BACTERIOLOGICAL INACTIVATION. The wastewater contains a large diversity of microorganisms some of which are

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1 Introdução The wastewater contains a large diversity of microorganisms some of which are pathogens. However, contamination is usually assessed in an indirect way through microbiological indicators and not directly by determining the pathogens presence. The use of indicators has the following advantages: Makes it easier to verify the water quality in the area to protect, with analyzes of simple implementation, avoiding the need for multiple and complex microbiological analyzes. The direct determination of the presence of pathogens do not allow to take precautionary measures to avoid contamination situations, since, in general, when detected in small amounts lead to serious epidemic risk situations. 113

2 The main difficulties lie in adopting indicators that are: representative of the presence of fecal microorganisms and; that have decay rates correlated with the pathogens. A proper evaluation of the impact of discharges through submerged outfalls implies: selection of appropriate indicators, determining the rate of inactivation of the bacteria that constitute the group indicator; its correlation with the rate of inactivation of pathogens. 114

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4 Key indicators of bacterial contamination Coliform Group: The Total Coliform (CT) are the broader group of microorganisms including bacteria found in the human intestinal tract and other warm-blooded animals but also includes existing unpolluted soil and vegetation bacteria. Are defined as the set of microorganisms that ferment lactose at 35º Celsius. Quadro 1 Main microorganisms that constitute the different indicators of the Coliform group (adapted from WOOD et al., 1993). KIND OF MICROORGANISM INDICATOR Escherichia E. Coli Coliform Klebsiella Fecal Coliform Enterobactes Citrobactes Total The relationship between the concentration of TC and the presence of pathogens are often difficult to quantify. 116

5 Modelação da inactivação bacteriológica The main difficulties are associated with the existence in this group of bacteria with no fecal origin, which have a much lower resistance to disinfection (KABLER e CLARK cit. WOOD et al., 1993). This has led to the replacement of the CT tests by more narrow indicators. Examples of more restrictive group of indicators are groups of fecal Coliform (CF) and Escherichia Coli (E. Coli). CF is a restricted subset of the CT comprising microorganisms of fecal origin of warm-blooded animals but also includes bacteria Klebsiella group which is commonly found in industrial effluents from pulps. The test for CF isolate corresponds to ferment lactose to a higher temperature (44,5º C) which can not be tolerated by some non faecal microorganisms. E. Coli is the coliform group indicator which more restrictive, almost exclusively associated with microorganisms of fecal origin at least in temperate climates (Wood et al. 1993). In tropical climates WOOD, 1993 mentions HAZEN, 1988 work where this does not happen. 117

6 Group of Streptococci fecal. The group fecal streptococci (FS) includes several species and varieties of Streptococci whose normal habitat is the intestinal tract of warm-blooded animals. Are defined as Streptococci antibodies that react with the group D, and occasionally with the group Q (WOOD, et al., 1993.). The group of Enterococci corresponds to a subgroup of (FS) and is considered the most appropriate for assessing fecal contamination of coastal waters after the work of CABELLI et al., 1983 and CABELLI, In these studies it was found a correlation between the incidence of severe acute gastroenteritis in users of coastal waters with direct contact and the concentration of Enterococci. It was found that this indicator was more appropriate than others such as E. coli, CF and CT. Quadro 2 - Main microorganisms that constitute the different indicators of the Streptococci Group (adapted from WOOD et al., 1993). KIND OF MICROORGANISMO S. faecalis S. faecium S. durans S. avium (Grupo D) S. bovis S. equinus INDICATOR Enterococci Streptococci fecais 118

7 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA Modeling bacteriological inactivation A inactivação dos microorganismos fecais no meio receptor é condicionada por diversos factores (THOMANN e MUELLER, 1987): 1) Solar radiation; 2) temperature; 3) salinity; 4) predation by the biota of the receiving environment; 5) nutrients concentration, 6) Toxic substances; 7) sedimentation after discharge, 8) resuspension of contaminated sediments; 9) growth rate of microorganisms in receiving water. A influência relativa de cada um destes factores varia e depende de cada situação específica. 119

8 DECAY MODELING dc dt KBC (1) in which K B is inactivation rate. The concentration C in time t is given by: C C e o K t B (2) in which C o is the indicator initial concentration initial that depends of treatment level before discharge. An alternative formulation to express the inactivation rate is to use the T 90. C C o.10 t T 90 The relation between T 90 and K B is made by: K B ln( 10) T T (3) 90 2,

9 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA DECAY MODELING (cont.) Na taxa de inactivação podemos considerar três componentes: KB KB KB KB (4) em que: D I S K BD - componente da taxa de inactivação função da temperatura, salinidade, predação e crescimento no meio receptor sem exposição à luz solar, K BI - componente da taxa de inactivação devido à radiação solar; K BS - componente da taxa de inactivação devido à sedimentação (ou ressuspensão). 121

10 TEMPERATURE AND SALINITY (without sunlight) A componente K BD é avaliada determinando a inactivação do indicador num ambiente sem luz. O efeito de temperatura é em geral aproximado por uma expressão do tipo (THOMANN e MUELLER, 1987): K ( ) K (20 C) (1,07) o ( 20) BD BD (5) em que K BD o ( 20 C) é a taxa de inactivação para 20 C e é a temperatura em C. 122

11 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA TEMPERATURE AND SALINITY (without sunlight) Relação da taxa de decaimento de vírus com a temperatura (adaptado de THOMANN e MUELLER, 1987). 123

12 TEMPERATURE AND SALINITY (without sunlight) Coliform Totais com o efeito da salinidade e temperatura (MANCINI, 1978): ( 20) K ( 1 B d ) ( 0, 8 0, 6 P ) (, ) D SW 1 07 (6) em que P SW é a quantidade relativa de água do mar no meio receptor, que varia entre 0 e 1 e expresso em C. GAMESON, 1984 nos ensaios que efectuou, obteve taxas de inactivação com uma lei análoga à curva apresentada na Figura 1, obtendo para Coliform Totais. KB D ( d 1 ), (, ) ( ) com em C. (7) Nos ensaios efectuados constatou ainda que o aumento da salinidade em 1g/kg aumentava a taxa de inactivação K BD em cerca de 2,5%, obtendo uma relação de 2,3 entre os valores de K BD na água do mar e na água doce. Para Coliform fecais GAMESON, 1985 constatou que entre 4 e 24 C K BD variava linearmente com a temperatura obtendo a seguinte correlação: 1 KB D ( d ) 0, , 0260 (8) 124

13 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA SOLAR RADIATION Quanto à componente da radiação solar é usual considerar-se que esta é proporcional à intensidade da radiação K B I I I (9) em que I é a radiação média e I é uma constante de proporcionalidade (área por unidade de energia). De acordo com os ensaios efectuados por GAMESON e GOULD 1985, I apresenta um valor análogo para CT e CF de cerca de: I 012, m 2 W 1 d 1 125

14 RADIAÇÃO SOLAR (cont.) Os resultados experimentais efectuados por POMMEPUY et al., 1992 no Canal da Mancha e no Mediterrâneo para E. Coli, indicam uma melhor correlação se se considerar I dependente da intensidade de radiação. Reduzindo os resultados de POMMEPUY et al., 1992 às unidades utilizadas anteriormente e com o mesmo modelo para o decaimento devido à radiação solar: K B I I I obtém-se: I I, m W d com I expresso em ( Wm 2 ). 126

15 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA RADIAÇÃO SOLAR (cont.) A radiação na coluna de água é calculada de acordo com a lei de Lambert. I I e o K ( H z ) e t t (12) em que: I o - radiação na superfície livre do meio receptor; I - radiação à profundidade ( H T Z) ; K e - coeficiente de extinção global; H t - altura de água da superfície livre; z - altura em relação ao fundo. t A radiação na superfície livre da água I o resulta da recebida no topo da atmosfera menos a absorvida e a reflectida ao longo do seu trajecto até chegar à superfície livre da água. A radiação no topo da atmosfera depende da latitude do local, da declinação e do ângulo local do Sol. A parcela absorvida pela atmosfera depende das condições meteorológicas nomeadamente da nebulosidade. 127

16 RADIAÇÃO SOLAR (cont.) Em alguns casos assume-se a hipótese simplificativa de que a radiação solar é, desde o nascer até ao pôr-do-sol, constante e igual à radiação média que se verifica nesse período. Figura 4 - Variação da radiação solar ao longo de um dia sem nebulosidade e a aproximação por média (adaptado de THOMANN e MUELLER, 1987) 128

17 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA RADIAÇÃO SOLAR (cont.) O comportamento da taxa de inactivação é particularmente sensível á radiação solar, como se pode constatar dos resultados experimentais efectuados por BELL et al., 1992 (Figura 5). Estes resultados indicam claramente que qualquer calibração de um modelo que englobe inactivação bacteriológica deverá atender à variação da radiação solar ao longo do dia sob pena de se introduzir erros significativos. Figura 5 - Variação do T 90 para Coliform fecais na zona de exutor de Wellington na Nova Zelândia (adaptado de BELL et al., 1992). 129

18 RADIAÇÃO SOLAR (Coeficiente de Extinção global) Expressões empíricas para determinar o valor do coeficiente de extinção global K e em função da profundidade máxima z s a que o disco de Secchi é visível. (SVERDRUP et al., 1942 e BEETON, 1958 cit. THOMANN e MUELLER, 1987) K ( 17, a19, ) / z (13) e s DI TORO, 1978 desenvolveu uma expressão válida para K e 5, 0m 1 em função dos sólidos inorgânicos em suspensão (SSI) dos sólidos orgânicos (SO), ambos em ( mg l 1 ) e da 1 concentração de clorofila (P) em gl. K ( 1 e m ) 0, 052 ( SSI ) 0174, ( SO ) 0, 031 ( P ) (14) RILEY, 1956 cit. THOMANN e MUELLER, 1987 relacionou K e com a concentração de clorofila (P) e obteve a seguinte expressão: 1 K ( m ) K ' 2, ( P), ( P) / (15) e e 1 em que K e é o coeficiente de extinção devido a outros factores sem ser a clorofila. A correcção introduzida pela expressão (15) conduz a valor análogos aos da expressão (14) até 1 concentrações de clorofila de cerca de 15gl. Para valores de concentração superiores THOMANN e MUELLER, 1987 recomenda a utilização da expressão (15). 130

19 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA RADIAÇÃO SOLAR (Coeficiente de Extinção global) Ensaios efectuados no estuário de Morlaix por POMMEPUY et al., 1992 permitiram obter uma correlação acentuada entre o coeficiente de extinção K e e a concentração de matéria sólida em suspensão. Se se considerar a matéria sólida em suspensão (SM) expressa em( mg l 1 ), a correlação obtida permite exprimir K e em (m -1 ) da seguinte forma: K ( e m 1 ), ( SM ) 0, (16) 131

20 RADIAÇÃO SOLAR (Coeficiente de Extinção global) A componente da taxa de inactivação devido à radiação solar é, dependente da profundidade (MONTEIRO,1995): K B I 1 H H max p ( Hmax Hp ) Ke ( Ht Zt ) I I e dzt (17) Integrando a expressão (17) obtém-se: K B I I H K I Ke H t H e ( max ) 1 p e e K e H p (18) 132

21 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA RADIAÇÃO SOLAR (Coeficiente de Extinção global) Se utilizarmos as alturas adimensionalizadas a expressão (18) fica: K B I h ' p I I ' h H K max t e e K H (1 h e t max ) 1 ' e K e h ' p h ' max H t (19) 133

22 COMPONENTE DE SEDIMENTAÇÃO K K K K B B B B D I S Para a componente de sedimentação K BS MANCINI, 1978 propôs a seguinte expressão: K B S v S H t (20) em que v S corresponde à velocidade de sedimentação do indicador bacteriológico associado à matéria sólida sedimentável. 134

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