INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA

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1 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ARQUITECTURA SECÇÃO DE HIDRÁULICA E DOS RECURSOS HÍDRICOS E AMBIENTAIS QUALIDADE DA ÁGUA E CONTROLO DA POLUIÇÃO INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA António Jorge Monteiro 1 IST, Engenheiro Civil. Professor Auxiliar da Secção de Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambientais do IST

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3 Introdução 1 - Introdução INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA Nas zonas afectadas por descargas de águas residuais a concentração bacteriológica é em geral o parâmetro que determina a qualidade da água para a prática balnear e para a produção conquícula. As águas residuais contêm uma grande diversidade de microorganismos alguns dos quais patogénicos. No entanto, a contaminação é avaliada em geral de uma forma indirecta através de indicadores microbiológicos e não directamente pela determinação da presença de elementos patogénicos. A utilização destes indicadores facilita a verificação da qualidade da água na zona a proteger, com análises de simples execução, evitando a necessidade de múltiplas e complexas análises microbiológicas. Além disso, a determinação directa da presença de elementos patogénicos não permite prever situações de contaminação e adoptar atempadamente medidas cautelares, já que, em geral, quando detectados em pequenas quantidades conduzem a situações de grave risco epidémico. Diversos investigadores têm procedido a estudos de teste de indicadores com o objectivo de determinar correlações entre as respectivas concentrações e a de elementos patogénicos (GELDREICH, 1970 e 1978 cit. THOMANN e MUELLER, 1987; BREZINSKI e RUSSOMANNO, 1969 e SMITH e TWEDT, 1971). As principais dificuldades residem em adoptar indicadores que sejam representativos da presença de microorganismos de origem fecal e que apresentem taxas de decaimento correlacionáveis com a dos elementos patogénicos. Em geral, tem-se verificado que os microorganismos do grupo Coliform, que são dos indicadores mais utilizados, apresentam uma capacidade de sobrevivência muito reduzida quando comparada com a de muitos elementos patogénicos. Isto ocorre, devido à maior susceptibilidade dos Coliform aos desinfectantes (BERG et al., 1978 cit. WOOD et al., 1993) e à maior taxa de inactivação em ambiente salino (McNEILL, 1985 cit. WOOD et al., 1993 e POMMEPUY et al., 1992). A correcta avaliação do impacte de descargas através de exutores submersos implica assim a escolha dos indicadores apropriados, a determinação da taxa de inactivação das bactérias que constituem o grupo indicador e a respectiva correlação com a taxa de inactivação de elementos patogénicos. 3

4 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA No presente documento apresentam-se os aspectos da inactivação bacteriológica de interesse para os técnicos que concebem, modelam e exploram sistemas de tratamento que englobam exutores submarinos. No capítulo 2 referem-se os principais indicadores utilizados para avaliar a contaminação do meio receptor e apresentam-se referências bibliográficas sobre outros indicadores de utilização menos usual. Finalmente no capítulo 3 descreve-se o processo de inactivação bacteriológica, os factores que o afectam, a taxa de decaimento e a forma de modelação deste processo. 4

5 Principais indicadores de contaminação bacteriológica 2 - Principais indicadores de contaminação bacteriológica A maioria das normas e das orientações estabelecidas pelas entidades de saúde pública e de preservação da qualidade dos meios receptores referem-se a níveis de concentração de indicadores microbiológicos. Os principais indicadores microbiológicos pertencem ao grupo dos Coliform e ao grupo dos Streptococci fecais. Os Coliform totais (CT) são o grupo de bactérias mais amplo que inclui microorganismos que se encontram no tracto intestinal humano e de outros animais de sangue quente mas também engloba bactérias existentes em solo não poluído e na vegetação. Definem-se como o conjunto de microorganismos que fermenta em lactose a 35 C. As relações entre a concentração de CT e a presença de elementos patogénicos é geralmente de difícil quantificação. Os CT foram durante muitos anos utilizados como indicador de contaminação de meios receptores mas as dificuldades associadas à existência neste grupo de bactérias de origem não fecal, que apresentam uma resistência à desinfecção bastante inferior às bactérias fecais (KABLER e CLARK cit. WOOD et al., 1993) tem levado à substituição dos testes de CT por outros indicadores mais restritos. Exemplos de indicadores mais restritos do grupo dos Coliform são os grupos dos Coliform fecais (CF) e dos Escherichia Coli (E. Coli). No Quadro 1 apresentam-se os principais microorganismos que constituem os diferentes indicadores do grupo Coliform. Os CF são um subgrupo dos CT mais restrito que engloba os microorganismos de origem fecal dos animais de sangue quente mas também inclui bactérias do grupo da Klebsiella que é comum encontrar em efluentes industriais provenientes de celuloses. O teste para isolar os CF corresponde a fermentar em lactose a uma temperatura mais elevada (44,5 C) que não consegue ser tolerada por alguns dos microorganismos não fecais. A E. Coli é o indicador do grupo coliform mais restrito que se encontra quase exclusivamente associado a microorganismos de origem fecal pelo menos em climas temperados (WOOD et al., 1993). Em climas tropicais WOOD, 1993 cita trabalhos de HAZEN, 1988 em que isso não se verifica. 5

6 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA O grupo Streptococci fecal (SF) inclui diversas espécies e variedades de Streptococci cujo habitat normal é o tracto intestinal de animais de sangue quente. Definem-se como os Streptococci que reagem com os anticorpos do grupo D e ocasionalmente com os do grupo Q (WOOD, et al., 1993.). No Quadro 2 apresentam-se os dois principais indicadores do grupo dos SF. O grupo dos Enterococci corresponde a um subgrupo dos (FS) e é considerado o indicador mais adequado para avaliar a contaminação fecal de águas costeiras após os trabalhos de CABELLI et al., 1983 e CABELLI, Uma síntese destes estudos apresenta-se no ponto 2.3. Nestes trabalhos verificou-se existir uma correlação acentuada entre a incidência de gastroentrites agudas em utilizadores de águas costeiras com contacto directo e a concentração de Enterococci. Verificou-se que este indicador era mais adequado que outros como os E. Coli, os CF e os CT. THOMANN e MUELLER, 1987 referem que a relação entre CF e SF (CF/SF) se tem revelado como um bom indicador se as bactérias são de origem fecal humana (CF/SF>4) ou de outros animais de sangue quente (CF/SF<1). Esta relação, no entanto, só por si não tem qualquer significado sanitário quanto aos riscos em termos de saúde pública. Quadro 1 - Principais microorganismos que constituem os diferentes indicadores do grupo dos Coliform (adaptado de WOOD et al., 1993). TIPO DE MICROORGANISMO INDICADOR Escherichia E. Coli Coliform Klebsiella Fecais Coliform Enterobactes Citrobactes Totais 6

7 Principais indicadores de contaminação bacteriológica Quadro 2 - Principais microorganismos que constituem os diferentes indicadores do grupo dos Streptococci (adaptado de WOOD et al., 1993). TIPO DE MICROORGANISMO INDICADOR S. faecalis S. faecium S. durans S. avium (Grupo D) S. bovis S. equinus Enterococci Streptococci fecais Diversas tentativas têm sido efectuadas para correlacionar CF e CT tendo-se verificado que em termos médios, a concentração em CF é cerca de 20% da em CT (KENNER, 1978 cit. THOMMAN e MUELLER, 1987), mas com uma elevada dispersão em torno deste valor. Apesar dos estudos efectuados por CABELLI, 1989, ter concluído que o melhor indicador da qualidade da água relativamente ao risco de infecção ser a concentração em Enterococci, a maior parte dos países como é o caso dos Países da União Europeia, continua a usar os CT e os CF como o indicador de referência. 7

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9 Modelação da inactivação bacteriológica 3 - Modelação da inactivação bacteriológica A redução de concentração de um indicador de microorganismos fecais numa pluma é maior do que aquela que se obtem por diluição física. Este efeito adicional corresponde a uma inactivação das bactérias cujo conhecimento é necessário para proceder à análise do impacte de descargas de efluentes de elevada concentração bacteriológica. A inactivação dos microorganismos fecais no meio receptor é condicionada por diversos factores (THOMANN e MUELLER, 1987): 1) radiação solar; 2) temperatura; 3) salinidade; 4) predação pela biota do meio receptor; 5) concentração em nutrientes, 6) substâncias tóxicas; 7) sedimentação após a descarga, 8) resuspensão de sedimentos contaminados; 9) taxa de crescimento dos microorganismos no meio receptor. A influência relativa de cada um destes factores varia e depende de cada situação específica. O processo de inactivação é geralmente aproximado através de uma taxa de decaimento dos microorganismos de primeira ordem, em que a taxa de inactivação é directamente proporcional à concentração C do indicador, isto é, dc dt = K B C (1) em que K B é a taxa de inactivação. A concentração C no instante t é assim dada por: C = C e o K t B (2) 9

10 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA em que C o é a concentração inicial do indicador que depende do grau de tratamento antes da descarga. Uma forma alternativa de exprimir a taxa de inactivação, bastante usual, corresponde ao tempo necessário para que o número de bactérias se reduza a um décimo do valor inicial por efeito da inactivação. Este valor é denominado de T 90 e relaciona-se com K B através da seguinte expressão: ln( 10) 2, 3 KB = = T T (3) Na taxa de inactivação podemos considerar três componentes: K = K + K + K (4) B BD BI BS em que: 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). Na análise do impacte de descargas através de exutores submersos é usual considerar-se o T 90 com valor constante da ordem das 4 horas. No entanto, nos estudos efectuados em diversos Países obtiveram-se valores entre 0,6 e 24 horas durante o dia e de mais de 60 horas durante a noite (WOOD et al., 1993). Sínteses sobre os resultados de estudos experimentais efectuados podem ser encontrados em MITCHEL e CHAMBERLIN, 1975 cit. em GAMESON, 1984 e GAMESON, A componente K BD é avaliada determinando a inactivação do indicador num ambiente sem luz. A inactivação nestas condições é um processo lento em que o T 90 é da ordem dos dias ou semanas quando comparados com os estudos efectuados in situ com exposição à luz solar. O efeito de temperatura é em geral aproximado por uma expressão do tipo (THOMANN e MUELLER, 1987): 10

11 Modelação da inactivação bacteriológica o K ( ) K ( C) (, ) ( θ 20 θ = ) BD BD (5) em que K B D o ( 20 C) é a taxa de inactivação para 20 C e θ é a temperatura em C. Na Figura 1 apresenta-se a taxa de decaimento para vírus em função da temperatura observada por diferentes autores e compilada por THOMANN e MUELLER, Como se pode constatar os resultados observados apresentam desvios significativos em relação à expressão (5). MANCINI, 1978 analisou dados disponíveis para Coliform Totais com o efeito da salinidade e temperatura e obteve: ( θ 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 θ expresso em C. Figura 1 - Relação da taxa de decaimento de vírus com a temperatura (adaptado de THOMANN e MUELLER, 1987). 11

12 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA 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 ) =, (, ) ( θ ) (7) com θ em C. 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, 0581 θ 0, 0260 (8) com θ em C. Quanto à componente da radiação solar é usual considerar-se que esta é proporcional à intensidade da radiação KB = α I I (9) I em que I é a radiação média e α I é uma constante de proporcionalidade que dimensionalmente é uma área por unidade de energia. De acordo com os ensaios efectuados por GAMESON e GOULD 1985, que se apresentam na Figura 2, α I apresenta um valor análogo para CT e CF de cerca de: α I = 0, 12 m 2 W 1 d 1 (10) Os resultados experimentais efectuados por POMMEPUY et al., 1992 no Canal da Mancha e no Mediterrâneo para E. Coli, que se apresentam na Figura 3, indicam uma melhor correlação se se considerar α I dependente da intensidade de radiação. Reduzindo os resultados de POMMEPUY et al., 1992 às unidades utilizadas anteriormente obtém-se: 12

13 Modelação da inactivação bacteriológica α I = I, m W d (11) com I expresso em ( Wm 2 ). A radiação na coluna de água é calculada de acordo com a lei de Lambert. I = I e o Ke ( Ht zt ) (12) em que: I o - radiação na superfície livre do meio receptor; I - radiação à profundidade ( HT Z) ; K e - coeficiente de extinção global; H t - altura de água da superfície livre; z t - altura em relação ao fundo. Figura 2 - Relação entre a taxa de inactivação de Coliform fecais e a intensidade de radiação média, para amostras expostas à luz solar (adaptado de GAMESON e GOULD, 1985). 13

14 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA Figura 3 - Relação entre o T 90 para E. Coli e a intensidade de radiação solar em águas costeiras (adaptado de POMMEPUY et al., 1992). 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. 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, tal como se representa na Figura 4. Saliente-se no entanto que 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 14

15 Modelação da inactivação bacteriológica atender à variação da radiação solar ao longo do dia sob pena de se introduzir erros significativos. Figura 4 - Variação da radiação solar ao longo de um dia sem nebulosidade e a aproximação por média (adaptado de THOMANN e MUELLER, 1987) Figura 5 - Variação do T 90 para Coliform fecais na zona de exutor de Wellington na Nova Zelândia (adaptado de BELL et al., 1992). 15

16 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA O efeito da radiação dos diferentes comprimentos de onda da luz solar na taxa de inactivação são indicadas em GAMESON e GOULD, 1985 e WOOD et al., 1993 onde também são apresentadas referências bibliográficas mais detalhadas sobre este assunto. Diversos investigadores desenvolveram expressões empíricas para determinar o valor do coeficiente de extinção global K e. SVERDRUP et al., 1942 e BEETON, 1958 cit. THOMANN e MUELLER, 1987 desenvolveram expressões para cálculo de K e em função da profundidade máxima z s a que o disco de Secchi é visível. K = ( 1, 7a1, 9 ) / z (13) e s DI TORO, 1978 desenvolveu uma expressão válida para K e < 1 5, 0m em função dos sólidos inorgânicos em suspensão (SSI) dos sólidos orgânicos (SO), ambos em ( mg l 1 ) e da concentração de clorofila (P) em µgl 1. 1 Ke ( m ) = 0, 052 ( SSI ) + 0, 174 ( 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 ' 2/ 3 K ( m ) = K + 0, 0088( P) + 0, 054 ( 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 1 aos da expressão (14) até concentrações de clorofila de cerca de15µg l. Para valores de concentração superiores THOMANN e MUELLER, 1987 recomenda a utilização da expressão (15). 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 (Figura 4). 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: 16

17 Modelação da inactivação bacteriológica Ke ( m 1 0 ) =, ( SM), (16) Dada a importância do coeficiente de extinção K e é de toda a conveniência que se proceda a ensaios in situ para determinar o respectivo valor. A componente da taxa de inactivação devido à radiação solar é, dependente da profundidade. Atendendo à expressão (12) o valor médio desta componente é dado por (MONTEIRO,1995): K BI = 1 H Hmax p ( Hmax Hp ) Ke ( Ht Zt ) α I ο e dz (17) I t em que: z t H p - altura em relação ao fundo; - espessura da pluma; H máx - altura do limite superior da pluma. Integrando a expressão (17) obtém-se: K BI α ο ( ) [ e ] I I H K e K H H K H e t max e p = 1 (18) p e Se utilizarmos as alturas adimensionalizadas definidas em (4.31) e (4.32) a expressão (18) fica: K BI α I I = h h H K e ' ο ( 1 max ) e ' ' p max t e ' ' max [ 1 ] K H h K h h H e t e p t (19) Finalmente para a componente de sedimentação K BS MANCINI, 1978 propôs a seguinte expressão: vs KB = (20) S H t 17

18 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA em que v S corresponde à velocidade de sedimentação do indicador bacteriológico associado à matéria sólida sedimentável. 18

19 Síntese REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BELL, R. G.; MUNRO, D.; POWELL, P., Modelling Microbial Concentrations from Multiple Outfalls Using Time-Varying Inputs and Decay Rates, 1992, Wat. Sci. & Tech., 25 (9), BERG, G.; DAHLING, D. R.; BROWN, G. A.; BERMAN, D., Validity of Fecal Coliforms, Total Coliforms and Fecal Streptococci as Indicators of Viruses in Chlorinated Primary Sewage Effluents, Applied and Environmental Microbiology, 36 (6), BREZINSKI, F.T.; RUSSOMANNO, R, The Detection and Use of Salmonellae in Studying Polluted Tidal Estuaries, J. Water Poll. Contr. Fed., 41,5. CABELLI, V. J., Health Effects Criteria for Marine Recreational Waters, Final 1983 Report Nº EPA 600/ , Cincinnati, OH, U:S:A:, 98 p. CABELLI, V. J., Swimming-Associated Illnesses and Recreational Water Quality Criteria, Wat. Sci. Tech., 21 (2), Sci. Tech. GAMESON, A. L. H.; GOULD, D. J., Bacterial Mortality, Part 2 in Investigations of Sewage Discharges to Some British Coastal Waters, Chapter 8, Wrc Technical Report TR 201, Medmenham, U. K., 72 p. GAMESON, A. L. H., Bacterial Mortality, Part 3, in Investigations of Sewage Discharges to Some British Coastal Waters, Chapter 8, Wrc Technical Report TR 239, Medmenham, U. K., 74 p. GELDREICH, E. E., Applying Bacteriologic Parameters to Recreational Water Quality, J. Am. Water Works Assoc. 62,113. GELDREICH, E. E., Bacterial Populations and Indicator Concepts in Feces, Sewage, Stormwater and Solid Wastes, in Indicators of Viruses in Water and Food, G. Berg, Ed. Ann Arbor Science Pub. Inc. Ann Arbor, HAZEN, T. C., Faecal Coliforms as Indicators in Tropical Waters: A Review, Toxicity Assessment, 3, KABLER, P. W, CLARK, H.F., Coliform Group and Fecal Coliform Organisms as Indicators of Pollution in Drinking Water. J. Am. Water Works Assoc. 52,1577. KENNER, B.A, Fecal Streptococcal Indicators, G. Berg, Ed., Indicators of Viruses in Water and Food, Ann Arbor Science Pub. Inc. Ann Arbor, MI,

20 INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA MANCINI, J.L., Numerical Estimates of Coliform Mortality Rates Under Various Conditions, J. Water Poll. Contr. Fed. 50(119). McNEILL, A.R., Microbiological Water Quality Criteria: A Review for Australia, Australian Water Resources Council Technical Paper Nº 85, Canberra, 561 p. MITCHEL, R.; CHAMBERLIN, C.E., Factors Influencing the Survival of Enteric Microorganisms in the Sea: An Overview, in Discharge of Sewage From Sea Outfall, A.L.H. Gameson (Ed.), Pergamon Press, MONTEIRO, A. J., 1995 Dispersão de Efluentes através de Exutores Submarinos. Um contributo para a Modelação Matemática. Tese para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia Civil, IST, Lisboa. POMMEPUY, M; GUILLAUD, J.F.; DUPRAY, E.; DERRIEN, A.; GUYADER, F.CORMIER, M., Enteric Bacteria Survival Factors. Wat. Sci. Tech. 25, (12), SMITH, R.J.; TWEDT, R.M Natural Relationships of Indicator and Pathogenic Bacteria in Stream Waters, J. Water Poll. Contr. Fed. 43, 11. SVERDRUP, H.U.; M.W. JOHNSON; R.H. FLEMING, The Oceans, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 107 pp. THOMANN, R.V.; MUELLER, J.A., Principles of Surface Water Quality Modelling and Control. Harper & Row, New York. WOOD, I.R.; BELL, R.G.; WILKINSON, D.L., Ocean Disposal of Wastewater, Advance Series on Ocean Engineering, 8, World Scientific. Singapore. 20