Análise CFD do processo de desinfecção de água por ozonização
Atualizado: 18 de nov. de 2025
Índice :
1. Introdução
O ozônio é utilizado como desinfetante e agente oxidante na purificação de água potável e, mais recentemente, tem sido adotado para aprimorar o tratamento de águas residuais municipais, visando à sua reutilização como água potável e à proteção do ecossistema.
Neste estudo, investigamos a reação entre o ozônio e o Carbono Orgânico Total (COT), bem como a formação de Bromato (BrO3-).
O carbono orgânico total (COT) é uma medida da quantidade de compostos orgânicos contidos numa amostra de água. A matéria orgânica pode ser tóxica para o ambiente em rios ou correntes. Ao diminuir os níveis de oxigénio na água, os resíduos orgânicos podem levar à asfixia dos peixes e afetar os ecossistemas hídricos de muitas outras formas.
2. Metodologia de Simulação
A utilização de ozônio no tratamento de água enfrenta o desafio da formação de bromato. Se a água de entrada contiver brometo, o bromato será gerado na etapa de ozonização. Como o bromato é conhecido por ser carcinogênico, é de extrema importância otimizar o processo de tratamento e minimizar ou eliminar a formação de bromato.
A modelagem cinética baseada em reações, utilizando o FLOW-3D HYDRO, foi empregada para investigar o impacto das condições operacionais (concentração inicial de brometo, carbono orgânico total) na formação de bromato. O sistema de reação utilizado na presente simulação engloba 6 espécies (ozônio, carbono orgânico total 'COT', brometo, hipobromito, bromito e bromato).
A geometria do tanque de contato utilizado neste estudo é ilustrada na Figura. Este tanque de contato é composto por três câmaras, com dimensões totais de 16,7 metros de comprimento, 5 metros de largura e 7 metros de altura, respectivamente. A água flui através de uma abertura retangular com 5,0 metros de largura e 1,2 metros de altura.
Para atingir o objetivo do estudo, é necessário considerar e discutir quatro etapas:
Modelar ambos os processos
Aumentar a quantidade de ozônio
Aprimorar a mistura
Otimizar o tempo de residência
3. Processo de Ozonização
O processo de ozonização foi modelado por meio do método de cinética de reação, com as equações químicas sendo estabelecidas conforme descritas no estudo de Zhang et al. (2014).
◻ Condições da Análise:
◾ Utilização de 5 difusores de ozônio com a vazão de volume de 0,1 m³/s cada.
◾ Concentração de ozônio em cada difusor: 0,005 kg/m³.
◾ Concentração de COT na entrada: 4,9 kg/m³.
4. Resultados Obtidos
Monitorar o Teor de Carbono Orgânico Total (TOC) é crucial para avaliar a eficácia da remoção de matéria orgânica durante o processo de ozonização. Ao mesmo tempo, o acompanhamento das concentrações de Bromato é essencial para assegurar a conformidade com os padrões regulatórios e reduzir os potenciais riscos à saúde associados aos subprodutos da desinfecção.
Este vídeo abaixo demonstra os resultados do caso de 5 difusores de gás ozônio.
Uma estratégia para controlar a formação de Bromato envolve o Controle de Dosagem de Ozônio. O FLOW-3D HYDRO pode nos auxiliar a determinar a localização ideal para a injeção de ozônio e a dosagem apropriada de ozônio, visando minimizar a formação de Bromato. Nesta simulação, incluímos mais 5 difusores na segunda câmara, elevando o total de difusores para 10, com uma vazão total de 1 m³/s de gás de ozônio. Quando a proporção de ozônio dobrar, a quantidade de carbono orgânico total diminuirá em 110,4%.
E esta é uma comparação entre dois casos (5 e 10 difusores)
Esta simulação demonstra dois estudos de caso do processo de ozonização em um tanque de desinfecção, com/sem o uso de deflectores, foram tiradas as seguintes conclusões:
As curvas demonstram um aumento gradual ao longo do tempo, partindo do zero até atingir um ponto crítico, onde o ozônio começa a reagir com o carbono orgânico, levando à sua diminuição.
Antes do ponto crítico, as curvas são semelhantes, no entanto, após esse ponto, os deflectores atrasam o consumo de ozônio em 50 segundos, proporcionando uma melhor mistura e um aumento no tempo de residência no tanque.
Apesar de a quantidade de bromato "BrO3-" ser diretamente proporcional à quantidade de ozônio, a melhoria na mistura e o aumento do tempo de residência resultam em uma redução na quantidade de bromato "BrO3-".
Este vídeo abaixo demonstra os resultados do caso de 10 difusores com 6 câmaras.
Esta figura representa a quantidade de ozônio em quatro estudos de caso. As conclusões a serem tiradas são as seguintes:
As curvas mostram um aumento gradual com o tempo, partindo do zero até atingirem um ponto crítico, onde o ozônio começa a reagir com o carbono orgânico, levando à sua diminuição até atingir zero.
A análise dos 5 difusores demonstra a menor quantidade de ozônio.
O tempo do ponto crítico é aproximadamente 150 segundos para todas as análises.
As curvas para os 10 difusores, com ou sem defletores, são semelhantes antes do ponto crítico, mas após esse ponto, os defletores atrasam o consumo de ozônio em 50 segundos, o que proporciona uma melhor mistura e um aumento do tempo de residência no tanque.
A análise das 6 câmaras apresenta os melhores resultados, com uma quantidade de ozônio de 0,6 kg e um tempo de residência máximo de 640 segundos.
4. Conclusão
A análise foi conduzida para investigar os impactos de diversas variáveis nos processos hidrodinâmicos, transporte, mistura e desinfecção. Os resultados da simulação indicam que o projeto de tanques de desinfecção deve considerar dois aspectos essenciais: em primeiro lugar, a minimização de curtos-circuitos para garantir uma exposição adequada e uniforme do desinfetante aos patógenos; em segundo lugar, o aumento do tempo de residência devido à retenção do desinfetante em zonas inativas, o que invariavelmente propicia a formação de subprodutos da desinfecção. Todavia, essas simulações têm o potencial de oferecer uma avaliação mais precisa de tanques de desinfecção recém-projetados ou modernizados para diversas circunstâncias.
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