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Drinking water treatment using Moringa oleifera and solar water disinfection

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Academic year: 2022

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Drinking water treatment using Moringa oleifera and solar water disinfection

Geraldo Luis Charles de Cangela1, Antônio Domingues Benetti1*

1 Instituto de Pesquisas Hidráulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul (IPH, UFRGS)

*Autor correspondente: Instituto de Pesquisas Hidráulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Av. Bento Gonçalves 9500, Caixa Postal 15029, Campus do Vale, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil. 91501-970. Email: benetti@iph.ufrgs.br

ABSTRACT

Coagulation with seed extracts from the plant Moringa oleifera followed by solar disinfection was used to treat turbid surface water containing fecal microorganisms. Under optimal conditions of pH, Moringa dose, rapid and slow mixing times, turbidity removal reached 94%. After solar disinfection, the concentrations of total coliforms and Escherichia coli were below the method detection limits. Coagulation with Moringa alone could remove more than 99% of the bacteria if the clarified water passed through a common cotton kitchen towel. The tests indicated that the treatment of turbid water with M. oleifera and SODIS can significantly reduce turbidity, coliforms and E. coli, thus reducing the risks associated with the ingestion of contaminated water. The method has potential for application in regions without the supply of safe drinking water.

KeyWords: coagulation with Moringa oleífera, low-cost drinking water treatment, SODIS, solar water disenfection.

TRATAMENTO DE ÁGUA PARA CONSUMO HUMANO USANDO Moringa Oleifera E DESINFECÇÃO SOLAR

Resumo

Coagulação com extratos da semente da planta Moringa oleífera seguida por desinfecção solar foi usada para tratar agua superficial com turbidez e presença de microrganismos fecais. Em condições ótimas de pH, concentração de Moringa e tempos de mistura rápida e lenta, foi alcançada remoção de 94% da turbidez. Após a desinfecção solar, as concentrações de coliformes totais e Escherichia coli ficaram abaixo dos limites de detecção dos métodos. A simples coagulação com Moringa pode reducir as concentrações de bacterias em mais de 99%, se a agua clarificada passesse por uma simples toalha de algodão Os testes indicaram que o tratamento de águas turvas com M. oleífera e SODIS pode reducir significativamente a turbidez, coliformes totais e E. coli, desta maneira reduzindo os riscos associados a ingestão de água contaminada. O método tem potencial para aplicação em regiões onde não há o suprimento de água segura para consumo humano.

Palavras chave: desinfecção solar da água, coagulação com Moringa oleífera, tratamento de agua para consumo humano de baixo custo, SODIS.

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Introdução

O acesso à água potável é uma componente essencial de proteção à saúde da população. Contudo, em 2014, 700 milhões de pessoas no mundo não tinham acesso à fontes seguras de água potável. Além disto, três bilhões de pessoas não recebiam água potável canalizada em suas residências (UNICEF e WHO, 2014). Em áreas com carência de fontes melhoradas de água potável, é comum o uso de água de fontes desprotegidas, que podem estar contaminadas com microorganismos patogênicos. A OMS estima que 94% das diarreias são causadas por água contaminada e falta de saneamento, resultando em 1,5 milhões de mortes anuais de crianças com menos de cinco anos (Prüss-Ustin e Corvalán, 2006). Nos países em desenvolvimento, milhões de pessoas que vivem em áreas rurais não têm acesso a água potável. Por exemplo, no Brasil, cerca de 15% da população rural não tem acesso a fontes melhoradas de água para consumo doméstico, enquanto que, em Moçambique, este número sobe para 65% da população (UNICEF e WHO 2014).

Existem diversas tecnologias simples de tratamento de água que podem ser usadas a nível domiciliar, melhorando a qualidade da água e diminuindo os riscos de aquisição de doenças (WHO, 2011). Por exemplo, sementes de Moringa oleifera podem ser usadas para a coagulação de águas túrbidas (Paterniani et al., 2009). M. Oleifera é um polieletrótito natural que contém proteinas solúveis catiônicas que desestabilizam colóides na água (Lea, 2014). Para águas com baixa turbidez, a inativação de microorganismos patogênicos pode ser feita com desinfecção solar.

SODIS usa a radiação ultravioleta e temperatura transmitida pela radiação do sol para inativar bactérias, vírus e protozoários (EAWAG, 2002).

O objetivo deste trabalho é relatar os resultados de experimentos em que uma água superficial com turbidez e contendo microrganismos fecais foi tratada por coagulação com extratos de semente da plantas M. Oleifera e desinfecção solar.

Materiais e Métodos

Fonte de captação da água

A água bruta usada nos testes foi captada na entrada da estação de tratamento de água Moinhos de Vento na cidade de Porto Alegre, Brasil. O lago Guaíba, de onde é captada a água para a estação de tratamento, apresentava turbidez de aproximadamente 80 NTU e concentrações de Escherichia. Coli entre 103-104 NMP/100 mL. A cidade de Porto Alegre está localizada na latitude 30o1'40'' sul, encontrando-se dentro da região considerada favorável para aplicação do SODIS, que é entre 15o a 35o, norte ou sul (EAWAG, 2002).

Extração e preparo dos extratos das sementes de Moringa oleifera

As sementes foram obtidas a partir de vagens da planta Moringa oleifera. As sementes foram descascadas e expostas ao sol durante 15 dias. Após a secagem, as sementes secas foram trituradas com almofariz e pilão. O pó das sementes esmagadas passaram por uma peneira com 0,85 mm de abertura e armazenadas em garrafas de plástico. Doze gramas do pó foram pesadas em balança analítica e diluidas em 100 ml de água deionizada. A suspensão foi misturada com agitador magnético durante 30 minutos. Em seguida, o extrato foi filtrado sob vácuo usando um filtro com porosidade de 7,5 µm. A partir do extrato filtrado, volumes compreendidos entre 10 e 30 ml foram usadas para os testes de coagulação e floculação.

Condições de coagulação em jartestes

Os testes foram realizados em equipamento jarteste Policontrol, modelo FlocControl III. As velocidades de mistura rápida (coagulação) e lenta (floculação) foram 120 e 20 rpm, respetivamente. Os tempos de coagulação e de floculação variaram de 1 a 5 minutos e de 10 a 30 minutos, respetivamente. Em todos os testes, o tempo de sedimentação foi fixado em 120 minutos. Nos testes, as variáveis dependentes foram cor e turbidez, enquanto que as independentes foram pH, tempos de mistura rápida (TMR) e lenta (TML) e dose de Moringa oleifera. Foram realizados 28 ensaios jarteste, definidos com o uso da técnica delineamento central composto (DCC) (Montgomery, 2009). A Tabela 1 mostra os níveis de variação dos fatores no DCC. Por exemplo, um teste com níveis -1, -1, 1, 1 apresentava pH igual a 6,5, tempo de mistura rápida de dois minutos, tempo de mistura lenta de 25 minutos e dose de M. oleifera de 1550 mg/L.

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Tabela 1. Níveis de variação dos fatores no DCC Fator

controle Símbolo Níveis

-2 - 1 0 1 2 pH X1 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5

TMR (min) X2 1 2 3 4 5

TML (min) X3 10 15 20 25 30

Dose (mg l-1) X4 650 950 1250 1550 1850

Testes de desinfeção solar de água (SODIS)

A água usada no teste com SODIS foi coletada na mesma fonte que os testes de clarificação com Moringa. Antes do teste com SODIS, a água foi clarificada usando as condições ótimas determinadas nos ensaios de coagualação com Moringa (concentração, TMR, TML e pH). Foram usadas garrafas transparentes de PET com volume de 1.5 litros.

Para enchimento das garrafas, seguiu-se o procedimento descrito em EAWAG (2002). Após o enchimento, os frascos foram colocados em estrutura de zinco, posicionado com ângulo de 45° e dirigido para o norte. Estas condições maximizam a exposição solar na região de Porto Alegre.

Seis garrafas cheias com água clarificada com M. oleifera foram expostas ao sol por seis horas, enquanto três garrafas foram mantidas a sombra. A água, em três das garrafas expostas ao sol, foi previamente filtrada em uma toalha de algodão. A exposição ao sol ocorreu entre 10:00 e 16:00 h. Nos tempos dois, quatro e seis horas, garrafas expostas ao sol eram recolhidas para análise de coliformes totais e E. coli. Termômetros foram inseridos em uma garrafa exposta à luz solar e em outra protegida da luz solar.

Métodos de análises

Turbidez, cor e pH foram medidos com Turbidímetro Hach model 2100, colorímetro Digimed modelo DM-COR, e pH-metro Digimed modelo DM-2. As concentrações de coliformes totais e Escherichia coli foram medidos usando o método Colilert Quanti-Tray® (IDEXX Laboratories 2014).

Resultados e Discussão

Testes de clarificação com Moringa

A água utilizada nos testes com Moringa oleifera apresentou as características descritas na Tabela 2.

Tabela 2. Características da água usada no teste de clarificação com Moringa Características Unidade Valor

Cor Pt-Co 224

Turbidez NTU 80

pH - 6,6

Sólidos dissolvidos totais mg/L 665

Alcalinidade mg/L CaCO3 20

A remoção mais alta de turbidez nos 28 ensaios de coagulação com Moringa foi atingida com as seguintes condições: concentração de Moringa igual a 950 mg/L, pH de 6,5 e tempos de mistura rápida e lenta de 4 e 25 minutos, respectivamente. Nestas condições, a remoção de turbidez foi de 94% e a de cor, 80%. Verificou-se que o pH ótimo para coagulação foi praticamente o mesmo da água bruta. Estes resultados são compatíveis com os verificados por outros pesquisadores, como Nkurunziza et al. (2009), Paterniani et al. (2009) e Cardoso et al. (2008).

Testes de desinfeção solar de água

A clarificação da água com Moringa oleifera, além de remover turbidez e cor, também reduziu as concentrações de coliformes totais e Escherichia coli. A tabela 3 mostra as concentrações destes organismos para a água clarificada

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sem e com filtração. A água “filtrada” passou por uma toalha comum de cozinha, de algodão, dobrada duas vezes.

Observa-se as elevadas remoções de coliformes e E. coli. Estes resultados são compatíveis com o fato de que bactérias têm tamanhos na faixa coloidal, sendo também afetadas pela coagulação.

As tabelas 4 e 5 apresentam, respectivamente, os resultados de testes com SODIS em água coagulada com M.

oleifera sem e com filtração prévia em tecido de algodão. Nas mesmas tabelas, são mostrados os resultados da água clarificada em amostras que foram protegidos do sol durante o mesmo tempo de duração do SODIS. As temperaturas da água no interior das garrafas PET expostas ao sol variaram entre 30o a 54°C. A temperatura da água nas amostras protegidas do sol mantiveram-se em 25oC.

Tabela 3. Remoção de coliformes totais e E. coli em agua bruta clarificada com a Moringa Organismo

Concentração (NMP/100 mL) Remoção (%) Água bruta Clarificada,

não filtrada

Clarificada, filtrada

Clarificada, não filtrada

Clarificada, filtrada Coliformes totais 7.3×105 2.7×104 3.6×103 96.3 99.5

Escherichia coli 2.0×103 3.1×101 1.0×101 98.5 99.5

Tabela 4. Concentrações de coliformes totais e E. coli em amostras de água coaguladas com Moringa oleifera expostas e não expostas ao sol, sem filtração prévia em tecido de algodão da cozinha.

Tipo de Exposição Organismos

Concentração (NMP/100 mL) Remoção (%) Água

clarificada

Tempo de exposição (h)

2 4 6 2 4 6

Não exposta

Coliformes totais 2.7×104 2.4×104 2.1×104 1.9×104 11 22 30 Escherichia coli 3.1×101 1.1×101 2.0×100 < 1 65 94 > 99 Exposta

Coliformes totais 2.7×104 1.1×104 6.8×101 < 1 59 > 99 > 99 Escherichia coli 3.1×101 1.1×101 < 1 <1 65 > 99 > 99

Tabela 5. Concentrações de coliformes totais e E. coli em amostras de água coaguladas com Moringa oleifera expostas e não expostas ao sol, com filtração prévia em tecido de algodão da cozinha.

Tipo de Exposição Organismos

Concentração (NMP/100 mL) Remoção (%) Água

clarificada

Tempo de exposição (h)

2 4 6 2 4 6

Não exposta

Coliformes totais 3.6×103 2.8×103 2.5×103 2,0×103 22 31 44 Escherichia coli 1.0×101 3.1×100 2 < 1 69 80 > 99 Exposta

Coliformes totais 3.6×103 2.9×103 1,9×103 < 1 19 47 > 99 Escherichia coli 1.0×101 3.0×100 < 1 < 1 70 > 99 > 99

Para água não filtrada e armazenada ao abrigo do sol, houve um ligeiro decréscimo na concentração de coliformes após seis horas. Para E. coli, a concentração foi inferior ao limite de deteção do método. Para amostras expostas ao

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sol, as remoções de coliformes totais e E. coli foram superiores 99% após seis horas de exposição. Isto ocorreu em amostras clarificadas sem e com filtração prévia ao SODIS. Ressalte-se que as concentrações de E. coli presentes na água clarificada com Moringa e que foram utilizadas nos testes eram bastants baixas, respectivamente 31 e 10 NMP/100 mL para as águas não filtrada e filtrada. Este nível baixo deveu-se a significativa remoção alcançada pela coagulação com M. oleifera.

Para avaliar o possível recrescimento de bactérias após o tratamento com SODIS, foi feito um teste em amostras de água expostas à luz solar por seis horas. Este teste foi realizado após seis horas do término do SODIS, não tendo sido observado recrescimento de coliformes totais e E. coli.

Conclusões

Extratos de sementes de Moringa oleifera foram usados como coagulante para clarificar água bruta com presença de turbidez. Foram realizados 28 jartestes, variando-se a dose de coagulante, pH e tempos de mistura rápida e lenta. Nas condições ótimas de coagulação, as remoções de turbidez, coliformes totais e E. coli foram, respectivamente, 94%, 99.5% e 99.5%. Estes níveis de redução de coliformes e E. coli ocorreram quando o clarificado era filtrado em tecido comum de algodão. Nos testes com SODIS, as concentrações de coliformes e E. coli ficaram abaixo dos limites de detecção do método após seis horas de exposição. Desta forma, o tratamento da água turva usada no teste com Moringa oleifera seguida por SODIS produziu uma água com concentrações de organismos indicadores de contaminação fecal em conformidade com os padrões microbiológicos de potabilidade da água. Os resultados sugerem o potencial das técnicas de coagulação com Moringa oleifera e SODIS para o tratamento de águas com turbidez e com a presença de microrganismos de origem fecal. São técnicas simples, de baixo custo e que podem ser aplicadas em regiões sem abastecimento de água potável e onde há a disponibilidade da planta Moringa.

Refências bibliográfica

Cardoso, K.C., Bergamasco, R., Cossich, E.S. e Konradt-Moraes, L.C. (2008) Otimização dos tempos de mistura rápida e decantação no processo de coagulação/floculação de água bruta por meio da Moringa oleífera Lam. Acta Scientiarum – Technology 30, 193-198.

IDEXX Laboratories, Inc. (2014) Quant-Tray System. Westbrook, Maine. www.idexx.com/water/water-testing-solutions.html.

Lea, M. (2010) Bioremediation of turbid surface water using seed extract form Moringa oleifera Lam. (Drumstick) tree. Current Protocols in Microbiology 1G.2.1-1G.2.4.

Montgomery, D.C. (2009) Design and analysis of experiments. 8th ed.,Wiley, New York.

Nkurunziza, T., Nduwayezu, J.B., Banadda, E.N., Nhapi, L. (2009) The effect of turbidity levels and Moringa oleifera concentration on the effectiveness of coagulation in water treatment. Water Science and Technology 59(8), 1551-1558.

Paterniani, J.E.S., Mantovani, M.C., Santana, M R.( 2009) Uso de sementes de Moringa oleífera para tratamento de águas superficiais. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental 13(6), 765-771.

Prüss-Üstün, A. and Corvalán, C. (2006) Preventing diseases through healthy environments: towards an estimate of the environmental burden of disease. WHO press, Geneva.

Swiss Federal Institute of Environmental Science and Technology (EAWAG). Department of Water and Sanitation in Developing Countries (SANDEC) (2002) Solar water disinfection. A guide for the application of SODIS. EAWAG, Dübendorf.

World Health Organization (WHO) (2011) Evaluating household water treatment options: health-based targets and microbiological performance specifications. WHO press, Geneva.

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