BR202013015650U2 - Ultraviolet radiation system for fluid sterilization with auto-cleaning system - Google Patents

Description

SISTEMA DE RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA PARA ESTERILIZAÇÃO DE FLUIDOS COM SISTEMA AUTO-LIMPANTE O presente modelo de utilidade destina-se à esterilização de fluidos, incluindo a inativação de larvas e microrganismos a partir da aplicação de radiação ultravioleta (RUV) em uma seção de escoamento confinada em uma câmara hiperbárica, a qual um sistema auto-limpante interno. O dispositivo tem como principal característica o fato de ser equipado com um sistema auto-limpante que tem a função de impedir que partículas em suspensão se fixem na superfície interna da câmara e dos tubos que envolvem as lâmpadas e/ou sistemas similares de emissão de RUV. O emprego mais usual da RUV tem sido em sistemas de esterilização, principalmente em estações de tratamento de água destinada ao consumo humano. Em relação aos sistemas públicos de abastecimento dos Estados Unidos da América, a Agência Americana de Proteção Ambiental (USEPA) tem recomendado o emprego de RUV na desinfecção de águas subterrâneas, com especial ênfase aos sistemas de pequeno porte (PARROTTA, M.J., BEKDASH, F., UV disinfection of small groundwater supplies, Jounal American Water Works Assoe, v. 90,1988). Essa desinfecção da água também pode ocorrer de forma sustentável, como é observado em navios de passageiros nos quais o sistema de tratamento aproveita a RUV proveniente da luz solar.

Os sistemas de RUV apresentam custo compatível aos de cloração, além de apresentar como outra vantagem o fato de a formação de subprodutos do emprego da RUV ser praticamente desprezível; anulando a perspectiva de danos ambientais, como por exemplo, a formação de um composto cancerígeno denominado THM (Trihalometano), formado pela reação entre a matéria orgânica e o cloro.

Radiações eletromagnéticas, no comprimento de onda de 240 a 280 nm constituem-se um efetivo agente desinfetante e a emissão da RUV, especificamente, corresponde à porção do espectro eletromagnético entre os raios X e a luz visível. O espectro da RUV é dividido, em função do comprimento de onda, em três bandas: UV-A, UV-B e UV-C. Como agente desinfetante, a eficiência da RUV é mais expressiva no comprimento de onda de 253,7 nm. Por esta razão, comumente utilizam-se lâmpadas de UV de baixa pressão de vapor de mercúrio ou monocromáticas, que emitem de 85 % a 90 % de radiações no comprimento de onda de 254 nm. (LAZAROVA 1999, LAZAROVA, Z., et al Advanced wastewater disinfection technologies: Short and long term efficiency. Water Science and Tecnology. v. 38, n. 12, p. 109-117, 1999).

Os efeitos deletérios e de inativação mais importantes da RUV ocorrem em nível de DNA, principalmente junto às chamadas de bases pirimídicas (sistema timina-arginina) e junto às ligações dissulfeto, presentes nos complexos proteicos e enzimátiGOS. Tais efeitos da RUV são responsáveis por provocar alterações no ciclo bioquímico, o que pode levar à morte celular (OLIVEIRA, E. desinfecção de efluentes sanitários tratados através da radiação ultravioleta, 2003). A absorção de radiação pelas partículas suspensas e coloidais e pelo próprio líquido é obtida segundo a Lei de Lambert Beer. As intensidades de radiação máxima e mínima ocorrerão, respectivamente, na superfície e no ponto mais afastado no interior da unidade de desinfecção. Tais intensidades se relacionam à quantidade de energia recebida por unidade de área e suas determinações só são possíveis por meio de radiômetros ou actinômetros. A precisão da medida realizada com radiômetros está associada à sensibilidade do equipamento aos comprimentos de onda de interesse e ao número de medições realizadas em diferentes pontos no interior da unidade de desinfecção. Como o campo de intensidade dentro da unidade de desinfecção pode variar significativamente, fenômeno observado principalmente em reatores de maior porte, torna-se difícil a determinação da intensidade média relativa ao volume total. Desta forma, para esta determinação, utilizam-se substâncias actinométricas, que sofrem reações fotoquímicas em comprimentos de onda específicos (REINALDO. M. avaliação do processo fotocatalítico na desinfecção de efluentes anaeróbios de águas residuárias, 2006). Vários fatores intervenientes na desinfecção por agentes químicos também o são para RUV. Dentre eles destacam-se as características físico-químicas da água, cor e turbidez, visto que, diversas pesquisas têm mostrado a menor relevância do pH, do tipo e da concentração de microrganismos. Outro aspecto associado a ambos agentes de desinfecção acima citados é o fato de estudos constatarem que as distintas configurações dos sistemas de desinfecção têm dificultado o estabelecimento de doses mínimas. Ainda assim, doses mínimas de 16 a 38 mW.s/cm2são recomendadas por diversos órgãos e normas para os mais variados fins do efluente tratado. Subliminarmente as doses desta magnitude, inserem-se em baixíssimos tempos de contato, sendo no caso de algumas estações canadenses inferiores a 10 s, como uma das principais vantagens da RUV, acelerando o processo de desinfecção. (REINALDO. M. avaliação do processo fotocatalítico na desinfecção de efluentes anaeróbios de águas residuárias, 2006).

Além disso, a técnica de desinfecção com RUV apresenta alta eficiência para uma ampla gama de microrganismos, incluindo até cistos e oocistos de protozoários, além da simplicidade e o baixo custo associados à operação e manutenção do sistema (REINALDO. M. avaliação do processo fotocatalítico na desinfecção de efluentes anaeróbios de águas residuárias, 2006). O impacto das características da água na eficiência da RUV foi avaliado em pesquisa com unidade-piloto de RUV, aplicada à desinfecção da água, sintetizada para a pesquisa, com cor verdadeira de 20 a 30 uC, turbidez de 0 a 5 uT e 20 a 30 uT, e concentração de “E coif variando de 103 a 10® NMP/100 mL. A unidade de desinfecção apresentava Im da ordem de 0,035 mW/cm2e os ensaios foram conduzidos com tempo de detenção real de 1 a 5 min, culminando com doses da ordem 2,1 a 10,5 mW.s/cm2. Os ensaios experimentais realizaram-se em regime de batelada, não ocorrendo curto-circuito (AGUIAR, A. M. S. et al. - Avaliação do emprego da radiação ultravioleta na desinfecção de águas com turbidez e cor moderadas, Rev. Eng. Sanitária e Ambiental., v.7, n.1-2, p.37-47, 2002).

Foi constatado que as partículas suspensas na água utilizada no estudo também interferem na eficiência do processo. Assim sob este aspecto, as partículas devem ter tamanho igual ou superior ao dos microrganismos dispersos no meio líquido para que possam interferir no processo de inativação. Como a bactéria “E coii' tem tamanho médio variando de 2,0 a 3,0 pm, realizou-se a filtração da água com turbidez mais elevada (20 a 30 uT) em membranas de 3,0 pm. A determinação da turbidez antes e depois da filtração indicou que a maior parte das partículas suspensas da amostra corresponde à parcela retida em membrana de poros cujos diâmetros equivaliam ao tamanho estimado das bactérias. Assim, pôde-se inferir que as partículas dispersas no meio apresentavam pelo menos o mesmo tamanho dos microrganismos utilizados na contaminação das águas de estudo, sendo passíveis de protegê-los da ação do desinfetante. (AGUIAR, A. M. S. et al. - Avaliação do emprego da radiação ultravioleta na desinfecção de águas com turbidez e cor moderadas, Rev. Eng. Sanitária e Ambiental., v.7, n.1-2, p.37-47, 2002).

Como foi apresentada no paragrafo anterior a eficiência do sistema de esterilização está ligada à baixa turbidez da água. Sendo assim, o sistema acima descrito poderá ser utilizado com sucesso para a desinfecção de águas destinadas ao abastecimento sanitário e também ao esgotamento sanitário, uma vez que este já terá sido submetido a tratamentos anteriores (e, portanto, terá a turbidez já reduzida). Tal sistema também atua na inativação do “Limnoperna fortunei”, devido ao fato de o afluente comumente advir de grandes reservatórios de acumulação, ou seja, ambientes lênticos, nos quais apresentam turbidez de menor magnitude.

Além dos documentos e estudos supracitados, foram encontrados no estado da técnica referências patentárias que relatam dispositivos de esterilização utilizando a radiação ultravioleta. O pedido de patente PI0801853-7 A2, intitulado de “Dispositivo a base de emissor de luz led ultravioleta profundo utilizado para a desinfecção e esterilização de água residuária urbana sanitária e pluvial”, apesar de utilizar a luz led ultravioleta para desinfectar e esterilizar a água, não apresenta nenhum mecanismo de limpeza das lâmpadas emissoras de RUV. O pedido de patente EP 0 809936 A1, “Method and apparatus for controlling zebra mussels and other bivalves using ultravioleta radiation”, também não apresenta nenhum mecanismo automatizado de limpeza das lâmpadas sendo necessária a realização de limpeza manual realizada pelo operador. Já os pedidos US 2012/0216843 A1, intitulado “UV desinfection system with contactless cleaning” e o WO 02/096811 A1, intitulado “Cleaning system for UV disinfection module”, se assemelham à presente tecnologia pelo fato de as lâmpadas emissoras de RUV estarem dispostas paralelamente e fixadas em um suporte. Contudo, nenhuma das tecnologias apresenta mecanismos de limpeza das lâmpadas, sendo necessária a retirada das mesmas dos suportes para que seja feita a limpeza manual.

Como visto acima, apesar de existirem vários documentos no estado da técnica que sugerem a limpeza manual das lâmpadas de RUV (ou compartimentos que as contêm) presentes nos sistemas de desinfecção de águas que utilizam a RUV, constata-se que nenhum dos documentos propõe a utilização de um sistema dotado de mecanismo hidráulico de limpeza (e auto-limpante) das lâmpadas emissoras de RUV. A presente tecnologia é acionada hidraulicamente e através da inversão periódica do sentido do fluxo de água no interior do sistema de RUV. Isso é possível graças à instalação de um temporizador que irá acionar uma válvula elétrica, que inverte periodicamente a entrada e a saída de água do sistema. O sistema também é equipado com um raspador que é arrastado com o fluxo e que periodicamente promove a retirada mecânica do material aderido na superfície das lâmpadas ou emissores de RUV.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A Figura 1 mostra a vista em perspectiva do dispositivo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO O presente modelo de utilidade é composto de uma tubulação de entrada (1) do fluido, acoplada ao controlador elétrico (2), de modo que este contém duas válvulas e um temporizador de mudança de direção de fluxo, uma tubulação que está acoplada ao controlador elétrico (2) e à entrada superior (5) da câmara hiperbárica (12) de seção cilíndrica, quadrada, retangular ou em outro formato, preferencialmente cilíndrica; e uma entrada inferior (6) que está acoplada ao controlador elétrico (2) e à da câmara hiperbárica (12); a câmara hiperbárica (12) contém tubos (9) de cristal ou vidro, que atravessam ao longo da seção longitudinal de (12) e ortogonalmente às faces superior e inferior de (12), dentro dos quais estão inseridas as lâmpadas (10) emissoras de RUV; no interior de (12) e paralelamente a ele, tem-se um cilindro raspador (11) vazado com pelo menos um furo (13), sendo que o número de furos pode variar conforme o número de lâmpadas, de um até uma quantidade compatível com o volume e a turbidez da água que irá escoar pela seção, distribuídos espacialmente de forma uniforme em suas faces circulares, garantindo assim que todo o liquido que atravesse a seção transversal da câmara (12) por onde passam os tubos (9) receba a mesma intensidade de RUV e apresente livre deslocamento ao longo da seção longitudinal da câmara hiperbárica (12); esta, por sua vez, possui duas saídas: uma superior (7) e uma inferior (8), ambas acopladas ao segundo controlador elétrico (3), onde neste estão contidas duas válvulas e um temporizador de mudança de direção de fluxo; por fim, o controlador elétrico apresenta a tubulação de saída (4) (Figura 1).

As dimensões do sistema de RUV, objeto do presente modelo de utilidade, serão definidas em função da vazão a ser tratada e da turbidez da água, ou seja, águas com elevada turbidez e com maior quantidade de microrganismos e larvas demandará um sistema com maior número de lâmpadas e consequentemente maiores dimensões, além disso, com menores intervalos de tempo de limpeza das lâmpadas. Assim, a água a ser desinfetada entra no sistema por meio de uma tubulação (1) acoplada a um controlador elétrico de entrada (2) que direciona o fluxo, por meio do acionamento de duas válvulas internas ao controlador, ao sistema de alimentação superior (5), ao mesmo tempo em que envia sinal para o fechamento da saída superior (7); e fechando a passagem de água no alimentador inferior (6), ao mesmo tempo em que envia sinal para a abertura da saída inferior (8). Após um tempo pré-determinado, o controlador inverte a abertura/fechamento das válvulas, fazendo com que se inverta o sentido do fluxo da água. Assim a entrada de água se transforma na saída de água e esta se transforma na entrada do sistema. A água penetra a câmara de RUV - de seção cilíndrica, quadrada, retangular ou em outro formato (12) - e empurra o raspador (11) que tem a função de remover o material aderido à superfície da câmara e dos tubos que envolvem as lâmpadas. Esse raspador possui um conjunto de furos (13) por onde passam tubos (9) de cristal, vidro ou outro material que não bloqueie a RUV. Ao atingir o final do curso, o raspador efetuou a limpeza das paredes dos tubos de vidro - dentro dos quais há um conjunto de lâmpadas ou emissores de RUV (10) - e da parede interna da câmara, permanecendo posicionado de modo a não interferir na radiação. Após passar pela câmara a água sai pelos tubos de saída (7) e (8) e é encaminhada para o controlador elétrico de saída (3) e, finalmente, é descartada pela tubulação de saída (4) que irá alimentar o circuito de refrigeração da turbina.

No ciclo inverso, após um período de tempo o controlador fecha a passagem de alimentação superior (5), abrindo a saída (7), e abre a passagem no alimentador inferior (6), fechando a saída (8). A água adentra á câmara de RUV - de seção cilíndrica, quadrada, retangular ou em outro formato (12) pela parte inferior por meio do alimentador inferior (6), e empurra/desloca o raspador (11) que tem a função de remover o material aderido à superfície interna da câmara e dos tubos que envolvem as lâmpadas. Esse raspador possui um conjunto de furos (13) por onde passam tubos (9) de cristal, vidro ou outro material que não bloqueie a RUV. Ao atingir o final do curso, o raspador efetuou a limpeza das paredes dos tubos de vidro - dentro dos quais há um conjunto de lâmpadas ou emissores de RUV (10) - e da parede interna da câmara, permanecendo posicionado de modo a não interferir na radiação. A limpeza do raspador é feita pelo próprio fluxo de água dentro do sistema de esterilização.

Abaixo são listadas as vantagens de utilização do presente modelo de utilidade: i) o sistema possui um limpador/raspador automático temporizado acionado por energia hidráulica e controlado por um sistema eletrônico de acionamento de entrada e de saída que operam em fase; ii) o acionador do raspador/limpador é movido por energia hidráulica (pressão). Consequentemente, o modelo de utilidade proposto não tem um conjunto de motores e de pistões de acionamento que implicam em elevado custo de manutenção; iii) o sistema é comandado por controladores eletrônicos que acionam um conjunto de válvulas e isso permite variar a frequência de passagem do raspador em função da taxa de infestação de larvas e microrganismos e da turbidez na água a ser esterilizada, mantendo limpa a superfície dos tubos, aumentando assim a eficiência do sistema de inativação.

REIVINDICAÇÃO

Claims (1)

1. “Sistema de radiação ultravioleta para esterilização de fluidos”, caracterizado por compreender uma tubulação de entrada (1) do fluido, acoplada ao controlador elétrico (2), de modo que este contém duas válvulas e um temporizador de mudança de direção de fluxo, uma tubulação que está acoplada ao controlador elétrico (2) e à entrada superior (5) da câmara hiperbárica (12) de seção cilíndrica, quadrada, retangular ou em outro formato, preferencialmente cilíndrica; e uma entrada inferior (6) que está acoplada ao controlador elétrico (2) e à da câmara hiperbárica (12); a câmara hiperbárica (12) contém tubos (9) de cristal ou vidro, que atravessam ao longo da seção longitudinal de (12) e ortogonalmente às faces superior e inferior de (12), dentro dos quais estão inseridas as lâmpadas (10) emissoras de RUV; no interior de (12) e paralelamente a ele, tem-se um cilindro raspador (11) vazado com pelo menos um furo (13), sendo que o número de furos pode variar conforme o número de lâmpadas, de um até uma quantidade compatível com o volume e a turbidez da água que irá escoar pela seção, distribuídos espacialmente de forma uniforme em suas faces circulares, garantindo assim que todo o liquido que atravesse a seção transversal da câmara (12) por onde passam os tubos (9) receba a mesma intensidade de RUV e apresente livre deslocamento ao longo da seção longitudinal da câmara hiperbárica (12); esta, por sua vez, possui duas saídas: uma superior (7) e uma inferior (8), ambas acopladas ao segundo controlador elétrico (3), onde neste estão contidas duas válvulas e um temporizador de mudança de direção de fluxo; por fim, o controlador elétrico apresenta a tubulação de saída (4).