Introdução INACTIVAÇÃO BACTERIOLÓGICA 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 de indicadores tem as seguintes vantagens: 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. 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. 113
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. A correcta avaliação do impacte de descargas através de exutores submersos implica: a escolha dos indicadores apropriados, a determinação da taxa de inactivação das bactérias que constituem o grupo indicador; a respectiva correlação com a taxa de inactivação de elementos patogénicos. 114
Principais indicadores de contaminação bacteriológica O Grupo dos Coliform: 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. 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 As relações entre a concentração de CT e a presença de elementos patogénicos é geralmente de difícil quantificação. As principais dificuldades são 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. 116
Modelação da inactivação bacteriológica Exemplos de indicadores mais restritos do grupo dos Coliform são os grupos dos Coliform fecais (CF) e dos Escherichia Coli (E. Coli). 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. 117
Grupo dos Streptococci fecais. 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.). 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, 1989. 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. Quadro 2 - Principais microorganismos que constituem os diferentes indicadores do grupo dos Streptococci (adaptado de WOOD et al., 1993). TIPO DE MICROORGANISMO S. faecalis S. faecium S. durans S. avium (Grupo D) S. bovis S. equinus INDICADOR Enterococci Streptococci fecais 118
Modelação da inactivação 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) ressuspensão 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. 119
MODELAÇÃO DO DECAIMENTO O processo de inactivação é geralmente aproximado através de uma taxa de decaimento dos microorganismos de primeira ordem: dc dt = K BC (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) 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 a utilizar o denominado de T 90. C = C o.10 t T 90 O T 90 relaciona-se com K B através da seguinte expressão: K B = ln( 10) T = T (3) 90 2, 3 90 120
MODELAÇÃO DO DECAIMENTO (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
TEMPERATURA E SALINIDADE (sem luz solar) 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 ( θ) = K (20 C) (1,07) o ( θ 20) 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. 122
TEMPERATURA E SALINIDADE (sem luz solar) Relação da taxa de decaimento de vírus com a temperatura (adaptado de THOMANN e MUELLER, 1987). 123
TEMPERATURA E SALINIDADE (sem luz solar) Coliform Totais com o efeito da salinidade e temperatura (MANCINI, 1978): ( 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. 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 ) =, (, ) ( 20 1 0 1 07 θ ) com θ 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, 0581 0, 0260 θ (8) 124
RADIAÇÃO SOLAR Quanto à componente da radiação solar é usual considerar-se que esta é proporcional à intensidade da radiação K B = α I I I (9) em que I é a radiação média e α I é uma constante de proporcionalidade (área por unidade de energia). De acordo com os ensaios efectuados por GAMESON e GOULD 1985, α I apresenta um valor análogo para CT e CF de cerca de: α I = 0, 12 m 2 W 1 d 1 125
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 α 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 = α I I obtém-se: α I = I, m W d 2 0 44 2 1 1 com I expresso em ( Wm 2 ). 126
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
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
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
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 = ( 1, 7a1, 9 ) / z (13) e s DI TORO, 1978 desenvolveu uma expressão válida para K < 1 e 5, 0m 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 µ gl. K ( 1 e 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 K ( m ) K ' 2 = +, ( P) +, ( P) / 3 0 0088 0 054 (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 de15µg l. Para valores de concentração superiores THOMANN e MUELLER, 1987 recomenda a utilização da expressão (15). 130
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, 78 0 22 (16) 131
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 H p ) Ke ( Ht Zt ) α I I ο e dzt (17) Integrando a expressão (17) obtém-se: K B I α I H K I ο K e H t H = e ( max ) 1 p e K e H p [ e ] (18) 132
RADIAÇÃO SOLAR(Coeficiente de Extinção global) Se utilizarmos as alturas adimensionalizadas a expressão (18) fica: K B I α I H K I ο = ' ' hphmax t e e K H (1 h e t ' max ) 1 [ ] K h h H e e ' p ' max t (19) 133
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 S = B v S H t (20) em que S v corresponde à velocidade de sedimentação do indicador bacteriológico associado à matéria sólida sedimentável. 134
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