UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO DO SUL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE HIDRÁULICA E TRANSPORTE
CRISTINA DE ARRUDA FERREIRA
DESINFECÇÃO SOLAR (SODIS) DE ÁGUA CINZA EM
SISTEMAS DE FLUXO CONTÍNUO E BATELADA
CAMPO GRANDE
2009
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO DO SUL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE HIDRÁULICA E TRANSPORTE
CRISTINA DE ARRUDA FERREIRA
DESINFECÇÃO SOLAR (SODIS) DE ÁGUA CINZA EM
SISTEMAS DE FLUXO CONTÍNUO E BATELADA
Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao Curso de
Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Mato
Grosso do Sul, como requisito parcial para conclusão de
Graduação em Engenharia Ambiental.
Orientadora: Prof.ª Dr.ª Paula Loureiro Paulo
Banca Examinadora:
Prof.ª Dr.ª Paula Loureiro Paulo
Orientadora
Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Prof. Dr. Marc Árpád Boncz
Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Campo Grande
2009
Me Carlos Afonso Salles
DEDICATÓRIA
Aos meus pais,
meus maiores mestres
ii
AGRADECIMENTOS
À Deus, por me guiar.
Aos meus pais Renato Eboli e Maria Auxiliadora, pela pessoa que sou hoje e por me darem
apoio, amizade, amor e oportunidades durante essa jornada, não me deixando faltar nada.
Aos meus avós Antonio de Arruda e Inalva, pelo amor, preocupação, confiança e, claro, pelos
inúmeros almoços.
À minha avó Maria Regina, que, mesmo morando longe, sempre se preocupou comigo,
estando presente sempre no meu coração.
À minha “bibi” Dalva, por cuidar de mim desde pequena.
À minha irmã, amiga e colega de profissão, Flávia de Arruda, pelos conselhos, conversas,
amizade e, também, pelas brigas que sempre nos fazem refletir e crescer.
À Professora Doutora Paula Loureiro Paulo, pela orientação para a realização deste trabalho.
À futura Mestre Natalia Pansonato, pela importante colaboração para elaboração deste
trabalho.
Ao grupo de pesquisa da Prof.ª Dr.ª Paula e aos funcionários e amigos do LAQUA, pela ajuda
e apoio durante todo o período dos experimentos deste trabalho.
À Professora Me Cássia Rejane Brito Leal, professora da veterinária, e ao técnico Rodenir,
por disponibilizar material necessário para realização dos testes.
Às minhas amigas Corumbaenses que nunca me deixaram, pela amizade, diversão, conselhos
durante todos esses anos.
Às minhas novas amigas, Claudia Azevedo, Letícia Solano, Mariana Massud, Gilmara
Galache e Rafaela Brehm, pelo companheirismo durante esses 5 anos, dividindo alegrias,
tristezas, frustrações, dúvidas, “nóias”, novidades (fofocas), me fazendo entender que cada
pessoa tem um jeito de pensar, de agir, de ser e que é possível a convivência harmoniosa
quando essas diferenças são respeitadas e que cada um tem algo de bom para ensinar ao outro.
Aos meus colegas de classe, pelos estudos em grupo, diversão, churrascos e comédias.
iii
SUMÁRIO
DEDICATÓRIA................................................................................................................... ii
AGRADECIMENTOS ........................................................................................................ iii
SUMÁRIO ........................................................................................................................... iv
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................... v
LISTA DE TABELAS......................................................................................................... vi
RESUMO ............................................................................................................................. 7
ABSTRACT ......................................................................................................................... 7
INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 8
METODOLOGIA .............................................................................................................. 10
EXPERIMENTO COM BATELADA.......................................................................................... 10
EXPERIMENTO CONTÍNUO .................................................................................................. 11
ANÁLISE DAS AMOSTRAS E DADOS CLIMÁTICOS ................................................................. 13
RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................................ 13
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ......................................................................... 18
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 19
iv
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - Protótipo do sistema de fluxo contínuo...............................................................12
FIGURA 2 - Concentrações de E. coli das amostras A1, A1NH e A2 durante o
tempo de exposição de 24 horas..........................................................................15
FIGURA 3 - Crescimento de algas no sistema em fluxo contínuo...........................................18
v
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Crescimento de algas no sistema em fluxo contínuo...........................................11
TABELA 2 - Horário de coleta das amostras no experimento em fluxo contínuo
para o TDH 24h e 18h..........................................................................................12
TABELA 3 - Concentração e remoção de coliformes totais (C.T.) e E. coli nas
amostras de água cinza A1, turbidez inicial de 88 UNT, e A2,
turbidez inicial de 1,3 UNT, durante o experimento em batelada........................14
TABELA 4 – Concentração e remoção de coliformes totais e E. coli no
sistema de fluxo contínuo com TDH de 18 horas................................................16
TABELA 5 - Eficiência do sistema de fluxo contínuo em com TDH de 24 horas...................17
vi
7
DESINFECÇÃO SOLAR (SODIS) DE ÁGUA CINZA EM
SISTEMAS DE FLUXO CONTÍNUO E BATELADA
SOLAR DISINFECTION (SODIS) OF GREYWATER IN
CONTINUOUS FLOW REACTOR AND BATCH SYSTEM
Cristina de Arruda Ferreira
Acadêmica de Engenharia Ambiental da UFMS
Paula Loureiro Paulo
Engenheira Química pela UEM (1992), mestre em Engenharia de Saúde Pública pela Leeds
University – Inglaterra (1997), doutora em Ciências Ambientais pela WUR - Holanda (2002)
e pós-doutora pela WUR – Holanda (2003).
Resumo
O presente trabalho avaliou a eficiência da desinfecção solar (SODIS) no pós-tratamento de
águas cinza. Os experimentos realizados foram: i) em batelada (garrafas PET de 0,5L),
avaliando o efeito da turbidez na eficiência do sistema e ii) em reator contínuo em escala
piloto (garrafas PET de 2L conectadas), testando diferentes tempos de detenção hidráulicos
(TDH) de 18 e 24 horas. Os resultados obtidos indicaram que o método SODIS tem potencial
para inativação de coliformes totais e E. coli como sistema de pós-tratamento da água cinza,
verificando redução de 4,2 unidades logarítmicas de E. coli em amostra com baixa turbidez
(1,5 UNT) e tempo de exposição de 6 horas, e eficiência de remoção de 100% para coliformes
totais no sistema contínuo para TDH de 24 horas. Verificou-se a interferência da turbidez na
desinfecção solar durante o período de exposição solar. No sistema contínuo foram
observados problemas com crescimento de algas e operação/manutenção do reator.
Palavras – chave: SODIS, pós-tratamento, água cinza, turbidez, reator contínuo
Abstract
This paper assessed the efficiency of solar desinfection (SODIS) in post-treatment of
greywater. Experiments were performed in: i) batch mode (0,5L PET-bottles), testing the
effect of turbidity on system efficiency and ii) in a continuous pilot-scale reactor
(interconnected 2L-PET bottles), testing different hydraulic retention times (HRT) of 18h and
24h. The results obtained indicate that SODIS method has potential for total coliforms and
E.coli inactivation in the pre-treated greywater, noting 4,2- log unit reduction of E. Coli for
low turbidity samples (1,5 NTU) and exposure time of 6 hours, and removal efficiency of
100% to total coliforms (and E. coli, when present) for the 24h HRT – continuous prototype.
Turbidity interference on solar disinfection during the period of sun exposure was observed.
In the continuous system problems were observed with growth of algae and operation /
maintenance of reactor.
Keywords: SODIS, post-treatment, greywater, turbidity, continuous reactor
8
Introdução
As grandes concentrações urbanas brasileiras apresentam condições críticas de
sustentabilidade hídrica devido ao excesso de cargas poluidoras domésticas e industriais, que
contaminam os mananciais, associado a uma forte demanda de água (TUCCI, 2001). Soma-se
a esses fatores, o saneamento básico precário de regiões desprovidas de infra-estrutura
apresentando, assim, um dos principais problemas da sociedade atual.
A inexistência de sistemas de abastecimento de água e coleta de esgoto acarreta a
disseminação de doenças de veiculação hídrica como diarréia, cólera, febre tifóide, hepatite
A, amebíase, disenteria bacilar entre outras (FUNASA, 2006). Ressalta-se ainda, a
possibilidade da degradação ambiental decorrente da disposição inadequada de efluentes
gerados pelas atividades humanas.
O Saneamento Ecológico tem como princípios o aumento da disponibilidade hídrica
pela economia e reúso de água, a descentralização do tratamento de efluentes, a proteção dos
recursos hídricos pelo não lançamento de esgoto - tratado ou não - nos cursos de água, a
segregação do esgoto na fonte, possibilitando a reutilização racional de todos os nutrientes
presentes (WINBLAD & SIMPSON-HÉRBERT, 2004). É um sistema alternativo ao
saneamento básico convencional não muito popular no Brasil, mas com um grande potencial
para sua implementação devido a situação deficiente de esgotamento sanitário no país. No
Estado de Mato Grosso do Sul, por exemplo, em 2007 somente 47,2% dos domicílios
apresentavam rede coletora de esgoto ou fossa séptica (IBGE, 2007).
A água cinza é o efluente doméstico que não possui contribuição de bacias sanitárias,
sendo oriundo de banheiras, chuveiros, lavatórios, lavanderia e cozinha e representa cerca de
70% do volume total do esgoto doméstico (LEAL et al., 2007). As principais características
deste tipo de efluente são a presença de matéria orgânica (gorduras, óleos e substâncias
orgânicas provenientes da cozinha) e a baixa concentração de patógenos e poluentes, se
comparado ao esgoto doméstico combinado (RIDDERSTOLPE, 2004). Tais características
podem variar de acordo com as atividades domésticas relacionadas, os costumes familiares,
estilo de vida, faixa etária e produtos químicos utilizados para limpeza (PHILIPPI et al.,
2005).
Na água cinza bruta, parâmetros como sólidos em suspensão (SS) e turbidez
apresentam uma ampla faixa de concentração, variando de 17 - 330 mg/L e de 15 - 240 NTU,
respectivamente (FRIEDLER, 2004). Os materiais em suspensão atribuem um aspecto
desagradável ao efluente, além de abrigar microrganismos, podendo haver rejeição dos
usuários no caso de um reúso sem tratamento (BAZZARELLA et al., 2005).
O reúso da água cinza, bem como a racionalização do uso de água, promove a
preservação de água de melhor qualidade para fins potáveis e reduz a poluição no meio
ambiente (BAZZARELLA et al., 2005). É comumente aplicado para fins menos nobres como
irrigação de jardins, lavagem de carros e calçadas. O emprego de tecnologias simples e pouco
onerosas para a desinfecção possibilita o reúso do efluente para atividades mais nobres como
irrigação de hortas, lavagem de roupas e descarga de vasos sanitários. (RIDDERSTOLPE,
2004). Para irrigações restritas (áreas sem contato direto do público e culturas não
comestíveis) o valor recomendado é abaixo de 105 NMP/100mL de E. coli; e para irrigações
irrestritas, abaixo de 103 NMP/100mL (WHO, 2006). Para reúso em descarga de vasos
sanitários, recomenda-se a ausência de coliformes termotolerantes (ANA/FIESP &
SINDUSCON/SP, 2005).
Conforme Ottosson (2003), o principal risco da água cinza provém da presença de
agentes patogênicos. Embora não haja a contribuição do efluente das bacias sanitária, a
contaminação fecal está relacionada a atividades como lavagem de roupas fecalmente
contaminadas, lavagem das mãos após uso de sanitários, banho em crianças e manipulação de
9
alimentos crus (OTTOSSON, 2003). Além disso, o crescimento de bactérias entéricas na água
cinza é favorecido pela presença de matéria orgânica, havendo variação na concentração de
coliformes termotolerantes de 104 a 108 NMP.100mL-1 (FRIEDLER, 2004).
O aproveitamento da energia solar para a desinfecção da água cinza é uma opção
simples e de baixo custo, pois a energia utilizada é proveniente de uma fonte natural. A
desinfecção solar utiliza duas componentes dos raios solares: a radiação UV, responsável pela
modificação do DNA dos microrganismos (por fotólise) e pelas reações fotoquímicas que
causam oxidação celular, e as radiações infravermelhas, responsáveis pela elevação de
temperatura, que causa desnaturação de proteínas (OATES et al, 2003).
O método SODIS (solar disinfection) utiliza apenas a luz solar e garrafas PET
(polietileno tereftalado) e é recomendado pela Organização Mundial de Saúde como uma
técnica viável de tratamento de água em nível domiciliar para a inativação de organismos
patogênicos presentes na água (EAWAG & SANDEC, 2005). Atualmente, esta técnica é
utilizada diariamente para o tratamento da água potável por cerca de dois milhões de usuários,
em mais de 20 países pelo mundo (SODIS, 2009a). Entretanto, possui algumas limitações,
pois a eficiência do sistema depende de fatores como a qualidade da água, temperatura e
radiação UV (SILVA, 2004). Além disso, não é viável para o tratamento de grandes volumes
de água, como a água cinza produzida em uma residência, por exemplo, pois se trata de um
método em batelada.
A restrição quanto à qualidade da água está relacionada com os parâmetros de
turbidez, altura da lâmina de água e sólidos em suspensão, os quais possuem a propriedade de
absorver ou refletir radiação solar interferindo, significativamente, na inativação de patógenos
(SODIS, 2003b). A recomendação do valor máximo de turbidez da água é de 30 UNT com
altura da lâmina de água de 10 cm (SILVA, 2004). Estudos realizados por Joyce et al. (1995),
com amostras de águas com alta turbidez (200 UNT), indicam que menos de 1% do total da
incidência da luz UV penetra mais do que 2 cm da superfície, não havendo um significativo
efeito germicida além dessa distância no volume do líquido. De acordo com Von Sperling
(2005), os sólidos em suspensão, os quais conferem a turbidez à água, podem servir de abrigo
para microrganismos patogênicos diminuindo a eficiência da desinfecção.
A inativação dos patógenos é inversamente proporcional ao comprimento de onda de
radiação, cujo maior poder bactericida é 254 nm. Contudo, esse tipo de radiação, inserido na
faixa UV-C, não atinge a superfície terrestre, pois é totalmente absorvida pelo oxigênio da
atmosfera. Já a radiação UV-B, comprimento de onda compreendido entre 320 a 280nm é
fortemente absorvida pelo ozônio estratosférico e sofre intenso espalhamento molecular,
atingindo a superfície terrestre em pequenas quantidades (CORRÊA, 2005). Dessa forma, a
principal faixa espectral responsável pela eliminação de microrganismos é a UV-A,
compreendida entre 400 a 320nm, a qual quase totalidade chega efetivamente à superfície da
Terra (BOTTO, 2006). O efeito sinérgico entre a radiação UV-A e a luz violeta, comprimento
de onda compreendido entre 400 a 450nm, aumenta, acentuadamente, a taxa de inativação
(WEGELIN et al., 1994).
Ainda, de acordo com Wegelin et al. (1994), temperaturas da água entre 20ºC e 40ºC
não afetam a taxa de inativação de microrganismos. Foram observados os efeitos da
temperatura de 50ºC na água e concluído, que nessa condição, há a necessidade de menor
energia para a inativação de E. coli em comparação a temperaturas inferiores. Em
temperaturas em torno de 55°C observou-se a redução de 6 ordens de magnitude na
concentração de E. coli em 7 horas (JOYCE et al., 1995).
O valor mínimo de intensidade de radiação solar recomendado é de 500 W.m-², por um
período de 5 a 6 horas de exposição solar (LAWAND et al., 1988, citado por WEGELIN et
al.,1994). Geralmente, o início dos testes ocorre às 9:00h com término às 15:00h, período de
maior intensidade de radiação solar.
10
Conforme Acra et al. (1984) e Boyle et al. (2008), o grupo Escherichia coli é um
pouco mais resistente ao efeito letal da luz solar que outras bactérias como: P. aerugenosa, S.
flexneri, S. Typhi, S. enteritidis. Por conseguinte, pode ser utilizado como indicador para os
testes de efeito solar em bactérias entéricas.
O objetivo principal deste trabalho foi avaliar a eficiência da desinfecção solar no póstratamento da água cinza, com verificação da influência da turbidez na eficiência do método,
operando em sistema de batelada, e análise do desempenho de um sistema de fluxo contínuo
como sistema de desinfecção solar.
Metodologia
Os testes em batelada foram realizados na parte superior (laje) do prédio do
Departamento de Hidráulica e Transporte na Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
(20°30’S, 54°36’W). Foram utilizadas amostras de água cinza coletadas em um sistema
híbrido de wetlands construídas instalado em uma residência localizada na cidade de Campo
Grande-MS.
O sistema é compreendido por uma caixa de gordura (cozinha), tanque de
sedimentação (TS), wetland construído de fluxo horizontal subsuperficial (CW-FH), sistema
intermitente de abastecimento e wetland construído de fluxo vertical (CW-FV) (PAULO et
al., 2009). A água cinza na entrada do sistema possui uma concentração de coliformes totais e
E. coli de, aproximadamente, 107 e 105 NMP.100mL-1, respectivamente, e turbidez em torno
de 200 UNT. Já para o efluente tratado (saída do sistema), a concentração de coliformes totais
e de E. coli é, respectivamente, 104 e 103 NMP.100mL-1, com turbidez variando entre
1,5 UNT.
Experimento com batelada
Foram utilizadas duas amostras com turbidez diferentes. Os pontos de coleta
escolhidos foram a entrada do sistema, antes do CW-FH (A1), e a saída do sistema, após o
CW-FV (A2). As amostras foram coletadas 2 dias antes da realização do experimento, para
preparação das mesmas, e armazenadas a temperatura média de 18°C.
Para se obter uma turbidez abaixo de 100 UNT, desejada para o experimento, a
amostra A1 foi diluída com água de torneira.
Ambas as amostras A1, após diluição, e A2 foram contaminadas com cepas de E. coli
a fim de se obter concentração inicial semelhantes. Foi utilizada uma suspensão, com cepa de
E. coli, com concentração total de 12E+08 NMP.100mL -1. Assim, a amostra A1 foi inoculada
com 0,08mL da suspensão por litro de amostra e A2 com 0,1 mL da suspensão por litro de
amostra. A inoculação foi realizada 24 horas antes ao experimento, ficando as amostras
armazenadas em recipientes fechados em local à temperatura ambiente de 18°C.
Foram utilizadas garrafas PET, transparentes, com capacidade de 0,5L e lâmina d´água
de 08 cm, semelhante às garrafas de 2,0 L utilizadas no experimento contínuo, cuja lâmina
d’água é de 10 cm Em testes preliminares realizados com garrafas de 0,5 e 2,0 L não foi
observada diferença estatisticamente relevante nas temperaturas alcançadas. De qualquer
forma, o teste em batelada foi realizado com uma amostra controle em uma garrafa de 2L,
com amostra A2, para averiguar se a redução de volume poderia influenciar na desinfecção
solar. As garrafas, devidamente preparadas, foram dispostas, horizontalmente, sobre telhas de
amianto, direcionada para o Norte.
As garrafas foram expostas ao sol durante um período de 24 horas, iniciando-se às
09:00 horas. As amostras foram coletadas após 3, 6 e 24 horas de exposição. O intervalo de
tempo de 3 horas foi escolhido visando obter uma melhor representatividade da curva de
11
decaimento de E. coli. O tempo de 24 horas foi determinado para a observação de possível
recrescimento bacteriano no período sem radiação.
No momento da coleta de cada amostra, as garrafas eram homogeneizadas
suavemente. Para a amostra A1 diluída foram analisadas duas condições, uma com a
homogeneização no momento da coleta e outra sem homogeneizar, verificando, assim, a
influência da decantação. Nas garrafas sem homogenização, as amostras eram coletadas com
a utilização de uma seringa de 10 mL, cuja agulha era introduzida na metade superior da
garrafa (em posição horizontal) para retirada da alíquota.
O aparato experimental foi composto de 12 garrafas, sendo 3 garrafas para cada
condição (uma para cada tempo de exposição): A1, A1-não homogeneizado (A1NH), A2 e A2
(PET 2L).
Os parâmetros analisados nas amostras coletadas durante o experimento foram
turbidez, temperatura e pH, coliformes totais e E. coli. A Tabela 1 representa as características
iniciais das amostras A1 e A2 no início do teste.
Tabela 1 – Características iniciais das amostras.
Parâmetros
Turbidez (UNT)
E. coli (NMP.100ml-1)
Coliforme Total
(NMP.100ml-1)
T°C
pH
Características das amostras
A1
88
1,3E+06
A2
1,28
8,1E+06
1,6E+08
8,1E+06
18
5,2
18
7,3
Experimento contínuo
O protótipo do sistema em fluxo contínuo foi projetado para desinfecção de parte do
volume total de água cinza tratada, em nível experimental. Foi construído um reator com 24
garrafas PET transparentes de 2L, conectando-se a parte superior de uma garrafa com a base
inferior de outra, formando um tubo com três garrafas em cada série (Figura 1). As séries
foram conectadas utilizando mangueiras de PVC transparentes com diâmetro interno de 3/8”.
As amostras foram coletadas na entrada e na saída do sistema e através de válvulas instaladas
após 3, 6, 9 e 15 garrafas. O reator foi instalado na própria residência, ligado a um
reservatório que recebia a água cinza tratada. O controle de vazão era feito através de um
registro instalado na entrada do sistema contínuo, após o reservatório. O protótipo ficou
alocado sobre uma telha de amianto, orientada para o norte e com inclinação de 20º,
correspondente a latitude de Campo Grande.
12
Figura 1 – Protótipo do sistema de fluxo contínuo.
Foram testados dois TDHs diferentes: 24 e 18 horas. O primeiro com o objetivo de
garantir que todo o volume de água tratada ficasse exposto a radiação solar durante os
horários de maior incidência (09:00 às 15:00), em um período de, no mínimo, 6 horas. O
segundo TDH, de 18 horas, como uma tentativa de otimizar o tempo de detenção hidráulica,
aumentando a vazão da água tratada, avaliando a possibilidade de um menor tempo de
exposição à radiação solar.
Levando em consideração que o sistema contínuo sempre operava com uma parte do
tempo sem luz solar, também foi avaliado se a ordem de exposição afetaria na eficiência do
sistema ou permitiria o recrescimento bacteriano. O período das 9h-15h foi considerado com
radiação (C-Rad) e das 15:01h até as 8:59h, sem radiação (S-Rad). A Tabela 2 exemplifica o
esquema de coleta das amostras com seu respectivo horário e dia com várias seqüências de
análise a partir da exposição solar. Os parâmetros analisados, durante os três dias
consecutivos de experimento, foram turbidez, temperatura e pH, E. coli e coliformes totais.
Tabela 2 – Horário de coleta das amostras no experimento em fluxo contínuo para o TDH 24h
e 18h.
TDH 24h
TDH 18h
Período de exposição
Período de exposição
1
C-Rad/S-Rad
C-Rad/S-Rad1
Horário
C-Rad S-Rad C-Rad Horário
S-Rad C-Rad S-Rad
Amostra
Amostra
(h)
(h)
(h)
(h)
(h)
(h)
(h)
(h)
09:00
T0
08:00
T0
12:00
T0, T3
3
10:15
T2,25
1
1,25
15:00
T0, T6
6
12:30
T4,5
1
3,5
2
09:00
T24
6
18
14:00
T0
12:002
T24
3
18
3
14:45
T6,75
1
5,75
2
3
15:00
T24
18
6
23:00
T0
08:002
T18
1
17
17:002
T18
10
6
2
1
período de exposição das amostras nas condições com radiação (C-Rad) e sem radiação (S-Rad), em
relação ao tempo indicado na amostra (exceto T0).
2
próximo dia ao início do teste.
3
amostra coletada às 17:00, considerando que não haveria mudança significativa na concentração de
coliformes no período das 17:00 às 23:00.
13
Análise das amostras e dados climáticos
Todas as análises de foram realizadas de acordo com o “Standard Methods for the
Examination of Water and Wastewater” (APHA, 2005). A determinação dos coliformes totais
e de E. coli, foi realizada através do método Colilert® e baseado no NMP (Número Mais
Provável). As análises foram realizadas no Laboratório de Qualidade de Água – LAQUA, da
Universidade Federal do Mato Grosso do Sul – UFMS.
A taxa de mortalidade bacteriana foi estimada de acordo com a lei de Chick (VON
SPERLING, 2005). Para a determinação da constante de decaimento bacteriano k foi utilizado
o método dos mínimos quadrados utilizando a ferramenta Solver® visando à minimização dos
erros.
Os dados da intensidade da radiação solar e da temperatura ambiente foram obtidos no
site do INMET – Instituto Nacional de Meteorologia e são oriundos da estação meteorológica
automática de Campo Grande (20,4°S 54,6°W). Os dados obtidos se referem aos meses de
maio e agosto de 2009, quando foram realizados o experimento contínuo e o experimento em
batelada, respectivamente. A intensidade da radiação para o mês de maio foi
580 ± 105 W.h.m-2 e a temperatura média foi de 27,8°C. No mês de agosto, a média da
intensidade da radiação foi de 642,7 ± 85 W.h.m-2 e a temperatura média de 27,2°C.
Resultados e Discussão
De acordo com Wegelin et al. (1994), para temperaturas entre 20°C e 40°C é
necessário uma incidência de 555 W.h.m-2 de radiação solar para a redução de 3 unidades
logarítmicas, em amostras com turbidez menor que 30 UNT. Para o teste em batelada, a
radiação solar global foi superior a 500 W.m-2 na maior parte do tempo de exposição das
amostras, sendo que o maior valor alcançado foi 761,10 W.m-2, ocorrendo às 12:00 horas. A
temperatura máxima das amostras foi de 41°C.
A tabela 3 mostra a eficiência de inativação de coliformes totais e E. coli. Observa-se
que ao final de seis horas de exposição a amostra A2, com baixa turbidez, apresentou
4,2 unidades logarítmicas de remoção de E. coli, mesmo iniciando o teste com uma
concentração maior que A1, enquanto que essa teve eficiência de remoção de 2,9 unidades
logarítmicas.
14
Tabela 3 – Concentração e remoção de coliformes totais (C.T.) e E. coli nas amostras de água
cinza A1, turbidez inicial de 88 UNT, e A2, turbidez inicial de 1,3 UNT, durante o
experimento em batelada.
A1
Tempo
(h)
0
3
6
24
C.T.
E. coli
Remoção
(NMP/
(NMP/
log 10
100mL)
100mL)
1,60E+
08
4,30E+
07
9,70E+
04
5,00E+
04
0
0,6
3,2
3,5
1,30E+0
6
2,80E+0
4
1,70E+0
3
6,80E+0
2
A2
C.T.
E. coli
Remoção Turbidez
Remoção
Remoção Turbidez
(NMP/
(NMP/
log 10
(UNT)
log 10
log 10
(UNT)
100mL)
100mL)
0
88
1,6
61
2,9
70
3,3
63
8,10E+
06
4,70E+
04
7,40E+
02
2,90E+
02
0
2,2
4
4,4
8,10E+0
6
8,40E+0
2
4,60E+0
2
2,30E+0
2
0
1,3
4
1,4
4,2
1,5
4,5
1,9
Boyle et al. (2008) concluíram em seus testes que um período de 3 horas de exposição
solar, é necessário para completa inativação de E. coli (ou pelo menos 4 unidades logarítmicas
de redução), em amostras com concentrações iniciais em torno de 10E+06 CFU.mL -1, baixa
turbidez, temperatura máxima de 40°C e radiação máxima recebida de 1050 W.m-2. Botto
(2006) também alcançou total inativação, com redução de 5,2 unidades logarítmicas após
6 horas de exposição, concentração inicial de 10E+05 NMP.100mL -1, turbidez de 1 UNT,
temperatura máxima de 42°C e radiação máxima de 1016 W.m-2. Apesar da amostra A2 ter
apresentado turbidez de 1,5 UNT não houve a inativação completa de E. coli, fato que pode
estar associado a intensidade de radiação solar incidente no dia do experimento, cujo valor
máximo de radiação foi 747,2 W.m-2 sendo, aproximadamente, 28% inferior aos valores
mencionados pelos pesquisadores acima citados.
Essa comparação, também, pode ser feita entre a remoção obtida na amostra A1, com
88 UNT, e o teste realizado por Kehoe et al. (2001), que obtiveram completa inativação em
uma amostra com 300 UNT e concentração inicial de 10E+06 CFU.mL -1 de E. coli, sob uma
radiação média de 956 W.m-2 e 8,5 horas de exposição. Nesse caso observa-se que o maior
tempo de exposição e maior intensidade de radiação permitiram alcançar melhores resultados
de inativação. Embora o trabalho destes pesquisadores não indique a temperatura alcançada
nas amostras, esta provavelmente foi maior que 50°C, já que em amostras com elevada
turbidez a penetração da luz UV é prejudicada e a temperatura da água assume papel mais
relevante na desinfecção (Joyce et al.,1995). De acordo com Joyce et al. (1995), em amostras
com turbidez acima de 200 UNT, a desinfecção ocorre, desde que a temperatura alcance
valores acima de 55°C.
Na amostra A1, embora a turbidez fosse menor que aquelas descritas por Kehoe e
Joyce e seus colaboradores, é maior que o valor recomendado pela literatura (30 UNT). Além
disso, a temperatura máxima alcançada foi de 41°C, com radiação média de
642,7 ± 85 W.h.m-2.
Os resultados deste trabalho, comparados com os resultados da literatura discutidos
acima, corroboram a informação de que a eficiência da desinfecção solar depende das
condições climáticas do local, principalmente no que diz respeito à intensidade de radiação
solar, que influencia também na elevação de temperatura da água.
No entanto, Oates et al. (2003), aplicando o SODIS no Haiti, chegaram à conclusão de
que seria mais seguro sempre expor as garrafas ao sol por um período de 2 dias consecutivos,
independente das condições climatológicas. Os testes realizados, mesmo com água de baixa
15
turbidez (1,3 UNT), mostraram que apenas 66% das amostras expostas a condições favoráveis
de radiação (5 horas de pico médio de 718 W.m-²) e temperatura da água (2 horas acima de
45ºC) chegaram à completa desinfecção de E. coli. Porém, quando a exposição ao sol era de
dois dias, a eliminação sempre alcançava 100%. A única situação onde ocorria inativação de
todas as amostras em apenas 1 dia, era quando a temperatura da água atingia valores
superiores a 45ºC durante 5 horas seguidas.
Pansonato et al. (2009) realizaram testes de desinfecção solar, em condições
semelhantes ao teste em batelada deste trabalho. Foram expostas ao sol amostras de águas
cinza com turbidez de 213 UNT e 196 UNT e concentração inicial de E. coli de
10E+05 NMP.100mL-1 e 10E+04 NMP.100mL-1, respectivamente, sob radiação solar média
de 579 ± 104 W.h.m-2 e temperatura máxima alcançada de 41ºC. A remoção de E. coli após
6 horas de exposição solar foi de 0,4 unidade logarítmica, para a amostra com 213 UNT, e
1,4 unidade logarítmica, para a amostra com 196 UNT. Verifica-se que os valores de remoção
obtidos por Pansonato et al. (2009) e neste trabalho, para a amostra A1 com 88 UNT, são
inferiores ao valor de remoção citado por Wegelin et al. (1994) (3 unidades logarítmicas para
esta condição climatológica) verificando a influência da turbidez na desinfecção solar.
A constante de decaimento bacteriano (kb) foi 0,210h-1 para A2, aproximadamente, 2
vezes maior que a k b da amostra A1 (0,106h-1). A figura 2 ilustra as curvas de decaimento
bacteriano das amostras. É perceptível que a curva de decaimento da amostra A2 é mais
acentuada, ao final das 3 horas de exposição, do que a curva da amostra A1. Esses resultados
confirmam a influência da turbidez na desinfecção solar, a qual reduz a constante de
decaimento bacteriano. Kehoe et al. (2001) verificaram a influência da turbidez em diferentes
valores (0 UNT, 30 UNT, 100 UNT e 300 UNT), com concentração inicial de E. coli de
10E+06 CFU.mL-1, concluindo que quanto maior a turbidez, menor é a inativação.
Figura 2 – Concentrações de E. coli das amostras A1, A1NH e A2 durante o tempo de
exposição de 24 horas.
Ao final de 24 horas, percebe-se que a remoção de E. coli ocorreu por meio da
decantação, uma vez que após as 15:00 horas não há incidência significativa de radiação
solar. A influência da decantação pode ser ressaltada na comparação entre A1 e a A1 NH
(Figura 2), a qual apresentou, ao final de 6 horas de exposição solar, uma remoção para E. coli
16
de 3,5 unidades logarítmicas e constante de decaimento bacteriano de 0,148h-1. Em 24 horas
de exposição, a redução de E. coli em A1NH foi de 4,2 unidades logarítmicas, enquanto que
em A1 foi 3,3 unidades logarítmicas, evidenciando a influência da decantação. Esses
resultados mostram que em amostras com elevada turbidez, a decantação também assume
papel na desinfecção, aumentando a taxa de decaimento bacteriano, além de reduzir a
turbidez, possibilitando a penetração dos raios solares na lâmina d’água.
Não houve diferença significativa da desinfecção solar entre as garrafas de 0,5L e 2L,
sendo observada, após 6 horas de exposição, redução de 4,3 unidades logarítmicas de E. coli
na garrafa de 0,5L e 4,2 unidades logarítmicas na garrafa de 2,0L. Houve diferença apenas na
constante de decaimento bacteriano, sendo 0,165h-1 para a garrafa de 2L e 0,210h-1 para
garrafa de 0,5L. Analisando os dados da tabela 3, verifica-se que não houve recrescimento
após o período sem radiação.
No experimento com o sistema em fluxo contínuo um fator limitante para uma melhor
análise da desinfecção solar foi a baixa concentração inicial de E. coli, a qual permaneceu na
faixa de 10E+02 NMP.100mL-1 no teste com TDH 18 horas e 10E+00 NMP.100mL -1 no teste
com TDH 24 horas. A mudança de hábito dos moradores e/ou uma melhor eficiência do
sistema de tratamento pode ter influenciado no decréscimo da concentração de coliformes no
efluente tratado. Por esse motivo, no experimento com TDH de 24 horas, a análise foi feita a
partir da concentração de coliformes totais, pois não foi detectada a presença de E. coli.
A tabela 4 apresenta o comportamento da inativação de coliformes totais e E. coli com
TDH de 18 horas, analisando cada situação criada como início da exposição solar em apenas
um dos três dias do experimento.
Tabela 4 – Concentração e remoção de coliformes totais e E. coli no sistema de fluxo
contínuo com TDH de 18 horas.
Horário da
coleta das
amostras
08:00
10:15
12:30
14:45
14:00
08:001
23:002
17:001
TDH 18 horas
Tempo de
Coliforme
Remoção
E. coli
Remoção Turbidez
exposição
total
log10
(NMP/100mL)
log10
(UNT)
(h)
(NMP/100mL)
0,00
8,6E+02
0,0
9,9E+01
0,0
1,5
2,25
4,8E+02
0,3
1,0E+01
1,0
2,5
4,50
1,1E+02
0,9
0,0E+00
2,0
2,6
6,75
1,1E+01
1,9
0,0E+00
2,0
1,7
0,00
5,4E+03
0,0
1,0E+02
0,0
1,8
18,00
1,2E+02
1,7
4,7E+01
0,3
2,2
0,00
2,6E+03
0,0
3,1E+02
0,0
2,2
18,00
1,0E+00
3,4
0,0E+00
2,5
2,0
1
próximo dia ao início do teste.
amostra coletada às 17:00, considerando que não haveria mudança significativa no NMP de coliformes
no período das 17:00 às 23:00.
2
Pode-se observar que houve a completa inativação de E. coli após 3,3 horas de
exposição (às 12:30h), considerando que a intensidade da radiação solar expressiva inicia-se
às 9:00 horas. Quando o teste foi iniciado às 14:00 horas, terminando às 8:00 horas do dia
seguinte, foi observada uma redução de apenas 1,7 unidades logarítmicas de coliformes totais
e 0,3 unidades logarítmicas de E. coli, tendo em vista que a amostra recebeu 472,1 W.m-2 de
radiação solar, por uma hora, e ficou 17 horas sem receber radiação significativa (S-Rad).
Para as amostras com início de teste às 23:00 horas e término às 17:00 horas do dia seguinte
verificou-se total inativação de E. coli e 3,4 unidades logarítmicas de redução de coliformes
totais, sendo que a amostra recebeu um total de 4180,0 W.m-2 de radiação solar durante as
6 horas do período com radiação significativa (09:00 às 15:00). Tal desempenho foi obtido
17
nos três dias consecutivos de teste. Esses resultados mostram que o aumento na quantidade de
radiação solar recebida implica no aumento da taxa de decaimento bacteriano.
No experimento com TDH de 24 horas, as amostras receberam quantidades
semelhantes de radiação solar, independente do horário de coleta inicial da amostra T 0 (9:00,
12:00h ou 15:00h), sendo a radiação acumulada 5013 W.m-2 para T24 às 09:00h, 4964 W.m-2
para T24 às 12:00h e 4883 W.m-2 para T24 às 15:00h. Apesar disso, somente no teste com
início às 15:00h e término às 15:00h do dia seguinte foi observada completa inativação de
coliformes totais. Esse resultado pode ser explicado pela influência da ordem de exposição
dos períodos C-Rad e S-Rad. Neste teste, a ordem de exposição é período S-Rad seguido pelo
período C-Rad. Dessa forma, os efeitos do período sem radiação efetiva são minimizados ou
superados pelos efeitos da radiação solar logo em seguida.
No teste com início às 9:00h e término às 9:00h do dia seguinte, a ordem de exposição
é invertida: primeiro o efluente fica exposto ao período C-Rad e, posteriormente, ao período
S-Rad, por 18 horas. Nesse caso os efeitos do período sem radiação não são superados e pode
haver diminuição da eficiência de desinfecção ou recrescimento bacteriano. Nesse teste
obteve-se 96,64% de redução de coliformes totais. Aparentemente não houve recrescimento
no período S-Rad, já que a remoção aumenta entre o tempo de exposição de 06 e 24 horas
(tabela 5).
No teste com início às 12:00 horas verifica-se que a amostra fica exposta,
inicialmente, ao período C-Rad (03 horas), passa pelo período S-Rad (18 horas) e novamente
pelo período C-Rad (03 horas). Nesse caso, os efeitos do período S-Rad são minimizados pelo
período posterior C-Rad, não sendo observada a inativação total de coliformes totais como
ocorrido no período de exposição das 15:00h às 15:00h . Nesse teste não foi possível saber se
houve recrescimento ou não no período, pois não foram coletadas amostras entre os tempos
T0 e T24.
Tabela 5 - Eficiência do sistema de fluxo contínuo em com TDH de 24 horas.
Horário da
coleta das
amostras
09:00
12:00
15:00
9:001
12:00
12:001
15:00
15:001
1
TDH 24 horas
Tempo de
Coliforme
Remoção
exposição
total
log10
(h)
(NMP/100mL)
0
1,3E+02
0,0
3
1,0E+02
0,1
6
1,0E+01
1,1
24
4,2E+00
1,5
0
3,3E+01
0,0
24
1,0E+00
1,5
0
7,8E+01
0,0
24
0,0E+00
1,9
Turbidez
(UNT)
1,8
2,4
2,3
4,2
2,1
2,6
3,5
0,0
próximo dia ao início do teste
Os resultados de remoção do sistema em fluxo contínuo foram satisfatórios embora as
concentrações iniciais de coliformes totais e E. coli estivessem baixas. Foram detectadas
algumas falhas no protótipo como vazamentos entre as conexões das garrafas PET, o que
proporcionou a formação de bolhas de ar no sistema. Essa dificuldade se deu porque não
existem no mercado nacional conexões e colas específicas para o material do tipo PET. A
vazão durante os testes era aferida, constantemente, mas observou-se que com o passar dos
dias a vazão não se mantinha, necessitando controle diariamente. Além desses fatores, houve
o crescimento de algas após um mês de operação do sistema (figura 3) causando entupimentos
nas válvulas interferindo no fluxo de efluente e, consequentemente, no controle da vazão.
18
Figura 3 – Crescimento de algas no sistema em fluxo contínuo.
Conclusões e recomendações
· A desinfecção solar é um método viável para o pós-tratamento da água cinza, porém com
algumas restrições. Entre elas, a alta turbidez (88 NTU), a qual reduziu a taxa de decaimento
bacteriano, e as condições climáticas.
· Constatou-se que a água cinza tratada, para o parâmetro coliformes termotolerantes, nas
condições do presente experimento, pode ser destinada para fins mais nobres, como por
exemplo, irrigações irrestritas. Apenas para amostra com turbidez de 88 UNT há restrições
quanto a essa destinação.
· Sugere-se que a decantação foi o mecanismo principal de remoção nas amostras com
elevada turbidez (88 UNT), pois a temperatura não ultrapassou 41°C e a média de radiação
solar foi de 642,7 W.h.m-2.
· O TDH de 18 horas não é recomendado para um sistema de desinfecção em fluxo contínuo,
pois nem todas as amostras recebem a quantidade suficiente de radiação solar recomendada
pela literatura. Assim o TDH de 24 horas é mais viável, pois todas as amostras de água
recebem quantidades semelhantes de radiação solar, independente do horário de entrada e
saída do sistema.
· A ordem de exposição ao período sem radiação efetiva pode influenciar na eficiência da
desinfecção e na qualidade do efluente final.
· Para o experimento contínuo é conveniente que se avalie o sistema em condições de maiores
concentrações de E. coli a fim de analisar a eficácia do mesmo. O experimento em batelada
indica que, se aplicado ao sistema uma alta carga de E. coli poderia não haver total inativação
nas amostras.
19
· Recomenda-se reconsiderar a configuração e construção do reator em fluxo contínuo a fim
de sanar as falhas durante a operação do sistema. Além disso, recomendam-se estudos acerca
do controle de crescimento de algas ou de manutenção e limpeza do sistema.
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Nota: Este artigo segue as normas da revista da Associação Brasileira de Engenharia Sanitária
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