DANIELLE GONÇALVES RODRIGUES
SISTEMA ALTERNATIVO PARA DESINFECÇÃO DA ÁGUA
POR PASTEURIZAÇÃO SOLAR PARA PEQUENAS
COMUNIDADES
SISTEMA ALTERNATIVO PARA DESINFECÇÃO DA ÁGUA
POR PASTEURIZAÇÃO SOLAR PARA PEQUENAS
COMUNIDADES
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora em Engenharia Agrícola, na área de concentração Água e Solo.
Orientador: Prof. Dr. José Euclides Stipp Paterniani
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE A SER DEFENDIDA PELA ALUNA
DANIELLE GONÇALVES RODRIGUES, E
ORIENTADA PELO PROF. DR. JOSÉ EUCLIDES STIPP PATERNIANI
Este exemplar corresponde à redação final da Tese de Doutorado defendida por Danielle Gonçalves Rodrigues, aprovada pela Comissão Julgadora em 16 de março de 2018, na Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas.
________________________________________________________________
Prof. Dr. José Euclides Stip Paterniani – Presidente e Orientador
FEAGRI/UNICAMP
_________________________________________________________________ Prof. Dr. Geraldo Gonçalves Delgado Neto – Membro Titular
FAJ/Jaguariúna
______________________________________________________________
Prof. Dr. Ariovaldo José da Silva– Membro Titular
FEAGRI/UNICAMP
______________________________________________________________
Prof. Dr. Denis Miguel Roston – Membro Titular
FEAGRI/UNICAMP
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Prof. Dr. Gerson Araujo de Medeiros – Membro Titular
Aos meus queridos pais, Miguel (in memorian) e Jane e a minha linda e amada filha, Júlia, minha família, minha fortaleza, meu porto seguro! Minha principal fonte de amor, compreensão, doação, sabedoria e força. Vocês são as razões da minha vida! Sem vocês ao meu lado, eu não conseguiria. Muito obrigada por me amarem tanto e por fazer de mim um
Ao Prof. Dr. José Euclides Stipp Paterniani
Meu orientador, meu mestre, meu amigo! Obrigada pela lição do saber, pela orientação constante, pela dedicação, por confiar na minha capacidade, por repartir suas experiências de vida comigo e por me auxiliar a trilhar este
caminho. O senhor me ensinou muito mais que teorias, preparando – me também para a vida, através dos seus conselhos e até “puxões de orelha”.
Receba, então, todo o meu carinho, minha admiração e meus sinceros agradecimentos.
Ser mestre é, antes de tudo, saber ensinar e aprender a cada dia. É transmitir, além da sabedoria, confiança e entusiasmo. É deixar
lições de vida, das quais dificilmente nos esqueceremos. É permitir que alcemos vôos, cada
vez mais definitivos, em direção ao futuro”.
A Deus e ao Senhor Jesus, por conduzirem a minha vida, dando-me força e saúde para continuar seguindo em frente e iluminando os meus caminhos por meio da Fé, do Amor e da Esperança. Eles são meus guias que me amparam em todos os momentos da vida;
Ao meu querido pai Miguel Sebastião Rodrigues, pela amizade, apoio e por ter nos ajudado doando partes dos materiais utilizados no projeto de pesquisa e por ter ido comigo realizar o check-list em campo das propriedades rurais. Você não estava mais aqui para ver o projeto final mas sua participação no início foi fundamental para a conclusão dessa pesquisa!
Ao meu querido orientador Prof. Dr. José Euclides Stipp Paterniani, pela excelente orientação, por ter me aceitado como sua orientada e por ter sido tão compreensivo, tão amigo em todos os momentos, principalmente nos mais difíceis;
Ao querido Prof. Dr. Geraldo Delgado Gonçalves Neto, pela excelente orientação no desenvolvimento do Quadro Morfológico deste estudo e por ter sido tão compreensivo, tão amigo em todos os momentos, principalmente nos mais difíceis;
Ao técnico do laboratório Giovann Brota, que me acolheu com carinho e que contribuiu para a conquista desse trabalho. Obrigada por tudo!
À Faculdade de Engenharia Agrícola- FEAGRI Campus de Campinas, em especial, ao Departamento de Água e Solo pela oportunidade de realização deste doutorado;
A Susel Thais Coelho Soares, minha querida amiga, de todas as horas, que sempre esteve à disposição, apoiando, incentivando e aconselhando. A nossa amizade é e sempre será muito especial;
Ao meu irmão de coração Lucas Acurcio, por ser meu melhor amigo e em todos os momentos, por estar sempre presente na minha vida e pelo imenso carinho. Eu adoro você!;
muito divertido e solidário. Você é muito especial!;
As minhas queridas tias, Elza de Lourdes Andrade, Milca Gonçalves e Irene Fernandes Gonçalves por todo amor incondicional, por participarem da minha criação e por contribuírem para minha formação pessoal. Muito obrigada por serem como dedicadas mães para mim!
Aos meus queridos tios Israel Gonçalves e Marcos Gonçalves por me amarem e cuidarem de mim.
Aos meus queridos tios Levy Gonçalves e Samuel Gonçalves, proprietários da empresa Solar Minas que doaram alguns dos materiais para a realização desta pesquisa.
A meus queridos primos Fabiane Andrade, Fernanda Andrade, Tiago Maretti Gonçalves, Tatiana Magalhães Gonçalves por todo amor e amizade! Amo muito vocês!
Ao meu querido primo Alex Fernandes Gonçalves por te sido minhas asas e minhas forças quando eu não mais conseguia caminhar. Obrigada pela paciência, amizade e amor. Sem você eu não teria conseguido! Amo você!
Aos meus queridos amigos Professores Dra. Ana Claudia Camargo de Lima Tresmondi e Prof. Inácio del Fabro, por estarem por perto nos bons e maus momentos, sempre dispostas a me ajudar! Obrigada pelo carinho e pela amizade!
Aos membros da banca examinadora da qualificação, Professor Dr. Gerson Araújo de Medeiros e Franco Giuseppi Dedini. pelas valiosas sugestões a este trabalho!
Aos meus grandes amigos: Jonathas Gazzola, Alice Valente Custódio, Thaís Raquel e Patrícia Scassiotti. Vocês estavam ao meu lado através do pensamento e do sentimento, torcendo por mim! Obrigada por tudo, especialmente pela amizade, pelas palavras de apoio e de encorajamento!
maravilhosa que construímos. Não tenho palavras para agradecer o apoio e o carinho que vocês me deram. Inesquecíveis serão os momentos que passamos juntos!
Aos meus queridos amigos e irmãos de Fé, Marcus Paulo Pereira, Pedro Sabino e Anderson dos Anjos por todo carinho, apoio, amor e orações.
A todos os irmãos da Congregação Cristã do Brasil das Cidades de Campinas e Poços de Caldas, por toda a amizade e orações pela conclusão dessa pesquisa.
Aos funcionários da Unicamp Jamilson e José, que foram muito atenciosos, prestativos e que colaboraram muito para a realização desta pesquisa;
Aos professores da pós-graduação, pelos conhecimentos transmitidos durante as aulas da pós-graduação, por serem atenciosos em todos os momentos que estiveram à disposição esclarecendo as minhas dúvidas e por contribuírem para o meu aperfeiçoamento;
A todos os colegas da pós-graduação pelo ótimo convívio e companheirismo em especial, Agmon Rocha, Rafael (Picachu), Paulo, Trinca, Rosa, Alan, e aos colegas que não citei fica aqui o meu agradecimento;
Ao CNPQ, pela concessão da bolsa de doutorado que possibilitou a execução desta pesquisa;
A todas as pessoas que contribuíram, diretamente e indiretamente, para a conquista dessa importante etapa da minha vida deixo aqui meus eternos agradecimentos!
Muito obrigada! .
A felicidade de termos o Senhor como nosso pastor Salmo de Davi
1. O Senhor é o meu pastor: nada me faltará. 2. Deitar-me faz em verdes pastos, guia-me
mansamente a águas tranquilas.
3. Refrigera a minha alma; guia-me nas veredas da justiça, por amor do seu nome.
4. Ainda que eu andasse pelo vale da sombra da morte, não temeria mal algum, porque tu estás comigo; a tua vara e o teu cajado me consolam. 5. Preparas uma mesa perante mim na presença dos
meus inimigos, unges a minha cabeça com óleo, o meu cálice transborda.
6. Certamente que a bondade e a misericórdia me seguirão todos os dias da minha vida: e habitarei na casa do Senhor por longos dias.
Bíblia Sagrada Salmos – Capítulo 23
consumo, trazendo efeitos deletérios sobre a saúde humana. Dessa forma, promover o acesso dessas comunidades a um sistema de desinfecção alternativo para o tratamento da água é de extrema importância para o fomento da qualidade de vida dessa população. Assim, essa pesquisa teve o objetivo de desenvolver e aplicar um sistema alternativo por pasteurização solar da água, visando a inativação de Coliformes Totais e E. Coli. Para tanto, utilizou-se a ferramenta metodológica quadro morfológico para a definição de 2 equipamentos de pasteurização solar da água para desinfecção da água. Ambos os equipamentos definidos, possuíam tubulação de mangueira de alta pressão e disposição das flautas circular, sendo uma composta com estufa (equipamento 1) e outra sem estufa (equipamento 2), com 100 m de mangueira cada. Para obtenção de dados de radiação e temperatura, utilizou-se um sistema de aquisição de dados da National Instruments Lab View, onde foi possível obter dados de radiação e temperatura por um ano, de fevereiro de 2014 a fevereiro de 2015, sendo esses dados coletados a cada 10 min. totalizando um tempo total diário de amostragem de 10 horas diárias, das 7:00 horas da manhã às 17:00 horas da tarde. Realizou-se ensaios bacteriológicos de acordo com a estação do ano, sendo que a cada estação realizou-se 10 ensaios para coliformes Totais e E. Coli através do método do Colilert, os quais foram correlacionados com os dados de temperaturas obtidos pelo Lab View. Os resultados obtidos nos ensaios bacteriológicos no solstício (verão e primavera) demonstraram que no equipamento 1, houve em 5 ensaios uma redução entre 90 a 100% da concentração de bactérias. Nos ensaios 1, 2, 7 e 8, após o tratamento, a concentração de E.Coli, obteve uma redução de 100% de micro-organismos. Esse fato pode ser explicado devido a temperaturas superiores a 60ºC alcançadas. No equipamento 2 os ensaios 8 e 9, apresentaram temperaturas finais bem próxima a 60ºC, o que permitiu nessas condições uma redução de 60 e 80% respectivamente. Nos ensaios realizados pelos equipamentos no equinócio (outono e inverno), a temperatura máxima obtida nos equipamentos corresponde a 47ºC, o que permitiu uma redução máxima de micro-organismos de 37%. Esse fato pode ser justificado pelas baixas temperaturas encontradas nesse período. Nota-se também a tendência de inativação do grupo coliformes se mantido a uma temperatura menor, porém com um tempo de detenção maior. Assim, conclui-se que os equipamentos testados, apesar de não terem apresentado uma redução superior a 99% em todos os ensaios, possuem potencial de utilização para pasteurização da água em pequenas comunidades, desde que medidas sejam tomadas para aumentar a sua eficiência. Assim, recomenda-se que seja aplicado junto aos equipamentos uma das sugestões a seguir: filtro lento, aplicação de isolamentos térmicos (tanto na tubulação quanto no reservatório de água), instalação de mais um coletor solar em série em cada um dos equipamentos visando aumentar a temperatura final da água, acoplar aos sistemas um WAPI (Indicador de Pasteurização Solar da Água) para avaliar a eficiência dos equipamentos testados.
bringing deleterious effects on human health. Thus, promoting the access of these communities to an alternative disinfection system for the treatment of water is of extreme importance for the promotion of the quality of life of this population. Thus, this research had the objective of developing and applying an alternative system for solar water pasteurization, aiming at the inactivation of Total Coliforms and E. Coli. For this, the methodological tool used was the morphological framework, for the definition for 2 solar water pasteurization equipment for water disinfection. Both equipment had a high-pressure hosepipe and circular flute arrangement, one of which was composed of a greenhouse (equipment 1) and one without a heater (equipment 2), with a hose of 100 m each. To obtain radiation and temperature data, a data acquisition system from the National Instruments Lab View was used, where it was possible to obtain data of radiation and temperature for a year, from February of 2014 to February of 2015, being this data collected every 10 minutes with a total sampling time of 10 daily hours, from 7:00 am to 5:00 pm.Bacteriological tests were carried out according to the season, with 10 tests for Colifers and E. coli using Colilert's method, which were correlated with the temperature data obtained by Lab View. The results obtained in the bacteriological tests at the solstice (summer and spring) demonstrated that the equipment 1 had in 5 tests, reductions between 90 to 100% of the concentration of bacteria. In assays 1, 2, 7 and 8, after treatment, the concentration of E. coli obtained a 100% reduction of microorganisms. This fact can be explained by reaching temperatures above 60 ° C. In equipment 2, tests 8 and 9, showed final temperatures close to 60ºC, which allowed a reduction of 60 and 80% respectively. In the tests performed by the equipment at the equinox (autumn and winter) the maximum temperature obtained in the equipment corresponds to 47ºC, which allowed the maximum reduction of microorganisms corresponds to 37%. The low temperatures found in this period can justify this fact. It is also noted that the tendency of inactivation of the coliform group was maintained at a lower temperature, but with a longer holding time. Thus, it can be concluded that the equipment tested, although they did not present a reduction of more than 99% in all the tests, have the potential to be used for water pasteurization in small communities, provided that measures are taken to increase its efficiency. Thus, it is suggested that one of the following suggestions be applied to the equipment: slow filter, application of thermal insulation in both the pipe and the water reservoir, installation of another solar collector in series in each of the equipment in order to increase the water temperature, to connect a WAPI (Solar Water Pasteurization Indicator) to the system to evaluate the efficiency of the equipment tested.
Figura 1: Comparação entre a falta de acesso à água e saneamento e mortes atribuídas às doenças diarreicas
26
Figura 2: Esquema Vertical da Filtração lenta 32
Figura 3: Filtração em Múltiplas Etapas 34
Figura 4: Sistema de tratamento de água Convencional. 35
Figura 5: Esquema de utilização do sistema SODIS 40
Figura 6: WAPI Comercialmente encontrado 46
Figura 7: Atlas brasileiro de energia solar 47
Figura 8: Funcionamento de um aquecedor solar da água 49
Figura 9: Propriedades Rurais Visitadas 55
Figura 10: Sistema de Pasteurização Solar da Água 59
Figura 11: Equipamentos de pasteurização solar da água instalados no campo experimental da FEAGRI- UNICAMP
62
Figura 12: Ceras de Carnaúba e Abelha 65
Figura 13: Fatores estudados: Concorrentes, Novas Soluções e Inovações 71
Figura 14: Equipamentos de pasteurização solar da água instalados no campo experimental da FEAGRI- UNICAMP
78
Figura 15: Tela do Sistema de aquisição de dados da National Instruments operado pelo aplicativo Lab View 7.1
79
Figura 16: Resultados de Coliformes Totais, Fecais, Temperaturas e Eficiência de Pasteurização nos ensaios realizados no Verão
87
Figura 17: Resultados de Coliformes Totais, Fecais, Temperaturas e Eficiência de Pasteurização nos ensaios realizados na Primavera
90
Figura 18: Resultados de Coliformes Totais, Fecais, Temperaturas e Eficiência de Pasteurização nos ensaios realizados no Outono
92
Figura 19: Resultados de Coliformes Totais, Fecais, Temperaturas e Eficiência de Pasteurização nos ensaios realizados no Inverno
94
Figura 20: Correlação da Equação da linha de Tendência de Pasteurização Solar da água nos Equipamentos 1 e 2
Tabela 1: Doenças relacionadas com a água 23 Tabela 2: Agentes causadores de doenças de veiculação hídricas 24 Tabela 3: Padrão microbiológico de potabilidade da água para consumo
humano
27
Tabela 4: Grupos de Patógenos que transmitem doenças pela água 28 Tabela 5: Faixas operacionais das tecnologias de pasteurização 44 Tabela 6: Faixas Operacionais para a pasteurização com o processo
ATBT para atingir aproximadamente, 4 logs de inativação de micro-organismos específicos
45
Tabela 7: Principais Equipamentos Comerciais utilizados para aquecimento solar da água
50
Tabela 8: Exemplo de um quadro Morfológico 51
Tabela 9: Fatores econômicos e sociais utilizados para a definição do equipamento de pasteurização solar da água.
56
Tabela 10: Diluições utilizadas para as análises bacteriológicas 63
Tabela 11: Ensaios Bacteriológicos Realizados 63
Tabela 12: Funções de um Equipamento de Aquecimento Solar da Água 67
Tabela 13: Quadro Morfológico 68
Tabela 14: Quadro Morfológico de um sistema de Aquecimento Solar da Água com a análise da utilidade de cada componente
72
Tabela 15: Soluções escolhidas para o Sistema de Pasteurização Solar da Água
74
Tabela 16: Quadro Morfológico de um sistema de Aquecimento Solar da Água com a análise da utilidade de cada componente e a definição da solução para o projeto
75
Tabela 17: Itens do Equipamento de Pasteurização Solar da Água 76 Tabela 18: Descrição dos equipamentos utilizados no sistema de pasteurização solar.
77
Tabela 19: Resultados dos dados obtidos de temperatura e radiação através do sistema de aquisição de dados Lab View no ensaio 2 do Verão
81
Tabela 21: Resultados dos dados obtidos de temperatura e radiação através do sistema de aquisição de dados Lab View no ensaio 3 do Outono
83
Tabela 22: Exemplo dos dados obtidos de temperatura e radiação através do sistema de aquisição de dados Lab View no ensaio 7 do Inverno
84
Tabela 23: Proporções utilizadas para a obtenção do WAPI alternativo 98
Pág. 1 .INTRODUÇÃO 19 1.1 Justificativa 20 1.2 Hipótese 21 1.3 Objetivos 21 1.3.1 Objetivos Específicos 21 2. REVISÃO DE LITERATURA 22
2.1 Importância do tratamento e conservação da água 22
2.2 A Água Contaminada e Qualidade de Vida 23
2.3 Microrganismos Indicadores da Qualidade da água 26
2.4 Coliformes Totais e Escherichia coli 29
2.4.1 Coliformes Totais 29
2.4.2 Escherichia coli 30
2.5 Tipos de tratamentos de água para consumo humano 31
2.5.1 Filtração Lenta 31
2.5.2 Filtração em Múltiplas Etapas (FIME) 33 2.5.3 Sistema de Tratamento de Água Convencional 34 2.6 Processos de Desinfecção da água para consumo humano:
Método Físico e Químico
35
2.6.1 Método Químico: Cloro, Dióxido de Cloro e Cloramina e Ozônio 36 2.6.1.1. Cloro (Cl2) 36 2.6.1.2 Cloraminas 36 2.6.1.3 Dióxido de Cloro 37 2.6.1.4 Ozônio 37
2.6.2 Método Físico: Radiação UV e Fervura 38
2.6.2.1 Radiação UV 38
2.6.2.2 Fervura 38
2.7 Processos de Desinfecção Alternativos da água para consumo humano: SODIS e SOPAS
2.7.2.1 Descrição do Processo de Pasteurização da Água 43
2.8 Indicador de Pasteurização Solar da Água 45
2.9 O cenário Energético atual do Brasil 46 2.9.1 Equipamento de aquecedor solar da água 48
2.10 Métodos Criativos: Quadro Morfológico 50
3. MATERIAL E MÉTODOS 53
3.1 Etapa 1: Utilização da ferramenta quadro morfológico para o desenvolvimento de um novo equipamento para desinfecção da água através da energia solar
54
3.2 Definição dos equipamentos de pasteurização solar da água e Instalação no campo experimental
58
3.3 Etapa 2: Sistema de aquisição de dados Lab View 60
3.4 Etapa 3: Ensaios bacteriológicos 61
3.5 Etapa 4: Confecção de um Indicador de Pasteurização Solar da Água “WAPI” alternativo
64
3.6 Etapa 5: Análises Estatística 65
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 67
4.1 Elaboração do quadro morfológico 67
4.2 Equipamentos de pasteurização solar da água e Instalação no campo experimental
77
4.3 Sistema de aquisição de dados Lab View 78
4.3.1 Resultados Obtidos pelo sistema de aquisição de dados LabView
79
4.4 Ensaios bacteriológicos 85
4.4.1Ensaios Bacteriológicos realizados no Solstício (Verão e Primavera)
86
4.4.2 Ensaios Bacteriológicos realizados no Equinócio (Outono e Inverno)
91
4.5 Elaboração de um WAPI (Indicador de pasteurização solar da Água)
96
5.2 Instalação de um Filtro Lento no Sistema 100 5.3 Aplicação de isolamentos térmicos tanto na tubulação quanto no
reservatório de água
100
5.4 Instalação de mais um coletor solar instalado em série ou em paralelo em cada um dos equipamentos
101
5.5 Instalar o Sistema de estufa no equipamento 2 102 5.6 Avaliação da Utilização da radiação solar de acordo com cada
região
102
5.7 Aplicação de parâmetros cinéticos da inativação térmica de Escherichia coli
103
6 CONCLUSÕES 105
1.INTRODUÇÃO
A disponibilidade de água de boa qualidade é de extrema importância à manutenção da vida, todavia, essa disponibilidade em alguns locais como pequenas comunidades torna-se escassa, trazendo com isso diversos efeitos deletérios sobre o bem-estar físico, mental ou social dessas populações. A falta de água de boa qualidade também é um problema constante em situações emergenciais como em períodos de secas e desastres ambientais seja estes naturais ou antropogênicas.
As doenças de veiculação hídrica atingem principalmente idosos e crianças podendo levar ao óbito. Segundo dados da OMS (Organização Mundial de Saúde), (2004), cerca de 1,1 bilhões de pessoas no mundo não dispõem de formas melhoradas de acesso à água e 2,4 bilhões de pessoas não têm acesso a qualquer tipo de equipamentos para promoção do saneamento. Cerca de dois milhões de pessoas morrem todos os anos devido a doenças diarreicas causadas por água contaminada. Destes, a maioria são crianças com menos de cinco anos de idade.
Assim, faz-se necessário o desenvolvimento e implantações de sistemas alternativos que promovam a desinfecção da água para consumo humano de forma acessível e compatível a realidade dessas populações com o intuito de proteger o bem estar das mesmas.
Tendo em vista que, em países pobres ou em desenvolvimento, os métodos para desinfecção de água deparam-se com dificuldades como impossibilidade de aquisição de desinfetantes ou capacitação insuficiente dos técnicos encarregados da operação, manutenção e reparos faz-se necessário que os sistemas alternativos a serem implantados nesses locais sejam não somente de fácil instalação, mas também cuja operação e manutenção possam ser gerenciadas e sustentados com recursos locais.
Dessa forma, uma boa alternativa para esses locais é a desinfecção utilizando a radiação solar da água. A desinfecção solar da água funciona como opção principalmente para sistemas individuais (unidade familiar) e mostra-se como um sistema bastante simples e que não requer insumos, além de sua operação e manutenção ser simples, podendo ser administrada por pessoas da localidade.
O uso da energia solar para desinfecção da água, vem sendo proposta para utilização por exemplo nas áreas rurais de países em desenvolvimento, possibilitando a desinfecção de águas captadas em poços ou mananciais superficiais cujas características físicas e químicas são adequadas ao consumo humano, mas biologicamente não.
O sistema usual para desinfecção da água através da energia solar (SODIS) consiste na utilização de garrafas tipo PET de 2 litros, expostas ao sol por um período de 6 horas. Todavia, esse sistema apresenta restrições como a quantidade de água fornecida diariamente e ao recrescimento bacteriano, sendo que em alguns experimentos demonstrou ineficiência na inativação dos patógenos presentes na água. Assim, a desinfecção solar para ser efetiva deve atingir temperaturas médias de no mínimo 60ºC, promovendo com isso a SOPAS (Pasteurização Solar da Água).
Rodrigues 2011, utilizou três equipamentos de aquecimento da água por energia solar para promoção da desinfecção da água para utilização em comunidades rurais. Dois equipamentos utilizados eram de baixo custo sendo que, um foi construídos com garrafas tipo PET de 2 L e o outro com placa de PVC. O outro equipamento utilizado, era do tipo comercialmente encontrado, com tubulação de cobre. Neste estudo, realizou-se análises bacteriológicas para E. Coli e Heterotróficas. Os resultados demostraram que o equipamento comercial atingiu temperaturas médias de 60ºa 65ºC para um volume diário de 80 litros de água, inativando E. Coli, uma das bactérias responsáveis por doenças diarreicas em crianças e idosos. Devido a temperatura alcançada nesse estudo, o sistema proposto realizou a SOPAS demonstrando o potencial da utilização desse sistema como alternativa para desinfecção da água nesses locais.
Assim sendo, essa pesquisa, consistiu no desenvolvimento de equipamentos de aquecimento solar da água, visando a desinfecção solar da água de modo a se obter a pasteurização da mesma (temperaturas acima de 60ºC) através da utilização de materiais alternativos.
Esta pesquisa foi desenvolvida nos Laboratórios de água e solo da Faculdade de Engenharia Agrícola- FEAGRI – UNICAMP.
1.1 Justificativa
A água é essencial para a manutenção da vida e, seu tratamento consiste em melhorar suas características organoléticas, físicas, químicas e bacteriológicas, com o intuito de torná-la adequada para consumo humano. Porém, em áreas desprovidas de recursos, como pequenas comunidades, não há nenhuma forma de acesso a tratamento de água, o que pode ocasionar doenças de veiculação hídrica, levando em alguns casos ao óbito. Quando a qualidade da água não merecer confiança, ou em épocas de surtos epidêmicos ou em situações emergenciais,
nesses locais, o mais indicado para garantir que a água esteja segura para consumo é através da fervura. Todavia, em muitos locais não há a possibilidade de utilizar essa técnica, uma vez que os recursos são escassos. Assim, faz-se necessário o desenvolvimento de tecnologias alternativas que promovam a desinfecção da água com baixo custo, de fácil operação e manutenção, visando a melhoria da qualidade de vida da população de pequenas comunidades.
1.2 Hipótese
O tratamento alternativo de água para consumo humano por pasteurização solar inativa bactérias Escherichia Coli.
1.3 Objetivo
O objetivo do presente projeto de pesquisa foi desenvolver e implantar um sistema para desinfecção da água, capaz de promover a Pasteurização Solar da Água (SOPAS), através da utilização de equipamentos alternativos de aquecimento solar, de forma a verificar sua efetividade na inativação da bactéria Escherichia coli, presentes na água para consumo humano de comunidades rurais. Para tanto, foi aplicada a ferramenta metodológica Quadro Morfológico.
1.3.1 Objetivos Específicos
Avaliar a influência da radiação solar no aumento da temperatura da água e a redução de micro-organismos;
Comparar os equipamentos de pasteurização solar com e sem o concentrador solar.
Definir os parâmetros de pasteurização solar para bactérias dos Grupos Coliformes (Totais e E.Coli);
Avaliar a importância da utilização da ferramenta metodológica Quadro Morfológico no desenvolvimento de novos equipamentos de desinfecção da água.
1. REVISÃO DE LITERATURA
2.1 Importância do tratamento e conservação da água
A Terra contém cerca de 75% de sua superfície líquida, totalizando, 1,4 bilhões de km3 de água, mas o volume total de água doce é de apenas 40 milhões de km3 o que representa 3 % do seu total, sendo a maior parte na forma de gelo ou oculta no subsolo em profundidades que dificultam a sua exploração. Em condições de uso não haveria mais que 150 mil km3, pouco mais de 0,01% do total de água no planeta ( SANTOS, 1998).
A disponibilidade de água de boa qualidade para consumo humano é de extrema importância para à manutenção da vida. Um dos casos mais marcantes na história da Epidemiologia é sobre a importância da disponibilidade de água de boa qualidade para consumo humano, e, é descrito na Inglaterra no século XIX. John Snow foi um médico inglês, que estudou um grande surto de cólera em Londres em 1854. Ele conseguiu identificar a origem daquele surto através da correlação existente entre doenças e a água para consumo humano, sendo a origem deste surto devido à emissão de esgoto na água.
De acordo com Johnson,2008, para realizar essa constatação, Snow fez uso da infografia para comprovar sua teoria, pois não havia recursos e conhecimento necessário naquela época para identificar possíveis microrganismos presentes na água. Assim, ele observou que esgotos domésticos a montante apresentavam uma taxa de mortalidade por cólera seis vezes mais acentuada do que aquelas residências que se utilizavam da água antes do lançamento dos esgotos.
A água, sendo um recurso finito e vulnerável, pode representar um obstáculo ao desenvolvimento socioeconômico de um país e à qualidade de vida do indivíduo. Há uma intrínseca relação entre o acesso à água de boa qualidade, adequada infra-estrutura de saneamento e saúde humana (PHILIPPI JR A, 2005).
Hubert em 1990 ressalta a importância da conservação da água, aos aspectos qualitativos da água, Platão (427-347 a.C.) já considerava a necessidade de disciplinar o seu uso e prescrevia alguma forma de penalização para aqueles que a ela causassem algum dano, pois, para ele, a água era a coisa mais necessária à manutenção das plantações.
2.2 A Água Contaminada e Qualidade de Vida
De acordo com Pena e Heller 2007, são muitas as doenças que podem proliferar devido à falta ou inadequação de medidas de saneamento. Fatores que contribuem para uma maior incidência ou prevalência de doenças são a não disponibilidade de água em quantidade e de boa qualidade, a má disposição dos dejetos e um inadequado destino dos resíduos sólidos.
Diversos estudos foram efetuados e cada vez mais dados levantados para que se demonstrasse a relação existente entre o processo saúde – doença, tendo-se como veículo a água. Assim, a tabela 1 apresenta a relação das doenças relacionadas com a água. Nota-se que são 4 formas de transmissão de doenças relacionadas com a água contaminada.
Tabela 1: Doenças relacionadas com a água
Doenças transmitidas pela água: causadas pela ingestão de água contaminada por seres humanos, fezes de animais ou urina que contenham bactérias ou vírus patogénicos; incluem cólera, febre tifóide, desinteria bacilar e outras doenças diarreicas.
Doenças devido ao contato com a água contaminada: causadas por uma fraca higiene pessoal,contato com a pele ou os olhos com água contaminada; incluem sarna, tracoma, pulga, piolhos e doenças transmitidas por carrapatos.
Doenças devido a patógenos que vivem na água: causadas por parasitas encontrados em organismos intermediários que vivem em água contaminada; incluem dracunculose, esquistossomose e outros helmintos.
Doenças relacionadas com a água: causadas por insetos vetores, especialmente mosquitos, que se reproduzem na água; incluem dengue, filariose, malária, oncocercose, tripanosomíase e febre amarela.
A tabela 2, demonstra quais os principais agentes causadores de doenças de veiculação hídricas e estas, podem estar presentes na água para consumo humano. Nota-se que a principal fonte de contaminação está relacionada às fezes humanas e está intrinsicamente ligada à ausência de um sistema de saneamento suficientemente eficaz, pois há uma relação direta entre a contaminação dos recursos hídricos com a ausência de saneamento.
Tabela 2: Agentes causadores de doenças de veiculação hídricas
Doença Agente etiológico Sintomas Fontes de
contaminação
Febres tifóide e paratifóide
Salmonella typhi
Salmonella paratyphi A e B Febre elevada,
diarréia Fezes humanas
Disenteria bacilar Shigella dysenteriae Diarréia Fezes humanas
Disenteria
amebiana Entamoeba histolytica
Diarréia, abscessos no fígado e intestino delgado Fezes humanas Cólera Vibrio cholerae Diarréia e
desidratação Fezes humanas e águas costeiras Giardíase Giardia lamblia Diarréia, náusea, indigestão, flatulência Fezes humanas e de animais Hepatite A e B
Febre, Vírus da hepatite A e B icterícia Fezes humanas
Poliomielite* Vírus da poliomielite Paralisia Fezes humanas
Criptosporidiose Cryptosporidium parvum, Cryptosporidium muris Diarréia, anorexia, dor intestinal, náusea, indigestão, flatulência Fezes humanas e de animais Gastroenterite Escherichia coli, Campylobacter jejuni, Yersinia enterocolitica, Aeromonas hydrophila, Rotavírus e outros vírus entéricos
Diarréia Fezes humanas
*Enfermidade Erradicada no Brasil.
Diversos estudos foram realizados para identificar o impacto sobre a saúde humano devido à ausência de um sistema de tratamento de água. Tais estudos mostram as regiões críticas e mais uma vez ressalta que é de extrema importância que seja adotado cada vez mais políticas públicas que possam sanar essa triste realidade, principalmente no Brasil.
De acordo com Batista 2008, no interior do nordeste do Brasil, a falta de água de boa qualidade para consumo humano se agrava devido aos períodos de longa estiagem que obriga uma parte da população rural a dividir o suprimento de água (açudes, barragens, cacimbas etc.) com o gado e animais silvestres. Nas terras mais baixas do litoral é bastante comum o uso de poços rasos para o suprimento residencial de água. Nas áreas urbanas, estas águas sofrem a influencia de fossas sépticas que acabam contaminando o lençol freático.
Fatoreto et al 2011, estudaram a qualidade da água da Unidade de Conservação, Floresta Nacional de Ipanema – FLONA que abriga em 5.000 ha cerca de 80 famílias, totalizando 270 pessoas. No local não há nenhuma forma de tratamento de água, e seu abastecimento é realizado de duas formas: por meio de um poço artesiano central e da água oriunda do Rio Ribeirão do Ferro. Neste estudo, selecionou-se alguns pontos tanto do Rio quanto do posto artesiano para coleta sendo que, utilizou-se os padrões do IAQ (Índice de Qualidade da Água ) da Cetesb como parâmetro. Realizou-se a coleta em 2 pontos por 3 dias. No primeiro dia, em um dos pontos o fosfato total e os coliformes fecais estavam acima do valor estabelecido, demonstrando a necessidade de um tratamento alternativo da água antes do consumo humano.
No estudo realizado por Pruss et al 2002, anualmente há a morte significativa de crianças no mundo em decorrência a doenças diretamente relacionadas às condições deficientes de abastecimento de água e esgotamento sanitário. Essas doenças, especialmente quando associadas a desnutrição, podem enfraquecer as defesas do organismo das crianças a ponto de contribuir para a doença e morte por outras causas como sarampo e pneumonia.
Gleick 2002, realizou um estudo utilizando 3 estimativas diferentes internacionais e pôde estimar que, se não forem tomadas medidas para resolver a falta de água, saneamento e higiene, haverá 135 milhões de mortes evitáveis até 2020. Isso demonstra a crise de saúde pública mais grave enfrentada até o momento, e merece muito mais atenção e recursos do que recebeu até agora.
De acordo com WHO/UNICEF (Organização Mundial da Saúde e Fundo das Nações Unidas para a Infância) 2004, as instituições privadas e os governos nacionais têm tradicionalmente voltado sua atenção para a implementação de grandes, sistemas centralizados de tratamento de água. Tais sistemas não fazem atendimento em áreas rurais,
onde as populações estão dispersas e a proporção atendida é menos de metade do que nas áreas urbanas.
A figura 1 demonstra, por região, a porcentagem da população sem acesso a água tratada e saneamento. Para demonstrar como isso impacta a saúde, a figura também mostra o número de mortes por cada 1000 crianças menores de 1 ano de idade que são atribuíveis a doenças diarreicas. As condições são mais grave na África subsaariana, onde 42% da população não possui água tratada, 64% não possui saneamento básico, e as mortes por doenças diarreicas são maiores do que em qualquer outra região.
Figura 1: Comparação entre a falta de acesso à água e saneamento e mortes atribuídas às doenças diarreicas
Fonte: MONTGOMERY e ELIMELECH, 2007
2.3 Microrganismos Indicadores da Qualidade da água
No Brasil, os padrões de potabilidade e os procedimentos relativos ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano foram estabelecidos na Portaria do Ministério da Saúde nº 2.914/2011 que dispõe sobre o procedimentos de controle e de vigilância da qualidade da água para consumo humano. De acordo com a portaria, água para
consumo humano é a água potável destinada à ingestão, preparação e produção de alimentos e à higiene pessoal, independentemente da sua origem. Assim sendo, é considerada água potável aquela que atenda ao padrão de qualidade estabelecido por essa portaria ou seja, em termos bacteriológicos a portaria estabelece que não deve haver a presença na água para consumo humano de microrganismos patogênicos.
Nesta também, em seu Art. 4 § I, define-se água potável, como a água para consumo humano cujos parâmetros microbiológicos, físicos, químicos e radioativos que atendam ao padrão de potabilidade e que não ofereça riscos à saúde.
Ainda de acordo com a portaria nº 2.914/2011 do Ministério da Saúde, em seu Art. 11, refere-se ao padrão microbiológico da água potável, sendo que este deve estar em conformidade ao apresentado na Tabela 3.
Tabela 3: Padrão microbiológico de potabilidade da água para consumo humano
PARÂMETRO VMP(1)
Água para consumo humano(2) Escherichia coli ou coliformes
termotolerantes(3) Ausência em 100ml
Água na saída do tratamento
Coliformes totais Ausência em 100ml
Água tratada no sistema de distribuição (reservatórios e rede) Escherichia coli ou coliformes
termotolerantes(3)
Ausência em 100ml
Coliformes totais
Sistemas que analisam 40 ou mais amostras por mês: Ausência em 100ml em 95% das amostras examinadas no mês;
Sistemas que analisam menos de 40 amostras por mês: Apenas uma amostra poderá apresentar mensalmente resultado positivo em 100ml
NOTAS:
(1) Valor Máximo Permitido.
(2) água para consumo humano em toda e qualquer situação, incluindo fontes individuais como poços, minas, nascentes, dentre outras.
(3) a detecção de Escherichia coli deve ser preferencialmente adotada.
Nas águas naturais, muitas das vezes encontram-se presentes diversos microrganismos, porém em sua maioria não oferecem risco à saúde humana. Todavia, devido a ausência de um sistema adequado para tratamento de esgoto, há, muitas das vezes, a contaminação dos corpos hídricos com microrganismos patogênicos, acarretando com isso, danos a saúde humana se não houver um tratamento eficiente da água antes do consumo humano.
A tabela 4 demonstra quais são os principais grupos de patógenos responsáveis pelo aparecimento de doenças infecciosas. Atualmente a disenteria é a principal doença com mais índices de ocorrência e mortes no mundo. Os locais onde o nível de aparecimento de doenças infecciosas é mais acentuado correspondem a locais sem nenhuma forma de desenvolvimento humano e tecnológico podendo citar no Brasil, principalmente o norte do estado de Minas Gerais e algumas regiões do Nordeste. Cita-se também regiões carentes e rurais como a população mais vulnerável a infecções diarreicas uma vez que essa população mesmo pertencendo muitas das vezes a grandes centros tecnológicos e industriais, não possuem nenhuma forma de acesso a tratamento de água. Regiões extremamente pobres como a África do sul também sofrem com doenças diarreicas de origem hídrica sendo que devido a precariedade do local, ocorrem milhares de mortes anualmente principalmente em idosos e crianças. A falta de água de boa qualidade para consumo humano também é um problema constante em situações emergenciais como em períodos de secas e desastres ambientais. No Brasil, devido a políticas públicas de saúde, o governo brasileiro disponibiliza à população de forma gratuita vacinas que impedem o seu surgimento. Mesmo assim, diversos casos são registrados, pois muitos locais não têm acesso à vacinação e principalmente ao esclarecimento sobre a sua importância. Esses dados demonstram a importância da implantação de um sistema suficientemente eficaz que promova água de qualidade a todos os grupos da população.
Tabela 4: Grupos de Patógenos que transmitem doenças pela água
Bactérias Vírus * Cianobactérias Helmintos Protozoários
Febre tifoide, Diarreia , náuseas, Vômitos, Pneumonia Meningite, Diarréia, Hepatite A e B. Gastroenterite e hepato-enterite Esquistossomose Ascaridíase Tricuríase Teníase Disinteria, Giardíase Criptosporidiase Toxoplasmose
*O governo Brasileiro através de Políticas Públicas fornece a vacina para prevenção do aparecimento do Vírus da Hepatite A. Assim, houve uma redução significativa de hepatite na população. Todavia outras variações da doença surgem, como a Hepatite B, sendo que para essa variação não há gratuidade da vacinação e seu custo em redes particulares é muito elevado, o que pode levar ao óbito se não tratada de forma adequada.
2.4 Coliformes Totais e Escherichia coli
2.4.1 Coliformes Totais
Desde muito tempo se reconhece que os organismos do grupo coliforme são bons indicadores microbianos da qualidade da água potável, devido principalmente à facilidade na sua detecção e contagem. Se denominam organismos coliformes às bactérias Gram-negativas, em forma de bastonetes, que podem se desenvolver em presença de sais biliares e outros agentes tensoativos com propriedades de inibição do desenvolvimento similares e, fermentam a lactose à 35-37ºC produzindo ácido, gás e aldeído em um prazo de 24 a 48 horas. São também oxidase negatios e não formam esporos. Por definição, as bactérias coliformes apresentam atividade da Beta-galactosidase.Tradicionalmente considerava-se que as bactérias coliformes pertenciam aos gêneros Escherichia, Citrobacter, Enterobacter e Klebsiella.
Entretanto, de acordo com os métodos taxonômicos modernos, o grupo é heterogêneo. Compreende bactérias que fermentam a lactose, como Enterobacter cloacae e Citrobacter freundii, que podem ser encontradas tanto nas fezes como no meio ambiente (águas ricas em nutrientes, solos, matérias vegetais em decomposição) e também na água potável com concentrações de nutrientes relativamente elevadas, compreende também espécies que nunca ou quase nunca se encontram nas fezes e que podem multiplicar-se na água potável de qualidade relativamente boa, por ex., Serratia fonticola, Rahnella aquatilis e Buttiauxella agrestis.
A existência tanto de bactérias não fecais que respondem à definição das bactérias coliformes como de bactérias coliformes lactose negativas limita a utilidade deste grupo como indicador da contaminação fecal.
Nas águas tratadas não deveriam ser detectadas bactérias coliformes e, quando são, se pode pensar que o tratamento tenha sido insuficiente, que tenha havido contaminação posterior ou que a quantidade de nutrientes é excessiva.
Por consequência, a presença dos coliformes pode ser utilizada como indicadora da eficácia do tratamento e da integridade do sistema de distribuição.
2.42 Escherichia coli
Os coliformes fecais também são chamadas de bactérias coliformes termorresistentes, estas bactérias se definem como o grupo de organismos coliformes que podem fermentar a lactose à 44-45ºC. Compreendem o gênero Escherichia e, em menor grau, espécies de Klebsiella, Enterobacter e Citrobacter.
Os coliformes termorresistentes distintos de E. coli podem proceder também de águas organicamente enriquecidas, por ex., de efluentes industriais, ou de matérias vegetais e solos em decomposição. É pouco provável que os organismos coliformes termoresistentes voltem a se desenvolver no sistema de distribuição, a menos que estejam presentes nutrientes bacterianos em quantidade suficiente ou que materiais inadequados entrem em contato com a água tratada, cuja temperatura desta seja superior a 13º C e que não exista nela cloro residual em estado livre.
Uma das espécies de bactérias citadas na portaria 2.914/2011 para verificar a qualidade da água é a Escherichia coli, que é um indicativo por contaminação de origem fecal. Essa bactéria é responsável pelo desenvolvimento da Gastroenterite do ser humano. Se não tratada a Gastroenterite pode levar ao óbito e essa bactéria é encontrada no intestino de animais de sangue quente que ao defecarem podem contaminar os recursos hídricos, demonstrando a importância de um método de desinfecção da água para consumo humano como forma de se evitar doenças de veiculação hídrica. De acordo com Dias 2011, a quantidade excretada por indivíduo infectado com Escherichia coli (g/fezes) corresponde a 108 podendo ter uma sobrevivência máxima na água de 90 dias sendo a dose infectante de 102-108 o que provoca sintomas clínicos em 50% dos indivíduos testados.
É importante ressaltar que, a Escherichia coli é a maior responsável atualmente por morte em idosos e crianças em locais onde há a ausência de um sistema de tratamento de água para consumo humano suficientemente eficaz. Esses índices de mortalidade são mais claramente evidenciados em locais carentes e rurais.
2.5 Tipos de tratamentos de água para consumo humano
Ao longo da história alguns contextos sugerem, que a implementação de serviços sanitários resultou em melhoria dos indicadores de saúde da população. Dois mecanismos principais de transmissão de doenças pela água são observados: por agentes biológicos à ingestão de água contaminada por micro-organismos patogênicos e à transmissão por falta de higiene devido à diminuição da quantidade de água. Embora seja comum dizer que, do ponto de vista técnico, pode-se potabilizar qualquer tipo de água, os riscos sanitários e os custos envolvidos no tratamento de águas contaminadas podem ser muito elevados, exigindo o emprego de técnicas cada vez mais custosas e sofisticadas, como desinfecção da água por uso de produtos químicos (cloro e ozônio) ou até mesmo luz ultravioleta, por esse motivo deve-se priorizar ações de proteção dos mananciais, ou seja, onde segundo Leo Heller “o tratamento começa na escolha da captação da água bruta” (Heller, et al, 2006)
Visando a melhoria da qualidade de vida populacional, técnicas eficientes foram desenvolvidas para o tratamento de água e a consequente promoção de água de boa qualidade a ser distribuída para a população. Todavia, nem todos os locais possuem acesso à sistemas eficientes para o tratamento de água uma vez que seu custo de operação e manutenção são elevados. Assim, serão descritos os métodos da filtração lenta, filtração em múltiplas etapas, convencionais e alternativos para o tratamento de água para consumo humano.
2.5.1 Filtração Lenta
A filtração lenta é o sistema de filtração mais antigo utilizado no tratamento de água. Devido a suas características de simplicidade de construção, operação e manutenção ele segue sendo considerado o sistema de tratamento mais adequado para pequenas comunidades e regiões com escassos recursos técnicos e financeiros. PATERNIANI, 2017.
A prova concreta da eficiência da filtração lenta em remover microorganismos, além de sólidos suspensos e outras impurezas, ocorreu em 1892, pela experiência vivenciada por duas comunidades vizinhas, Hamburgo e Altona, situadas na Alemanha, as quais utilizavam o rio Elba como fonte de abastecimento. O tratamento em Hamburgo consistia em sedimentação simples, enquanto em Altona havia filtros lentos de areia. Com a contaminação do rio Elba, houve uma epidemia de cólera que causou a morte de 7500 pessoas em Hamburgo, o que não aconteceu em Altona. Epidemias subseqüentes em várias partes do mundo confirmaram a importância da filtração antes do consumo de água (DI BERNARDO, 1993).
De acordo com Gimbel et al., 2006 e Langenbach et al 2010, em sistemas com filtração lenta, a água é introduzida no filtro com baixas taxas de filtração (entre 3 e 12 m³/m².dia), o que permite o tratamento principalmente por meio das atividades biológicas. Esses sistemas também são reconhecidos por sua simplicidade na construção e operação, por poderem ser utilizados recursos locais e de não precisar de dosagem de produtos químicos.
O sistema de filtração lenta, possui algumas desvantagens como a sua inviabilidade para turbidez superior a 40 ppm ou para turbidez + cor acima de 50 ppm e, também, sua baixa velocidade de filtração, o que implica em grandes áreas de ocupação. Assim, os filtros lentos têm sua aplicabilidade restrita a tratamento de pequenas vazões de consumo, águas pré-sedimentadas ou de baixa turbidez, e para localidades onde os terrenos não sejam muito valorizados.
A figura 2, apresenta um modelo de filtração lenta. Observa-se que na filtração lenta, utiliza-se basicamente camadas de areia com diferentes granulometrias. Assim, quando a água passar por essas camadas, em uma velocidade reduzida, há a remoção de possíveis micro-organismos presentes na água, o que evidencia a eficiência do método.
Figura 2: Esquema Vertical da Filtração lenta
2.5.2 Filtração em Múltiplas Etapas (FIME)
A operação de limpeza de um filtro lento, sempre foi considerada um problema para os usuários, devido a dificuldade em retirar as primeiras camadas de areia ou a retirada das camadas de não tecido, removendo assim, todo o Schmutzdecke. A demora dessas operações e a mão de obra gasta, mesmo quando não se utilizam não tecidos para posterior colocação do filtro, implicam aumento significativo de custos. Assim, quanto mais essas operações forem espaçadas, ou seja, quanto mais longa forem as carreiras de filtração, mais econômico e viável será o sistema de tratamento (PATERNIANI, 2017).
Tendo em vista a limitação apresentada no Sistema de Filtração Lenta, surge a tecnologia da Filtração em Múltiplas Etapas (FIME). Esta seqüência de tratamento envolve a utilização de pré-filtro dinâmico de pedregulho seguido de pré-filtro de pedregulho de escoamento horizontal ou vertical (ascendente ou descendente) e a filtração lenta como barreira microbiológica. O conceito da filtração em múltiplas etapas se origina, portanto, da busca de opções de acondicionamento ou pré-tratamento para fontes superficiais de água cuja qualidade não é compatível com o uso da filtração lenta, e que apresentem, ao mesmo tempo, eficiência de remoção, níveis de complexidade técnica e custos de manutenção compatíveis com a própria filtração lenta (VISSCHER et al., 1996).
A Filtração em Múltiplas Etapas (FIME) é uma tecnologia adequada às zonas rurais, pequenos e médios municípios por ser um sistema de simples construção, com instalações de baixo custo, nas quais a instrumentação pode ser praticamente eliminada. Essa tecnologia proporciona água filtrada com baixa turbidez, sem a presença de impurezas e organismos patogênicos devido ao seu funcionamento, dividido em etapas com remoção gradativa das impurezas e atenuação de picos de concentração de sólidos suspensos. (FRANCO, 2010).
A figura 3, apresenta todas as etapas da FIME. Nota-se pelo esquema apresentado que é um sistema que apresenta uma ótima eficiência, todavia sua implantação demanda de grandes áreas o que torna sua implantação inviável em grandes centros urbanos. Dessa forma, nesses locais utiliza-se o tratamento de água convencional, o qual será descrito no próximo item a ser abordado.
Figura 3: Filtração em Múltiplas Etapas
Fonte: Di Bernardo, 1999
2.5.3 Sistema de Tratamento de Água Convencional
O sistema de tratamento de água convencional é o mais usual utilizado devido a sua eficiência. O sistema de tratamento de água convencional é composto de adutora, floculadores, decantadores, filtros e reservatórios. Conforme descrito, o sistema convencional atende plenamente às necessidades de um eficiente processo de tratamento, compondo a maioria das estruturas de Tratamento de Água. Sua principal vantagem corresponde à eficiência do tratamento tanto em relação à remoção de cor e turbidez como em relação à eliminação de possíveis patógenos presentes na água para consumo humano. Todavia, seu custo para implantação é elevado e dessa forma se torna inviável sua implantação em pequenas comunidades levando-se em consideração que é necessário um tratamento químico para que se obtenha essa eficiência, o que aumenta seu custo. A figura 4 apresenta um sistema de tratamento de água convencional.
Figura 4: Sistema de tratamento de água Convencional.
Fonte: Sabesb,2018.
1. Captação: A água é bombeada da represa para a ETA.
2. Chegando a ETA, antes de ir para os tanques a água recebe sulfato de alumínio, Cal e cloro, para o tratamento de águas superficiais;
3. A água chega ao tanque de floculação, onde a parte solida nela existente vai formar flocos;
4. A água passa para decantação onde vai ficar em repouso até que a maioria dos sólidos vai para o fundo do tanque;
5. A água é filtrada passando por um filtro de carvão, areia e cascalho 6. Após esse processo adiciona-se cal, flúor e Cloro
7- A água é armazenada no Reservatório da ETA. 8- A água é distribuída para os reservatórios dos bairros. 9- É feita a distribuição para a população
2.6 Processos de Desinfecção da água para consumo humano: Método Físico e Químico
Para se promover a desinfecção da água para consumo humano é necessário que se utilize mecanismos para inativação de possíveis microrganismos patógenos, que após o tratamento da água ainda esteja presente na mesma.
Dessa forma, algumas substâncias foram estudadas para inativação desses patógenos. Assim, podemos promover a desinfecção da água através do método químico, ou seja, quando se adiciona a água alguma substância que consiga inativar esses microrganismos. Como exemplo de substâncias utilizadas no método químico, podemos citar o grupo clorado: cloro, dióxido de cloro e cloramina e o ozônio.
Tendo em vista a eficiência comprovada das substâncias do grupo clorado na inativação de patógenos, sua utilização apresenta um risco à população caso seja manuseada de forma inadequada e por pessoal incapacitado. Caso isso ocorra, pode-se levar ao óbito uma vez que doses elevadas dessas substâncias podem levar a altos índices de intoxicação. Dessa forma, locais sem acesso a nenhuma forma de tratamento de água, se tornaram motivos de preocupação para a administração de substâncias do grupo clorado devido à ineficiência de treinamento operacional da população na utilização dessas substâncias.
2.6.1 Método Químico: Cloro, Dióxido de Cloro e Cloramina e Ozônio
2.6.1.1. Cloro (CL2)
O desinfetante químico mais comumente utilizado para a obtenção de água potável é o cloro (Cl2). A cloração é uma alternativa bastante eficiente para a desinfecção de águas, além de ser residual, proporcionando a eliminação de microrganismo mesmo após a aplicação. No entanto, quando é levado à pequenas comunidades, geralmente não há um treinamento específico sobre a importância do produto quanto a dosagem. Além disso, existem causadores de doenças como os cistos de Giárdia e ooscistos de Cryptosporium que são resistentes a cloração (CARDOSO, et al, 2003).
O cloro tem sido empregado como desinfetante primário na maioria das estações que trata água superficial e subterrânea. Existem outros desinfetantes químicos considerados alternativos destacando-se o hipoclorito de sódio ou de cálcio, o ozônio, o dióxido de cloro entre outros (PROSAB, 2001).
2.6.1.2 Cloraminas
Um dos problemas ao usar cloro para tratar a água é que este se decompõe muito rapidamente. Outra preocupação com o uso de cloro é que podem surgir, na associação com certas matérias orgânicas, trialometanos, uma família de cancerígenos.
Como os trihalometanos são compostos organoclorados formados através da reação do cloro com certos compostos orgânicos como os ácidos húmicos (matéria orgânica) e fúlvicos naturalmente presentes na água, procurou-se outras alternativas para desinfecção a fim de evitar este problema.
Consequentemente, muitas companhias mudaram do cloro para a cloramina. A cloramina é um composto que contém cloro e amónia, é muito mais estável do que o cloro. Porém, a cloramina causa problemas aos peixes, em determinadas concentrações podem levar a morte dos mesmos. O cloro presente sob a forma de cloraminas é denominado cloro residual combinado ( SANTOS et al, 1990).
2.6.1.3 Dióxido de cloro
O Dióxido de Cloro (ClO2) é um gás sintético, de cor amarelo esverdeado a 100ºC, abaixo desta temperatura, condensa-se tornando-se vermelho e cerca de 2,4 vezes mais pesado do que o ar. ( Santos 1987)
De acordo com Santos 1987, desde 1974 a cloração de águas para o tratamento primário através do cloro gasoso vem sendo questionada nos Estados Unidos, pois foram detectados valores acima dos permissíveis para a saúde humana de trihalometanos (THMs) em águas para abastecimento público.
2.6.1.4 Ozônio
A desinfecção por ozônio é um método eficiente para inativar os micro-organismos presentes na água. Ele se diferencia de outros métodos devido ao seu mecanismo de destruição dos micro-organismos.
Ao entrar em contato com compostos orgânicos, o cloro dá origem aos trihalometanos (THM), composto esse derivado do metano e relacionado às doenças cancerígenas, risco esse que estamos expostos diariamente ao beber água ou no banho pela absorção da pele (SNATURAL, 2017). A preocupação em evitar o risco de desenvolver doenças cancerígenas, motiva a busca de novos métodos mais eficientes e menos nocivos à saúde do ser humano e é nesse contexto que a utilização do ozônio começa a ser discutida. O que diferencia o ozônio dos demais agentes desinfetantes é a maneira como ocorre a destruição dos micro-organismos. Ele age diretamente na parede celular, levando à neutralização da célula em poucos milésimos
de segundo. O cloro, por exemplo, atua por difusão através da parede celular, para depois atuar no interior da célula em elementos como enzimas, proteínas, DNA e RNA (SNATURAL, 2017).
2.6.2 Método Físico: Radiação UV e Fervura
2.6.2.1 Radiação UV
A radiação UV insere-se no rol dos processos físicos de desinfecção de águas de abastecimento, dos quais fazem parte também a fervura e as radiações gama e solar. No emprego de agentes físicos, na ação do desinfetante prepondera a interferência na biossíntese e reprodução celular, como consequência dos danos fotoquímicos causados a seus ácidos nucléicos. O ácido desoxirribonucléico (DNA) é o responsável pelo controle das funções e pela reprodução das células. Cada gene do DNA controla a formação do ácido ribonucléico (RNA), responsável pela formação de enzimas específicas e de proteínas estrutura (ALEX et al 2002).
2.6.2.2 Fervura
A fervura é uma técnica de desinfecção de água, que também insere-se no rol dos processos físicos de desinfecção de águas, sendo uma técnica amplamente divulgada e conhecida para promover a inativação dos micro-organismos Essa técnica é a mais segura para o tratamento da água para consumo humano, em áreas desprovidas de outros recursos como em comunidades carentes e rurais.
Ferver a água antes do consumo, é um hábito que deve ser vinculado na população para ser adotado quando sua qualidade não merecer confiança e em épocas de surtos epidêmicos ou em situações emergenciais. Segundo Silva 2007, a fervura deve ser feita durante 15 minutos, para assegurar o aquecimento total do líquido e o extermínio dos microrganismos. Como durante o aquecimento há liberação de gases dissolvidos, tornando a água desagradável ao paladar, recomenda-se o seu arejamento, passando-a de uma vasilha limpa para outra.
Todavia, esta apresenta um custo com insumos como gás ou madeira muito elevado o que inviabiliza, esse processo nas comunidades carentes.
2.7 Processos de Desinfecção Alternativos da água para consumo humano: SODIS e SOPAS
Nos países desenvolvidos pode-se dizer que a expansão das doenças de veiculação hídrica está controlada. Esse controle é de fundamental importância pois os processos infeciosos no ser humano retardam o desenvolvimento de uma nação, trazendo não somente danos materiais mas pessoais. Em locais onde não há a possibilidade de implantação de um tratamento de água suficientemente eficaz, métodos alternativos para o tratamento de água devem ser implantados visando a melhoria da qualidade de vida da população. Dessa forma, serão descritas formas alternativas para o tratamento da água para consumo humano.
O método alternativo para desinfecção da água mais conhecido e difundido é o SODIS (Solar Water Disinfection). Essa técnica foi primeiramente estudada por Aftim Acra em 1984 e posteriormente aprimorada pelo instituto EAWAG, na Suíça. O SODIS, método em batelada, extremamente simples e barato, dispensa o fornecimento de energia elétrica e utiliza apenas garrafas PET como insumo e o sol, universalmente disponível e gratuito (SODIS, 2003).
Outro método utilizado para desinfecção solar da água é o SOPAS (Pasteurização Solar da Água). Esse método consiste na definição do tempo e temperatura necessários para a destruição de micro-organismos presentes na água para consumo humano O processo de pasteurização, foi demonstrado pela primeira vez por Pasteur e Bernard vez em 20 de abril de 1862, na França, em resposta a uma demanda do Imperador Napoleão III para salvar a indústria de vinho francesa de um problema conhecido como “ doença do vinho” ( LEWIS e HEPPELL, 2000).
A seguir serão descritas os métodos SODIS e SOPAS.
2.7.1 Desinfecção da água através do método SODIS
O método SODIS, consiste em usar energia solar para destruir microrganismos patogénicos - organismos causadores da contaminação da água - com isto melhorando a qualidade da água de beber. O método ajuda a prevenir a diarreia e consequentemente salva milhares de vidas. Mais de 400 crianças morrem todos os dias, no mundo inteiro, devido às consequências da diarreia (QUALI, 2018).
O método SODIS, sigla para desinfecção solar, utiliza duas componentes da radiação: UV-A, responsável pela modificação do DNA dos microrganismos e a radiação infravermelha
responsável pela elevação da temperatura da água, tendo em vista que os microrganismos são sensíveis ao aquecimento (SODIS, 2003).
Segundo EAWAG/SANDEC (2005), atualmente cerca de um milhão de pessoas utilizam regularmente o SODIS como método de desinfecção em 20 diferentes países. Apenas na América Latina, até o final de 2004, mais de 200.000 usuários foram contabilizados. Existe uma grande aceitação do SODIS nas comunidades onde já houve sua disseminação. A porcentagem de usuários regulares está entre 40 e 80% do total de pessoas capacitadas. Os benefícios diretos do SODIS na saúde pública são evidentes, havendo uma redução de até 75% nos casos de doenças diarreicas entre os usuários regulares do SODIS. (EAWAG/SANDEC, 2005).
O Sistema SODIS consiste na utilização de garrafa tipo PET de 2 litros transparente que fica exposta ao sol por um período de aproximadamente 6 horas. A associação entre o aumento da temperatura da água com a exposição à radiação solar promovem na maioria dos casos a inativação de micro-organismos presentes na água para consumo humano. A figura 5 demonstra todas as etapas de funcionamento do sistema SODIS. Nota-se que seu uso é bem simples. Inicialmente promove-se a limpeza das garrafas, em seguida coloca-se a água nas garrafas sem enchê-las completamente, depois é somente fechar as garrafas e agitá-las bem. Após esse processo, termina-se de encher as garrafas e coloca-se no sol por um período de 6 horas, ressaltando-se que o período indicado para essa exposição é das 9 horas da manhã às 15:00 horas da tarde pois é o período onde se obtêm as maiores radiações solares. Após a água resfriar, a água encontra-se propícia para o consumo humano.
Figura 5: Esquema de utilização do sistema SODIS
