II AVALIAÇÃO DA DESINFECÇÃO SOLAR NA REGIÃO CENTRO - OESTE DO BRASIL USANDO DIFERENTES ORGANISMOS INDICADORES DE CONTAMINAÇÃO

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1 II-14 - AVALIAÇÃO DA DESINFECÇÃO SOLAR NA REGIÃO CENTRO - OESTE DO BRASIL USANDO DIFERENTES ORGANISMOS INDICADORES DE CONTAMINAÇÃO Cristina Celia Silveira Brandão (1) Ph.D. em Engenharia Ambiental pelo Imperial College of Science Technology and Medicine. Professora Adjunta do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da FOTOGRAFIA Universidade de Brasília Patrícia de Campos Gomes Monteiro NÃO Engenheira Sanitárista pela Universidade Federal do Mato Grosso. Mestre em Tecnologia DISPONÍVEL Ambiental e Recursos Hídricos pela Universidade de Brasília. Atualmente Pesquisadora - Bolsista DTI no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília. Barbara Medeiros Fonseca Bióloga pela Universidade de Brasília. Bolsista de Aperfeiçoamento no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília. Carolina Arantes Bióloga pela Universidade de Brasília. Bolsista de Aperfeiçoamento no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília Endereço (1) : SQN 16 - Bloco I - apto Brasília - DF - CEP: Brasil - Tel: (61) Fax: (61) cbrandao@unb.br RESUMO O processo de desinfecção de água por radiação solar constitui-se em uma opção tecnológica a ser considerada para sistemas de abastecimento de água individuais (uni - domiciliares), principalmente para o meio rural. Esta como uma alternativa de desinfecção da água independente de insumos, funciona sem fornecimento de energia elétrica, e que apresenta grande simplicidade. Sendo o sol uma fonte natural, universalmente disponível e gratuita, tanto de calor como de luz. O presente trabalho apresenta os resultados de um estudo sobre a utilização da radiação solar como agente desinfetante dentro das características climáticas e de insolação presentes no Brasil, tomando como base a região Centro - Oeste. Buscou-se, considerando diferentes qualidades de água (cor e turbidez) e indicadores microbiológicos com resistências distintas, avaliar as condições (tempo de exposição necessário para inativação de patógenos, espessura da lâmina d água) para uso dessa alternativa no meio rural. A metodologia utilizada no trabalho consistiu na exposição à radiação solar, em tempos determinados, de volumes de 3 a 6 litros de amostras de água com características específicas. A desinfecção solar mostrou-se capaz de promover a completa inativação de quantidades significativas de E. coli (1 5 NMP/1 ml) e coliformes totais (1 3 NMP/1 ml) em recipientes 5 cm de lâmina de água, em tempos de exposição ao sol da ordem de 3 horas, mesmo quando o dia apresentava-se parcialmente nublado. Por outro lado, a desinfecção solar não mostrou-se eficaz para inativação de grande n A profundidade da lâmina d água adotada no recipiente influi de forma significativa no tempo necessário para completa inativação dos organismos patogênicos. Os resultados obtidos tanto com a água sintética como com a água do lago Paranoá, ao mesmo tempo que reafirmam o potencial da desinfecção solar, reforçam a necessidade de aprofundar os estudos sobre o assunto, antes que essa técnicas seja disseminada como prática na zona rural. PALAVRAS-CHAVE: Desinfecção Solar, Radiação Solar, SODIS, Inativação de E. coli, Inativação de Colifagos. INTRODUÇÃO Estima-se que 8% das doenças e mais de um terço das disfunções ocorridas nos países da América Latina estão associados com a água, e que nada menos do que um décimo do tempo produtivo de um indivíduo é perdido como conseqüência dessas doenças (Galal-Gorchev, 1996). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Vários países da América Latina enfrentam sérios problemas com a alta incidência de doenças relacionadas com a falta de saneamento básico, sendo mais afetadas as populações que vivem em localidades pobres, áreas periféricas das grandes cidades e em zonas rurais. Esses locais, por não possuírem sistemas de esgoto ou drenagem, despejam uma elevada carga de poluição em corpos d água, muitos dos quais servem como fonte de abastecimento, sem nenhum tratamento antes do seu consumo. Wegelin et al. (1994) sugerem que, para que uma comunidade tenha uma boa condição sanitária, é essencial que se reduzam os custos dos sistemas de abastecimento de água e dos sistemas de tratamento de esgoto através do uso de tecnologias apropriadas, de baixo custo, e cuja a operação e manutenção possam ser gerenciados e sustentados com recursos locais. Considerando esse quadro, particularmente quando se pensa na ocupação esparsa da zona rural, uma opção tecnológica a ser considerada é a adoção de sistemas de abastecimento de água uni-domiciliares. A utilização da radiação solar no processo de desinfecção de água é introduzida nesse contexto, como uma alternativa de desinfecção da água independente de insumos, que funciona sem fornecimento de energia elétrica, e que apresenta grande simplicidade. O sol é uma fonte natural, universalmente disponível e gratuita, tanto de calor como de luz. Segundo Anon (1988), o mecanismo de inativação dos organismos patogênicos pela luz solar é resultado de um efeito combinado da temperatura e radiação, porém Reed (1997) sugere que outros fatores podem estar envolvidos, como a condição de aeróbiose da água. Nesse caso, considera-se que a inativação do agente patogênico dá-se pela transformação do oxigênio dissolvido (O 2 ) na água em ozônio (O 3 ) devido a influência da radiação. Sommer et al. (1997) destacam que, no que diz respeito a desinfecção solar, diversos estudos têm sido realizados com objetivo e determinar o efeito da luz solar sobre diferentes organismos indicadores de contaminação e organismos patogênicos transmissores de doenças pela água. A importância desses estudos resultam do fato de que como as condições ambientais são distintas em cada país o região, as condições de uso da desinfecção solar variam de local para local. O presente trabalho apresenta os resultados de um estudo sobre a utilização da radiação solar como agente desinfetante dentro das características climáticas e de insolação presentes no Brasil, tomando como base a região centro-oeste. Buscou-se, considerando diferentes qualidades de água (cor e turbidez) e indicadores microbiológicos com resistências distintas, avaliar as condições (tempo de exposição necessário para inativação de patógenos, espessura da lâmina d água) para uso dessa alternativa no meio rural. MATERIAIS E MÉTODOS Os experimentos de avaliação da desinfecção solar foram realizados em batelada, utilizando-se água sintética e água natural. A água sintética consistia de uma água destilada, com micro nutrientes, à qual era adicionada cor verdadeira na faixa de a 6 uc e turbidez variando de a 5 ut, e, posteriormente, era inoculada com um organismo indicador de contaminação. Dois organismos indicadores de contaminação foram utilizados no presente trabalho: Escherichia coli e colifagos. Deve-se ressaltar que esses organismos foram selecionados por apresentarem resistências diferenciadas a ação da maioria dos agentes desinfetantes, sendo a Escherichia coli equivalente a contaminação por bactéria, e os colifagos referente a contaminação por vírus. A cor verdadeira foi obtida a partir da adição de diferentes concentrações de substâncias húmicas, e a turbidez foi obtida a partir da adição de uma argila (montemorilonita sódica). Os experimentos de desinfecção solar foram realizados no Campus Universitário da Universidade de Brasília, Brasília-DF, em um deque construído sobre o teto do Laboratório de Análise Água, que se caracterizava pela total ausência de sombra em qualquer hora do dia. Equipamentos de medição da radiação solar global e da radiação UV foram instalados no mesmo local. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 A metodologia utilizada para avaliação do processo de desinfecção solar pode ser dividida em três fases. Na primeira e segunda fases, realizou-se experimentos com a água sintética inoculada, respectivamente, com diferentes níveis contaminação de Escherichia coli e colifagos. Na terceira fase foi utilizado água proveniente do Lago Paranoá, Brasília-DF. Em cada experimento, a partir de uma amostra de água bruta com uma determinada característica de qualidade, alíquotas de igual volume eram distribuídas em recipientes específicos (claros e escuros, com profundidades de 5 e 1 cm) e eram submetidas a três condições distintas: (a) exposição à radiação solar em recipiente claro (luz e calor); (b) exposição à radiação solar em recipiente escuro (calor); e, (c) não exposição à luz sob temperatura constante. Um diagrama esquemático do experimento é mostrado na Figura 1, e a Figura 2 apresenta foto de um experimento em andamento. Amostra tempo zero Amostra exposta ao sol para controle de temperatura Amostras expostas ao sol em recipientes claros - vários tempos de exposição Água Bruta,5 h 1 h 2 h 3 h 4 h 6 h Amostras expostas ao sol em recipientes escuros - vários tempos de exposição,5 h 1 h 2 h 3 h 4 h 6 h Amostras controle - vários tempos de exposição - temperatura constante,5 h 1 h 2 h 3 h 4 h 6 h Figura 1: Diagrama da distribuição das alíquotas em cada experimento. Figura 2: Vista geral do experimento em realização (recipientes de controle não aparecem), com equipamentos de coleta de dados de radiação no canto superior esquerdo. O procedimento proposto permite avaliar, separadamente, o efeito da radiação solar, da temperatura (aquecimento), e do decaimento natural dos microorganismo indicador, assim como a influência da espessura da lâmina d água na eficiência da desinfecção solar. Os recipientes utilizados consistem de unidades de base retangular, confeccionadas em vidro transparente de 3 mm de espessura, com área de exposição constante e dimensões apresentadas na Tabela 1. No interior de cada recipiente foi colocado um saco plástico contendo alíquotas de 3 ou 6 litros de amostra, respectivamente para os recipientes de 5 e 1 cm de profundidade. O recipiente escuro difere dos demais apenas por possuir no seu interior um revestimento preto. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Tabela 1 Dimensões dos recipientes de vidro. Recipiente Largura 2 cm Altura 5 ou 1 cm Base 3 cm Para cada situação de qualidade de água, vários experimentos foram realizado de modo a permitir uma avaliação da eficácia do processo de desinfecção solar sob distintas condições de nebulosidade. Essa condições foram monitoradas por meio de medidas da intensidade de radiação incidente sobre os recipientes. RESULTADOS Foram realização de 44 experimentos com água sintética inoculada com E. coli, sob diferentes condições de cor verdadeira e turbidez, 1 experimentos com água sintética inoculada com colifagos, e 1 experimentos com água do Lago Paranoá (Brasília -DF) sem pré-tratamento. FASE 1 UTILIZAÇÃO DA ESCHERICHIA COLI COMO INDICADOR DE CONTAMINAÇÃO Na fase 1, observou-se que a profundidade da lâmina de água influencia significativamente no tempo necessário para inativação da E. coli. Como pode ser visto na Figura 3 a inativação total dos organismos no recipiente de 5 cm de profundidade ocorreu antes de 2 horas de tempo de exposição, porém no recipiente de 1 cm isso só foi observado após 5 horas de exposição à luz solar. 1 E. coli - 5cm E. coli - 1cm E. coli - Escuro Tempo de Exposição (h) Radiação acumulada (KJ/m 2 ) Figura 3 - Experimento com água inoculada com E. coli, realizado entre 1: e 15: horas: No=7,6 x1 4 NMP/1mL; Turbidez= UT; Cor verdadeira= UC; ph=6,2. Comparando a inativação quando os recipientes contendo água sintética com E.coli foram expostos a diferentes condições de luminosidade (ver Figuras 3 e 4), verifica-se, como era de se esperar, que o tempo necessário para inativação é maior sob condições de nebulosidade. Nessa condição, Figura 4, foram necessárias 3 horas de exposição para inativar totalmente os organismos presentes no recipiente de 5 cm, ao passo que, 5 horas de exposição não foram suficientes para garantir ausência de coliformes no recipiente de 1 cm, muito embora esse tenha apresentando uma eficiência de remoção superior à 99,99% (4 casas logarítmicas). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 E. coli - 5cm E. coli - 1cm E. coli - Escuro,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Tempo de Exposição (h) Radiação acumulada (KJ/m 2 ) Figura 4 - Experimento com água inoculada com E. coli, realizado entre 1: e 15: horas: No=1, x1 4 NMP/1mL; Turbidez=23 UT; Cor verdadeira=23uc; ph=6,1. Em experimentos onde foram avaliados o efeito da cor e da turbidez utilizando apenas recipientes de profundidade de 5 cm, observou-se (ver Figura 5) que as amostras que continham turbidez apresentaram uma inativação das bactérias E. coli em tempo inferior às da que apresentavam presença de cor. Sugerindo, assim, que a presença de cor verdadeira na água tende a interferir de forma mais significativa que a turbidez no processo de desinfecção por radiação solar. Durante os experimentos com turbidez era possível visualizar que o material em suspensão sedimentava no fundo dos recipientes, não provocando assim o efeito de dispersão de luz no seu interior. A sedimentação era acelerada pela elevação da temperatura da água durante o tempo de exposição. E. coli E.coli +Cor E. coli + Turbidez Tempo de exposição (h) Radiação acumulada (KJ/m 2 ) Figura 5 - Experimento com água inoculada com E. coli, realizado entre 1: e 15: horas: No=1,58 x1 4 NMP/1mL; Turbidez=14 UT; Cor verdadeira=27uc; ph=6,1. Analisando-se a Figura 6 observa-se que o decaimento da E. coli na água com presença de cor verdadeira e turbidez é similar ao decaimento quando a água apresenta apenas cor verdadeira, necessitando cerca de 2 horas para inativação total das bactérias E. coli. Por outro lado, as amostras com ausência de cor e turbidez apresentaram uma remoção de 1% das E. coli em apenas 1 hora de exposição ao sol. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 A radiação solar acumulada com o tempo no experimento apresentado na Figura 5 é menor que a radiação solar acumulada do experimento representado na Figura 6. Nota-se, mais uma vez, que quanto maior a radiação solar acumulada menor o tempo de exposição necessário para obtenção da inativação total da bactéria E. coli. E. coli E. coli + Cor E. coli + Cor e Turbidez Tempo de Exposição (h) Radiação acumulada (KJ/m 2 ) Figura 6 - Experimento com água inoculada com E. coli, realizado entre 1: e 15: horas: No=4,7 x1 4 NMP/1mL; Turbidez=14 UT; Cor verdadeira=27uc. Foram realizados testes de recrescimento da bactéria E. coli após 24 horas e 5 dias. Nos testes de recrescimento realizados não foi detectada a presença de bactéria mesmo após 5 dias da água estar armazenada à temperatura ambiente, indicando a eficiência do método de desinfecção da água por radiação para inativação da E. coli. FASE 2 EXPERIMENTOS COM UTILIZAÇÃO DE COLIFAGOS COMO INDICADOR A Figura 7 apresenta um resultado típico dos experimentos realizados com água sintética contendo colifagos. 1 Coli Fagos - Claro 5cm Coli Fagos - Escuro 5 cm Coli Fagos - Claro 1cm Coli Fagos (UFP/1ml) Tempo de Exposição (h) Radiação acumulada (KJ/m 2 ) Figura 7 - Experimento com água inoculada com colifagos, realizado entre 1: e 15: horas: No=3,2x1 3 UFP/1mL; Turbidez=UT; Cor verdadeira=uc. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Nos experimentos com utilização de colifagos como organismo indicador, observou-se que esses organismos foram bastante mais resistentes à ação desinfetante da radiação solar que as bactérias E. coli. Na Figura 7 constata-se, para uma concentração inicial de colifagos da ordem de 1 3 UFP/1mL, que após 5 horas de experimentos nos recipientes de profundidade 5 e 1 cm houve redução de apenas 1 casa logarítimica. FASE 3 EXPERIMENTOS COM ÁGUA NATURAL (LAGO PARANOÁ BRASÍLIA/DF) Os testes com água do Lago Paranoá, realizados em situação de céu claro, apresentaram resultados similares aos observados na inativação de E. coli na água sintética, exceção feita ao fato de que a total inativação de coliformes totais ocorreu em tempo de exposição superiores. Um resultado representativo dos experimentos realizados com água do lago Paranoá pode ser visto na Figura 8. CT-5cm CT- 1 cm CT - Escuro Tempo de exposição (h) Radiação acumulada (KJ/m 2 ) Figura 8- Experimento com água do Lago Paranoá realizado entre 1: e 15: h: No(Coliformes totais)=2,41x1 4 NMP/1mL; Turbidez=3,8 UT; Cor verdadeira=4 UC; ph=7,2. De acordo com a Figura 8, para o recipiente de 5 cm, aproximadamente 5 horas de exposição ao sol foram necessárias para inativar totalmente as bactérias do grupo coliformes. Resultados obtidos com a mesma água porém com coliformes totais da ordem de 1 3, a inativação total desses organismos ocorreu em tempo de exposição inferior a 3 horas. Para os experimentos com água do Lago Paranoá, verificou-se, ainda, que os coliformes totais apresentaramse mais resistentes à ação da radiação solar do que as bactérias E. coli. Os resultados apresentados reforçam também a importância da espessura da lâmina de água no processo de desinfecção solar. Comparando os resultados obtidos nos frascos claros e escuros, tanto nos experimentos com água sintética com E. coli como com água do Lago Paranoá, verifica-se que a inativação dos microorganismos se dá em presença de luz. Pouco ou nenhum decaimento no número de organismos presentes nos recipientes escuros foi detectado, e, em alguns experimentos, em função da temperatura ambiente, pôde-se inclusive observar crescimento de microorganismos (linha verde nos gráficos). CONSIDERAÇÕES FINAIS A desinfecção solar mostrou-se capaz de promover a completa inativação de quantidades significativas de E. coli (1 5 NMP/1 ml) e coliformes totais (1 3 NMP/1 ml) em recipientes 5 cm de lâmina de água, em tempos de exposição da ordem de 3 horas, mesmo quando o dia apresentava-se parcialmente nublado. A ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 profundidade da lâmina d água adotada no recipiente influi de forma significativa no tempo necessário para completa inativação dos organismos patogênicos. A radiação solar parece não ser eficiente na inativação de colifagos quando os mesmos encomtram-se em número elevado na água. Considerando que a concentração de vírus que ocorre nas água naturais é bastante inferior ao número de colifagos adotados no presente trabalho, faz-se necessário novos experimentos contemplando números menores desse organismo indicador na água a ser exposta à luz solar. Os resultados obtidos tanto com a água sintética como com a água do lago Paranoá, ao mesmo tempo que reafirmam o potencial da desinfecção solar, reforçam a necessidade de aprofundar os estudos sobre o assunto, antes que essa técnicas seja disseminada como prática na zona rural. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. ANON, S. (1988). Evaluation of solar disinfection of Nile and undeground water for drinking purposes in Egypt. Project Report to IDRC, 49pp. 2. GALAL-GORCHEV (1996). Desinfección del agua potable y subproductos de inter s para la salud. In: La Calidad del Agua Potable en America Latina: Ponderación de los Riesgos Microbiológicos contra los Riesgos de los Subproductos de la Desinfeccíon Química, Editado por Craun, G.F. e Castro, R., 89. ILSI Press, Washigton, EUA. 3. REED, R. H. (1997). Solar inactivation of faecal bacteria in water: the critical role of oxigen. Letters in Applied Microbiology, 24, SOMMER, B., MARIÑO. A., SOLARTE, Y., SALAS, M.L., DIEROLF, C., VALIENTE, C., MORA, D., RECHSTEINER, R., SETTERS, P.; WIROJANAGUD, W., AJARMEH, H., AL-HASSAN, A., e WEGELIN, M. (1997). SODIS - an emerging water treatment process. Journal WSRT-Aqua, 46(3), WEGELIN, M., CANONICA, S., MECHSNER, K., FLEISCHMANN, T., PESARO, F. e METZLER, A. (1994). Solar water disinfection: scope on the process and analysis of radiation experiments. Journal WSRT-Aqua, 43(3), ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8