até 35%. 
 
 
Figura 2.7. Comparação da transmitância de alguns materiais e 
o Quartzo. 
Em geral, o envoltório possui a forma de um 
bulbo, com diâmetro da seção transversal minimamente 
superior ao da própria lâmpada. A lâmpada é inserida em 
seu interior, sendo hermeticamente protegida do contato 
com o líquido uma vez fechado o bulbo, o que permite seu 
funcionamento em condições adequadas de temperatura. 
Entretanto, o contato permanente entre o 
envoltório de proteção e o líquido resulta na formação 
paulatina de um biofilme em sua superfície, constituído por 
material orgânico e inorgânico, que prejudica 
sobremaneira a transmissão da radiação UV. 
Um dispositivo para remoção do biofilme é 
obrigatório nesse tipo de processo, a fim de que o 
rendimento da desinfecção se mantenha ao longo do 
tempo. 
Tais dispositivos podem basear-se em processos 
químicos (cloro, ácidos fortes, etc.) ou físicos (ultra-som, 
raspagem simples, etc.). 
 
Reatores UV com escoamento em canal: o arranjo do 
conjunto de lâmpadas depende do tipo de escoamento 
hidráulico utilizado no processo. Os reatores UV em canal 
aberto podem utilizar lâmpadas de baixa pressão, bem 
como lâmpadas de baixa pressão e alta intensidade. O 
posicionamento das lâmpadas pode ser realizado horizontal 
ou perpendicularmente ao sentido de fluxo do líquido no 
canal. Estas também podem ser dispostas paralela ou 
transversalmente ao sentido do escoamento. 
A Figura 2.7 apresenta um reator em canal, com 
lâmpadas imersas inseridas perpendicular e 
transversalmente ao sentido de escoamento do líquido. 
 
 
 
Figura 2.7. Reator UV com escoamento em canal. 
 
 
 
Figura 2.8. Banco de lâmpadas de um reator UV com 
escoamento em canal. 
 
 
Figura 2.9. Manutenção de um banco de lâmpadas de um reator 
UV com escoamento em canal. 
 
 
Reatores UV com escoamento em conduto forçado: o 
escoamento forçado em um conduto opaco, dentro do qual 
se inserem lâmpadas UV com ou sem envoltório de 
proteção, é outra possibilidade. 
Da mesma forma que nos reatores em canais 
abertos, nesse caso as lâmpadas também podem ser 
dispostas paralela ou transversalmente ao fluxo. Também 
nesse caso, é necessária a existência de um dispositivo 
para limpeza das superfícies das lâmpadas ou dos 
envoltórios de proteção que entram em contato direto com 
o líquido. 
 
 
 
Figura 2.10. Sistema reator UV tipo escoamento em conduto 
fechado com etapa de filtração anterior. 
 
CONCLUSÃO 
 
A utilização da tecnologia de radicação 
ultravioleta possui diversas aplicações e se mostra muito 
interessante em tratamentos de afluentes e efluentes de 
água e esgoto. 
Durante a pesquisa observamos varias vantagens 
dessa tecnologia. A não adição de produtos químicos e a 
não formação de subprodutos durante o tratamento de 
água e esgoto constituem as principais vantagens do 
sistema. 
 A instalação pode se de pequena, média e grande 
porte. Assim o sistema de desinfecção por radiação 
ultravioleta pode tanto atender um único consumidor ou 
milhares deles, no caso de grandes estações de 
tratamento. 
 Por fim, por ser um sistema simples e eficiente 
ele pode ser utilizado em regiões remotas. Podendo ser 
alimentado por painéis fotovoltaicos em regiões sem 
acesso a energia elétrica. Situação muito comum em 
regiões de extrema pobreza, e que por sua vez, também 
não possuem acesso a agua potável. 
 
 
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
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fotorreativação e obtenção de parâmetros cinéticos. 1993. 164 f. 
Tese (Doutorado em Hidráulica e Saneamento) – Escola de Engenharia 
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GONCALVES, R. F.; CORAUCCI FILHO, B. ; CHERNICHARO, Carlos Augusto 
Lemos ; ANDRADE, C. O. ; JÜRGENSEN, D. ; JORDÃO, E. P. ; LAPOLLI, F. R. ; 
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SANT'ANA, T. D. ; SILVA, V. P. . Desinfecção de efluentes sanitários. 1. 
ed. Rio de Janeiro: ABES, 2003. V. 1. 
ANEXO A 
 
Esquemas de funcionamento e de instalação do reator UV tipo escoamento em conduto fechado. 
 
Figura 3.1. Principio de funcionamento de um reator UV tipo escoamento em conduto fechado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.2. Exemplo de instalação de um reator UV tipo escoamento em conduto fechado com elementos filtrantes. 
 
 
fdfdfdf 
Reator UV 
Etapa de filtração