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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA DANIELLE GONÇALVES RODRIGUES SISTEMA ALTERNATIVO PARA DESINFECÇÃO DA ÁGUA POR PASTEURIZAÇÃO SOLAR PARA PEQUENAS COMUNIDADES Campinas 2018
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA
DANIELLE GONÇALVES RODRIGUES
SISTEMA ALTERNATIVO PARA DESINFECÇÃO DA ÁGUA
POR PASTEURIZAÇÃO SOLAR PARA PEQUENAS
COMUNIDADES
Campinas 2018
DANIELLE GONÇALVES RODRIGUES
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
Campinas 2018
Ficha Catalográfica
Folha de aprovação
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
______________________________________________________________
Prof. Dr. Gerson Araujo de Medeiros – Membro Titular
UNESP/Sorocaba
Dedicatória
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
ser humano feliz! Eu amo muito vocês!
Agradecimento Especial
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”.
(Giselle Rocha)
Agradecimentos
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!;
Ao meu querido amigo Bruno Piva, que esteve ao meu lado durante a realização desse
trabalho, auxiliando em muitas partes dessa tese, sendo um amigo fiel, carinhoso, dedicado,
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!
Aos meus queridos amigos do Departamento de Água e Solo, Samuel Ricardo dos Santos,
Adriana Francisco Ribeiro, Kamila Arantes, Flávia Santos, Túlio Ribeiro, pela amizade
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!
.
Epígrafe
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
Resumo
Pequenas comunidades, muitas das vezes não possuem um sistema de tratamento de água para
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.
Palavras Chave: Pasteurização Solar, Redução de Micro-organismos, WAPI.
Abstract
Small communities often do not have a water treatment system for human consumption,
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.
Keywords: Solar Pasteurization, Microorganisms Reduction, WAPI
Listas de Ilustrações
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
96
Lista de Tabelas
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 20: Resultados dos dados obtidos de temperatura e radiação 82
através do sistema de aquisição de dados Lab View no ensaio 1 da
Primavera
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
Tabela 24: Tipos de Instalação de Coletores Solar 102
SUMARIO
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
39
2.7.1 Desinfecção da água através do método SODIS 39
2.7.2 Desinfecção da água através do método SOPAS 41
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
5.0 RECOMENDAÇÕES 99
5.1Aplicação da desinfecção da água por pasteurização em
pequenas comunidades
99
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
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 106
19
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.
20
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,
21
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.
22
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 km
3 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.
23
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.
Fonte: Adaptado de Gleick 2002.
24
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.
Fonte: Neves ( 1988), Von Sperling ( 1995), Cohan et al. 1999 apud Prosab 2001
25
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,
26
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
27
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.
Fonte: Portaria nº 2.914/2011, do Ministério da Saúde
28
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
29
*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.
30
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.
31
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).
32
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
Fonte: UFCG, 2017
33
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.
34
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.
35
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.
36
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.
37
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
38
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.
39
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
40
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
Fonte: Qualis, 2018.
41
Todavia, segundo estudo realizado por Paterniani e Silva 2005, a desinfecção da água
pela técnica SODIS utilizando garrafas do tipo PET como insumo, apresentam algumas
restrições. Neste estudo, comprovou-se que após 24 horas da exposição ao sol, encontrou-se
valores de concentração de coliformes totais e Escherichia coli tanto superiores como
inferiores àqueles apresentados no momento final do SODIS, indicando que existe a
possibilidade de ocorrer um recrescimento de microrganismos após o processo SODIS
utilizando a garrafa PET como insumo. Nesse estudo, acredita-se que o recrescimento
bacteriano depende significativamente da temperatura que a água alcançou durante a
desinfecção.
Costa et al 2007 estudaram a eficiência da utilização de garrafa PET para potabilizar a
água de um lago em Natal-RN. As garrafas ficaram expostas à radiação solar por 7 horas
visando promover sua desinfecção. Após a realização de exames microbiológicos constatou-
se que, a radiação ultravioleta atuando isoladamente na garrafa PET foi incapaz de desinfetar
plenamente as amostras de água coletada. Assim sendo, a técnica SODIS aplicada visando
potabilizar a água desse lago, mostrou-se um método insuficiente para tratá-la para consumo
humano, necessitando de outro tratamento auxiliar ao processo.
Rodrigues et al 2010 estudaram o quanto a temperatura influencia na desinfecção da
água. Para tanto, utilizou-se garrafas tipo PET de diferentes colorações: incolor, verde e azul
em um concentrador solar para potencializar o aquecimento da água. Os resultados
demonstraram qual coloração das garrafas é a que apresenta a maior eficiência tanto térmica
quanto de desinfecção e consequentemente a mais indicada a ser utilizada pelo método
SODIS. A garrafa que apresentou a maior temperatura foi a de coloração verde que
apresentou uma diferença de temperatura em relação as outras de aproximadamente 7 ºC,
demonstrando que é muito mais eficiente quando comparada com as transparentes usualmente
utilizadas. Este estudo demonstra que o aumento da temperatura é o que mais influencia na
desinfecção da água.
2.7.2 Desinfecção da água através do método SOPAS
A pasteurização é um tratamento térmico que elimina os micro-organismos
termossensíveis (todos os patogênicos e outros não esporulados). A temperatura não
ultrapassa 100°C, podendo este aquecimento ser produzido por vapor, água quente, radiações
ionizantes, calor seco, micro-ondas, etc
42
O processo de pasteurização tem sido estudado em vários locais, tendo sido verificado
que ele apresenta o menor custo quando comparado com outras tecnologias desinfecção,
principalmente quando há disponibilidade de calor residual ( SALVESON et al., 2011).
A pasteurização solar da água (SOPAS) vem sendo utilizada em substituição ao
sistema SODIS pois, utiliza-se apenas do aumento da temperatura da água associados ao
tempo necessário para inativação dos possíveis micro-organismos presentes na água para
consumo humano. Com isso, o método SOPAS apresenta uma vantagem quando comparado
ao SODIS, pois consegue-se tratar um volume maior de água diário se utilizado um sistema
contínuo para aquecimento da água.
Diversos estudos têm sido realizados mundialmente como forma de comprovar a
eficiência do método de desinfecção da água através da pasteurização solar da mesma para
consumo humano.
Solsona e Mendéz (2002) afirmam que a desinfecção solar é alcançada somente com o
processo de pasteurização, ou seja, apenas pelo aumento da temperatura da água. Essa
pasteurização consiste na exposição da água durante um certo intervalo de tempo à
temperatura elevada (70°C) a fim de destruir os microrganismos. Segundo este estudo, as
bactérias, em geral, podem suportar temperaturas até 60ºC.
Y. Jamil et al 2009 estudou o potencial da utilização da energia solar para desinfecção
da água na área rural de Paquistão. Para tanto, utilizou uma caixa solar tipo pasteurizador com
capacidade para três litros. Essa caixa mantinha a temperatura da água ao entorno de 60° a
70° C por mais de uma hora desativando bactéria do grupo coliforme.
Félix et al 2009 estudou o uso da energia solar para desinfecção da água em uma
comunidade no nordeste do Brasil, através do SODIS. A água foi coletada em um poço
artesiano, e três experimentos foram realizados para avaliar os parâmetros que afetam a
eficiência de desinfecção. Foi analisado a influência da radiação solar, da concentração de
oxigênio, e da temperatura. O que apresentou a melhor cinética de desinfecção o aumento da
temperatura promovendo a pasteurização solar. Os resultados demonstram que a eficiência de
inativação foi de 100%.
Salih 2003, desenvolveu um modelo que facilita a previsão da desinfecção solar,
analisando o efeito da exposição à luz solar e da carga de contaminação bacteriana, como
variáveis preditoras, sobre a eficiência da desinfecção energia solar. Para tanto, ele selecionou
números médios de E.Coli, e foram introduzidas em placas de poliestireno e expostos a luz
solar. Os dados mostraram que a desinfecção é dependente tanto da carga de contaminação
bacteriana e exposição a luz solar. Com isso, determinou-se uma análise estatística entre
43
variáveis e determinou-se a exposição necessária para um determinado nível de
descontaminação.
Caslake et al 2004 mediu a inativação bacteriana do grupo E. Coli em duas estações
de tratamento de água através de uma unidade de radiação solar com um volume de 1 L sendo
a turbidez de 0,09 a 0,32. Em aproximadamente 40 min, os coliformes encontrados foram
reduzidos para 2 ordens de magnitude. Quando a unidade tinha uma vazão de 0,4 l/s a uma
temperatura de 55ºC ela inativou 99% da contaminação bacteriana em 44 min.
Sommer et al estudou a aplicação do SODIS onde identificou-se que quando a água
atingia a temperatura de 50º C, foi mais eficiente. A média de radiação solar utilizada foi de
54 Wh/m2 por um período de 140 min. O SODIS produz em torno de 100 L de água potável
por m2 de coletor solar por dia.
Metcalf, 2015 estabeleceu parâmetros microbiológicos da pasteurização solar da água.
Estes testes foram realizados na Tanzânia e Kenia. Um fogão solar foi utilizado para
promover a pasteurização sendo a temperatura 65 ºC a indicada para promover a
pasteurização. Os resultados foram obtidos com o auxílio do WAPI. O WAPI pode ajudar na
implantação dessa técnica simples, segura e com baixo custo. Após a implantação do sistema
de pasteurização, notou-se uma redução dos casos de diarreias provenientes da água
contaminada.
2.7.2.1 Descrição do Processo de Pasteurização da Água
A pasteurização pode ser feita de maneira rápida - temperatura alta, tempo curto
(HTST - "high temperature, short time"), usando-se temperaturas superiores a 70°C por
alguns segundos - ou de maneira lenta - temperatura baixa, tempo longo (LTLT - "low
temperature, long time"), com temperaturas entre 58°C e 70°C por alguns minutos. (LEITE et
al., 2006).
É importante observar que a pasteurização não visa à eliminação de todos os micro-
organismos, como ocorre na esterilização, mas a redução do número de micro-organismos
viáveis presentes. Metcalf e Eddy,2015.
Para que um sistema de pasteurização da água seja eficiente para inativação de um
grupo especifico de micro-organismo, é necessário que se observe as faixas operacionais e o
tipo de micro-organismos que se deseja inativar.
44
De acordo com Solvenson 2012, para a inativação de bactérias E. Coli através da
pasteurização, faz-se necessário que estas sejam submetidas a uma temperatura de 60ºC por
aproximadamente 40 segundos.
Para inativar o vírus da Hepatite A, é necessário que a água esteja a 65 ° C por um
período de pelo menos 6 minutos. Esses valores seriam suficientes para inativar 99,9999%
(redução de 6 log) do vírus (PARRY e MOETIMER, 1984).
Dale Andreatta, 2014 afirma que se a água para consumo humano for aquecida até a
temperatura de 55 ° C durante uma hora, seria suficiente para inativar a maioria, se não todos
os agentes patogênicos sendo que a água aquecida por energia solar, sempre aquecerá e
esfriará lentamente.
Os pasteurizadores mais utilizados para tratamento de efluente são: batelada, de alta
temperatura e baixo tempo de contato (ATBT) e ultra-alta temperatura (UAT). Assim, para
cada sistema é preciso definir as faixas operacionais estabelecidas para cada pasteurizador. A
tabela 5, apresenta as faixas operacionais utilizadas em um sistema de pasteurização.
Observa-se que quanto maior a temperatura utilizada no processo menor será o tempo de
contato necessário para a inativação de micro-organismos.
Tabela 5: Faixas operacionais das tecnologias de pasteurização
F
Fonte: Metcalf e Eddy 2015
Tecnologia de
Pasteurização
Temperatura
ºC ºF
Tempo, s Comentários
Batelada
62-64
161-170
30-35 min
Inativação da maioria das
células de bactérias
vegetativas, incluindo
estreptococos, estafilococos e
mycobacterium tuberculosis
Alta temperatura e
baixo tempo de
Contato (ATBT)
72-75
161-165
8-30 s
Mesmo efeito que o processo
em batelada, mas em menor
período de tempo
Ultra-alta temperatura
(UAT)
135-140
275-285
Menor 1-5
Letal para a maioria das
bactérias, mesmo com menor
tempo de contato que o
ATBT
45
Metcalf e Eddy 2015, estudaram a cinética de desinfecção através do método de
pasteurização da água. Dessa forma, é possível verificar que a eficiência do processo de
pasteurização depende tanto da temperatura como do tempo pelo qual um efluente passa por
um reator. Dessa forma, pode-se traçar a temperatura necessária para que no processo ATBT
(em batelada, alta temperatura e baixo tempo de contato) pudesse reduzir 4 logs de inativação
de micro-organismos. Essas faixas operacionais foram descritas na tabela 6.
Tabela 6: Faixas Operacionais para a pasteurização com o processo ATBT para
atingir aproximadamente, 4 logs de inativação de micro-organismos específicos
Fonte: Metcalf e Eddy 2015.
2.8 WAPI- (Indicador de Pasteurização Solar)
O WAPI ( Indicador de Pasteurização Solar) , foi inventado por Fred Barrett e Dale Andreatta, e
tem como intuito auxiliar na verificação da eficiência de tratamentos alternativos de água por
pasteurização solar.
Assim, o WAPI é um termômetro simples que indica quando a água chegou a
temperatura de 65ºC, necessária para promover a pasteurização solar e inativar possíveis
micro-organismos nocivos ao seres humanos, indicando que a água está adequada para
consumo humano após o tratamento.
O WAPI, que é reutilizável, é constituído de um tubo de acrílico onde é colocado neste
gordura de soja com um emulsificante colorido sendo sólido à temperatura ambiente. Quando
este atinge a temperatura de 65 º, a mistura derrete e vai para a outra extremidade do tubo,
indicando que a água está apta para consumo humano.
A figura 6 apresenta o WAPI comercialmente encontrado.
Micro-organismo Temperatura
ºC ºF
Tempo, s Comentários
Bactérias 72-77 161-170 6-16
Inativação completa
Destruição Completa
Protozoários 70-72 158-162 8-16
Vírus 80-85 176-185 10-30
Bacteriófagos MS2 70-72 175-178 15-40
Helmintos 70-72 158-162 8-10
46
Figura 6: WAPI Comercialmente encontrado
O WAPI apresenta as seguintes vantagens:
1-É um termômetro simples;
2-Tubo de policarbonato contendo cera, que derrete com ou acima da temperatura de
pasteurização;
3-Indica quando o líquido aquecido foi pasteurizado;
4-Elimina a necessidade de ferver água ou leite;
5-Economiza combustível;
6-Reutilizável
2.9 O cenário da Energia Solar no Brasil
O Brasil é um dos países que possui um alto índice de radiação solar, apresentando
assim um ótimo potencial para exploração da energia solar. Comumente, a energia solar tem
sido aproveitada para o aquecimento da água e para a geração de energia elétrica, sendo que a
tecnologia fotovoltaica tem crescido em ritmo acelerado para atender principalmente locais
com carência de energia elétrica convencional.
Com isso, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) lançou a segunda edição
do Atlas brasileiro de energia solar, que reúne um conjunto de informações acumuladas dos
últimos 17 anos sobre a incidência da radiação solar no Brasil. Através da utilização desse
atlas, é possível verificar a viabilidade do desenvolvimento de novas tecnologias que utilizem
a radiação solar uma vez que as zonas com mais índices de radiação solar puderam ser
mapeadas com precisão.
A figura 7 apresenta o Atlas brasileiro de energia solar desenvolvido pelo Instituto
Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Neste, é possível verificar o potencial brasileiro para
47
exploração da energia solar para o desenvolvimento de novas tecnologias que utilizem a
energia solar. Nota-se que a cidade de Campinas, cenário do projeto de pesquisa em questão
apresenta um alto índice de radiação solar, demonstrando a viabilidade do desenvolvimento
protótipos seja para aquecimento da água, geração de energia fotovoltaica e desinfecção solar
Figura 7: Atlas brasileiro de energia solar
Fonte: INPE, 2017
48
É importante ressaltar que ao se utilizar a energia solar, podem ocorrer algumas
problemáticas como, no inverno, a radiação solar é menor e podem ocorrer interrupções da
radiação solar devido aos dias muito nublados e precipitações pluviométricas. Mesmo assim,
esses problemas podem ser superados pois a energia solar apresenta um custo benefício
satisfatório devido a grande incidência anual no Brasil. O emprego de vidro na captação da
energia solar é uma das alternativas que podem ser utilizadas para sanar a problemática de
épocas com baixos índices de radiação solar e precipitação pluviométrica pois o vidro
aumenta a concentração de calor .
Mesmo no inverno brasileiro em alguns locais o índice de radiação é elevado devido à
influência da amplitude térmica. Esse fato pode ser justificado devido ao inverno as massas
de ar provenientes do Polo Norte serem frias, não há formação de nuvens devido as baixas
temperaturas ocorridas no inverno, o que permite que a radiação não encontre dificuldades
para atingir o solo, demonstrando mais uma vez o potencial de utilização da energia solar em
território brasileiro.
Historicamente, a utilização da energia solar foi cogitada a partir da escassez
energética da madeira e lenha no primeiro século da era romana.
De acordo com Vasquez, 1999 durante a escassez energética a população romana
procurava fazer suas construções aonde houvesse mais insolação. Com isso, Plínio, provido
de recursos construiu duas habitações distintas visando o aproveitamento da energia solar,
onde, uma dessas habitações possuía várias janelas com vidros transparentes permitindo assim
que pudesse entrar mais luz solar e consequentemente houvesse uma quantidade maior de
calor (armazenamento) nessa habitação.
Assim sendo, a utilização do vidro para geração de calor foi posteriormente utilizada
na agricultura, permitindo o cultivo de plantas.
2.9.1 Equipamento de aquecedor solar da água
O aquecedor solar da água, consiste em um equipamento que possui um sistema para
aquecimento desta através da energia solar. É composto por reservatório térmico e placas
coletoras, projetado para aproveitar a máxima energia solar. O funcionamento de um
aquecedor solar é baseado no sistema de termossifão. Utilizando na maioria das vezes da
força da gravidade para o transporte da água aquecida. A medida que a água que está nos
coletores aquece pela incidência da radiação solar, sua densidade diminui fazendo com que
ela, sobre pressão da água menos aquecida da parte inferior do recipiente de água quente,
49
suba. Esse processo contínuo eleva a temperatura da água no interior do tanque para
aproximadamente 90º C. Devido ao reservatório térmico boyler do equipamento de aquecedor
solar da água, é possível manter a água a essa temperatura por um longo período de tempo,
permitindo que o calor seja mantido.
Dessa forma, esse tipo de sistema utiliza a física para promover a circulação da água
de forma gratuita, ou seja, faz uso da termodinâmica e da força da gravidade, que fazem com
que a água quente suba naturalmente para o reservatório e que a água fria desça para o painel
solar. A figura 8, demonstra em 6 etapas o funcionamento de um equipamento de aquecedor
solar da água ao longo do dia. Nota-se que na ausência da radiação não há o aquecimento da
água (etapa 1) e consequentemente a água permanece fria ( coloração azul). Porém, conforme
a radiação solar incide nas placas, inicia-se o sistema de termissifão, e começa a ter a
circulação da água e, consequentemente o aquecimento gradativo da mesma (etapas 2, 3, 4 e
5). Para finalizar, na etapa 6 a água encontra-se totalmente aquecida sendo que, a temperatura
final da água depende da incidência da radiação e do tipo de material utilizado para a
confecção do equipamento, variando de 55 a 90ºC.
Figura 8: Funcionamento de um aquecedor solar da água
Fonte: Soletrol, 2017.
A tabela 7 apresenta os 3 principais equipamentos comerciais mais utilizados no
mercado brasileiro para aquecimento da água residenciais e comerciais. Cada um apresenta
50
um custo e uma eficiência distinta e sua escolha está relacionada a sua utilização (residencial
ou comercial)
Tabela 7: Principais Equipamentos Comerciais utilizados para aquecimento solar da
água
Equipamento 1*
(Aquecedor com tubulação
em cobre)
Equipamento 2*
(Aquecedor solar a vácuo)
Equipamento 3*
(Aquecedor em
Polipropileno)
* Fonte: As imagens mostradas foram cedidas pela empresa Solar Minas Ltda.
2.10 Métodos Criativos: Quadro Morfológico
As ferramentas metodológicas se mostram uma excelente alternativa a ser aplicada
para desenvolvimento de um produto. Sua utilização propicia o desenvolvimento de um
projeto simples, seguro e inequívoco. O quadro morfológico é uma dessas ferramentas. Sua
utilização permite diversas soluções para o projeto sendo que a escolha da melhor solução
está diretamente ligada a outros fatores como recursos, demandas ou outro fator de relevância.
A Análise Morfológica foi desenvolvida pelo suíço Fritz Zwicky (1898-1974).
Constituindo uma técnica de raciocínio orientada para a resolução de problemas
multidimensionais e não quantificáveis, este método é especialmente utilizado em casos onde
os tradicionais processos de modelação e de simulação não funcionam ou não podem ser
diretamente aplicados. Utilizando uma matriz, onde são representados os valores das variáveis
independentes do problema, Zwicky concluiu que é possível reduzir a complexidade sem
reduzir o número de variáveis envolvidas. Desta forma, reduz-se o número de soluções
possíveis através da eliminação de combinações de soluções ilógicas para o problema.
(NUNES, 2010).
51
A utilização do quadro morfológico tem se mostrado particularmente útil quando o
projeto se direciona a novos produtos, extrapolando soluções convencionais e explorando o
uso de novos materiais, formas e funções. Sem esta ferramenta, provavelmente o projetista se
restringiria a examinar apenas um número reduzido de soluções e combinações, esquecendo-
se das demais (BAXTER, 1995).
O método estimula a criatividade através da exploração sistemática de um grande
número de possíveis soluções, representadas em forma de um quadro ou matriz, chamado
quadro morfológico. A tabela 8 demonstra um exemplo de um quadro morfológico. Estes
dados são colocados na primeira coluna do quadro. Em seguida, deve-se mostrar em cada
linha o maior número de possíveis alternativas para satisfazer o descrito na primeira coluna.
Combinando as soluções de uma linha com todas as soluções de outras linhas, obtém-se um
número muito elevado de soluções construtivas para o problema. Evidentemente muitas
dessas soluções são inviáveis ou absurdas. A figura mostra um esquema geral do quadro
morfológico com algumas possíveis soluções viáveis. Uma exploração sistemática de todas as
combinações possíveis permite a concepção de novos grupos e sistemas construtivos. Este
método, desenvolvido por Fritz Zwicky, de acordo com Dedini, 2002, consiste em decompor
o problema global em problemas parciais (ou parâmetros do sistema).
Tabela 8: Exemplo de um quadro Morfológico
Soluções Parciais ( Conhecidas ou possíveis)
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
2 2.1 2.1 2.3
3 3.1 3.2 3.3 3.4
4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
5 5.1 5.2
6 6.1 ...
... ...
Fonte: Adaptado por Dedini (2002).
De acordo com Delgado Neto 2005, este método possui vantagens e desvantagens e
não é restrito ao uso em problemas técnicos, podendo ser usado para sistematizar informações
de qualquer natureza. Em geral as informações técnicas podem ser consideradas em sua forma
mais pura. As vantagens e desvantagens descritas pela autor serão citadas abaixo:
52
Vantagens
-Representa problemas complexos mediante um simples quadro;
-Obriga a um procedimento sistemático;
-Permite análise completa do sistema;
-Fornece segurança que nada foi esquecido;
-Cometer erros é muito difícil;
-Fornece impulsos para a criatividade;
-Adequado para aplicação em grupo;
-Serve como fonte de solução para problemas afins;
-Soluções parciais podem ser facilmente combinadas em uma solução global.
Desvantagens
-Não fornecem soluções acabadas, somente soluções conceituais adequadas;
-Neste estágio, as soluções só podem ser avaliadas com certa incerteza;
-Para problemas muito complexos, o quadro pode assumir tamanho inconveniente e
perder a sua clareza.
53
3. MATERIAL E MÉTODOS
O projeto de pesquisa em questão consistiu no desenvolvimento e avaliação de
equipamentos de aquecimento solar da água, de forma a promover um tratamento alternativo
da água através da pasteurização para fins de consumo humano. Assim sendo, realizou-se o
desenvolvimento deste estudo em 5 etapas, sendo elas:
Etapa 1: Elaboração do quadro morfológico e definição dos equipamentos de
pasteurização solar da água;
Etapa 2: Programação de sistema de aquisição de dados Lab View;
Etapa 3: Testes de eficiência de inativação de micro-organismos;
Etapa 4: Elaboração de um indicador de pasteurização solar da água, tipo “WAPI”
(Water Pasteurization Indicador) e;
Etapa 5: Análise Estatística
Na primeira etapa, utilizou-se a ferramenta metodológica para definição dos
equipamentos de pasteurização da água que foram utilizados no projeto de pesquisa em
questão. A ferramenta metodológica escolhida foi o quadro morfológico. Através da
utilização desta ferramenta, definiu-se 2 equipamentos portáteis que pasteurizassem a água, os
quais foram definidos através de um estudo sócio econômico de comunidades rurais sem
nenhuma forma melhorada de acesso a água para consumo humano.
Na segunda etapa, realizou-se a programação do sistema de aquisição de dados com o
auxílio do instrumento virtual LabView com o propósito de monitorar com precisão os dados
de radiação solar e temperatura da água durante as estações do ano de janeiro de 2014 a
fevereiro de 2015, totalizando 13 meses de experimento.
Na terceira etapa, realizou-se ensaios bacteriológicos para avaliar a eficiência dos
equipamentos de pasteurização na inativação dos grupos coliformes (totais e fecais),
correlacionando os dados de temperatura e radiação obtidos através do LabView. Esses testes
foram realizados levando-se em consideração a estação do ano, pois há a variação da radiação
solar e por consequência da temperatura da água nos equipamentos.
Na quarta etapa, foi desenvolvido um dispositivo indicador de pasteurização solar da
água, também conhecido como WAPI, constituído da combinação de cera de carnaúba e a
cera de abelha, o qual foi testado em laboratório para aplicação no experimento de forma a
54
avaliar sua eficiência no monitoramento da temperatura da água para uso em regiões pouco
desenvolvidas.
A seguir serão descritos detalhadamente todas as etapas utilizadas para o
desenvolvimento do equipamento de pasteurização solar da água utilizada nesse estudo.
3.1 Etapa 1: Utilização da ferramenta quadro morfológico para o
desenvolvimento de um novo equipamento para desinfecção da água através da energia
solar
A primeira etapa consistiu na elaboração do quadro morfológico e a definição dos
equipamentos de pasteurização solar da água. Para tanto, foi necessário definir as
características do equipamento de pasteurização solar da água a ser utilizado na pesquisa. O
equipamento foi desenvolvido visando-se um público alvo específico, comunidades rurais
uma vez que não há nenhuma forma melhorada de acesso a água tratada. Todavia, o
equipamento poderá ser usado em diversas situações como: condomínios, clubes,
acampamentos, situações emergenciais (desastres) etc. Com isso, visando-se a caracterização
da comunidade rural quanto ao desenvolvimento do equipamento específico, realizou-se uma
pesquisa de campo em oito comunidades rurais para verificar tanto as características sociais
quanto o acesso a água para consumo humanos dos mesmos. Dessa forma, o equipamento de
pasteurização solar proposto, poderia atendê-los, principalmente em relação ao custo de
aquisição dos mesmos.
A figura 9, apresenta a descrição de duas comunidades rurais visitadas. Nos locais,
nota-se que o acesso a água em cada um dos locais é distinto. Na propriedade 1 (foto 9a), o
acesso dos moradores a água pra consumo humano é feito através de uma lagoa natural (foto
9b), estando sujeitos a diversas fontes de contaminação, principalmente pela divisão da água
com animais presentes no mesmo local. Já na propriedade 2 (foto 9c), o acesso é realizado
através de um poço aberto ( foto 9d) o que não elimina quaisquer chances da presença de
micro-organismos presentes na água para humano. Em todas as comunidades visitadas, não
havia nenhuma forma de tratamento prévio da água antes do consumo humano o que, acarreta
de acordo com relatos dos moradores efeitos deletérios, principalmente relacionados a
doenças diarreicas.
55
Figura 9: Propriedades Rurais Visitadas
9a) Propriedade Rural 1.
9b) Acesso a água para consumo
humano da propriedade rural 1.
9c) Propriedade Rural 2.
9d) Acesso a água para consumo
humano da propriedade rural 2.
Na pesquisa de campo realizada nas comunidades rurais, pode-se definir as
características sócio econômicas dos locais visitados e com isso, os fatores mais relevantes
para o desenvolvimento do projeto de pesquisa em questão. Assim sendo, verificou-se através
de entrevistas com moradores do local visitado informações sobre o valor máximo a ser pago
por cada unidade familiar (5 pessoas) para o equipamento alternativo de tratamento da água,
facilidade ao acesso de insumos para o tratamento de água no local e facilidade de operação
de um equipamento alternativo para o tratamento de água. Com isso, definiu-se os fatores
mais relevantes a serem levados em consideração para se propor um equipamento a ser
utilizado nesses locais como: equipamento de baixo custo, equipamento durável e
equipamento de fácil operação e manutenção.
56
Assim, a Tabela 9, demostra os fatores econômicos e sociais utilizados para a
definição dos equipamentos de pasteurização solar da água. Nota-se que a média obtida do
valor disponível para cada família na aquisição de um equipamento alternativo para o
tratamento de água para consumo humano corresponde R$150,00. Nos locais visitados,
devido à distância relevante de centros comerciais, não havia possibilidade de acesso dessas
comunidades a insumos que pudessem auxiliar no processo de desinfecção da água para
consumo humano. Observou-se também que um fator importante a ser considerado nos locais
é a operação e manutenção do equipamento, o qual definiu-se como sendo o ideal nesses
locais um equipamento que possuísse uma facilidade de operação e manutenção, uma vez que
treinamento complexos nos locais tornariam a implantação do equipamento inviável. É
importante ressaltar também que o mais indicado para essas comunidades seria um
equipamento portátil, garantindo com isso, a qualidade da água para tais populações, devido a
facilidade de instalação do mesmo.
Tabela 9: Fatores econômicos e sociais utilizados para a definição do
equipamento de pasteurização solar da água.
Item avaliado Resultados Encontrados
Valor do Equipamento (Unifamiliar) R$ 150,00 *
Acesso a Insumos para o tratamento de água Não há possibilidade de Acesso a Insumos
Operação e Manutenção do equipamento Fácil
* Média obtida através de pesquisa em campo de 8 comunidades rurais.
Após a definição das características econômicas e sociais utilizados para a definição
do equipamento de pasteurização solar da água, utilizou-se a ferramenta metodológica para
auxiliar no desenvolvimento dos equipamentos de pasteurização da água que foram utilizados
no projeto de pesquisa em questão. A ferramenta metodológica escolhida foi o quadro
morfológico. Através da utilização desta ferramenta, definiu-se 2 equipamentos portáteis que
pasteurizassem a água. O propósito de se utilizar o quadro morfológico para a definição dos
pasteurizadores da água para consumo humano, era definir equipamentos que tinham
probabilidade de reduzir ou eliminar bactérias do grupo coliformes (totais e fecais), sendo
estes de baixo custo, eficientes, duráveis e de fácil operação e manutenção. É importante
57
ressaltar também que um equipamento portátil como esse é de extrema importância não
somente para garantir a qualidade de água para tais população, mas para ser utilizado em
situações extremas como no caso de desastres ambientais.
Para o desenvolvimento do equipamento de pasteurização solar da água, verificou-se a
necessidade de utilização de uma ferramenta metodológica que auxiliasse nessa tarefa. Para
tanto, propôs-se a utilização da ferramenta metodológica quadro morfológico uma vez que,
com a utilização dessa ferramenta, foi possível criar uma solução para ser implantada no
equipamento de pasteurização solar água.
A utilização do quadro morfológico tem-se mostrado particularmente útil quando o
projeto se direciona a novos produtos, extrapolando soluções convencionais e explorando o
uso de novos materiais, formas e funções. Sem esta ferramenta, provavelmente o projetista se
restringiria a examinar apenas um número reduzido de soluções e combinações, esquecendo-
se das demais (BAXTER, 1995).
Para a aplicação do quadro morfológico no desenvolvimento do equipamento de
pasteurização solar da água de forma simples (fabricação fácil), seguro (não apresenta
problemas no seu funcionamento) e inequívoco (atende as características da comunidade
rural: baixo custo, fácil operação e manutenção) foi necessário verificar e estudar os possíveis
equipamentos existentes no mercado que tinham como função aquecer a água através da
energia solar. Após essa verificação, pode-se criar e propor novas soluções para o mesmo e
dessa forma trazer essa solução para ser implantada no equipamento de pasteurização solar da
água proposto neste projeto de pesquisa.
Tendo em vista que o quadro morfológico estimula a criatividade através da
exploração sistemática de um grande número de possíveis soluções, inicialmente para que
fosse possível encontrar o número mais possível de soluções, explorou-se todas as funções
relevantes para o funcionamento de um equipamento de aquecedor solar da água. Assim,
definiu-se 12 funções para a construção de um equipamento de aquecedor solar da água.
Após a definição dessas funções, iniciou-se uma pesquisa dos materiais existentes
disponíveis comercialmente, utilizados para cada uma das funções relevantes para o
funcionamento de um equipamento de aquecedor solar da água.
Dessa forma, elaborou-se o quadro morfológico, utilizando-se os parâmetros das
funções relevantes para o funcionamento de um equipamento de aquecedor solar da água, de
acordo com os equipamentos pesquisados existentes disponíveis comercialmente para a
utilização dessas funções (exemplo: tubulação de cobre, tubulação em PVC e mangueira de
alta pressão). Assim, foi possível ampliar o conhecimento das etapas envolvidas no
58
aquecimento da água e observar quais soluções são viáveis no processo de desinfecção da
mesma, sendo este o objetivo da utilização do quadro morfológico.
Após a elaboração do quadro morfológico, realizou-se a análise de cada componente
utilizado. Para tanto, selecionou-se 16 indústrias brasileiras de aquecedor solar com o intuito
de analisar e identificar quais materiais eram utilizados de acordo com cada função do
equipamento de aquecedor solar da água na fabricação dos mesmos. Verificou-se então, quais
as alternativas para o aquecimento da água mais utilizadas e traçar as novas soluções e/ou
inovações para aquecimento da água. Após a elaboração do quadro morfológico com a análise
de cada componente, pode-se definir o equipamento que era mais indicado para a
pasteurização solar da água para consumo humano a ser implantado em pequenas
comunidades.
3.2 Definição dos equipamentos de pasteurização solar da água e Instalação no
campo experimental
Tendo-se em vista a contribuição deste projeto de pesquisa, na melhoria ao acesso a
água tratada para comunidades carentes, rurais e em situações emergenciais, para melhores
resultados, optou-se por monitorar 2 equipamentos de pasteurização solar da água.
Assim, após a elaboração do quadro morfológico, pode-se definir os 2 equipamentos
mais adequados que pudessem pasteurizar a água para consumo humano a serem implantados
no projeto de pesquisa em questão. Com isso, definiu-se que ambos os equipamentos
deveriam possuir a tubulação de mangueira de alta pressão, entretanto, somente em um dos
equipamentos, a mangueira de alta pressão ficava dentro de um coletor de energia solar,
composto de caixa de alumínio + vidro. Dessa forma, seria possível verificar a influência
desse coletor de energia solar no processo de pasteurização solar da água.
Para precisão dos resultados obtidos, instalou-se junto aos equipamentos, um monitor
automático de temperatura e de radiação solar, o qual foi programado para funcionar por
aproximadamente 10 horas diárias. Esse monitor foi acoplado a um sistema de aquisição de
dados chamado Lab View, o qual será descrito na etapa 3.
A figura 10, apresenta as características do equipamento utilizado na pesquisa de
pasteurização solar da água. Optou-se por trabalhar com o sistema termosifão devido a
economia energética que esse sistema oferece. Assim sendo, as setas de cores azuis
correspondem a água fria antes de passar pelo tratamento, e as setas vermelhas a água
aquecida após passar pelo sistema. Esse movimento contínuo funcionando por mais de 10
59
horas por dia permite que a água alcance uma temperatura que promova a redução de micro-
organismos presente na água.
Figura 10: Sistema de Pasteurização Solar da Água
Legenda
1. Equipamento 1: Pasteurizador Solar da Água Com coletor de alumínio +Vidro.
2. Reservatório de água de 50 L do Equipamento 1.
3. Caixa de abastecimento de água de 310 L dos equipamentos 1 e 2.
4. Reservatório de água de 50 L do Equipamento 2.
5. Equipamento 2 :de Pasteurizador Solar da água Sem coletor Solar.
6. Sistema de aquisição de dados LabView.
7. Sensor de temperatura do Equipamento1.
8. Sensor de temperatura do Equipamento 2.
9. Sensor de radiação utilizado no Sistema.
10. Lâmpada UV.
Fluxo de água Fria
Fluxo de água Quente
Ambos os equipamentos foram confeccionados e instalados no campo experimental da
faculdade de engenharia agrícola da Unicamp.O equipamento proposto, foi desenvolvido
levando-se em consideração uma unidade familiar de 4 pessoas. Dessa forma, o volume de
água diário de 50 L corresponde a água utilizada para consumo humano, lavagem de
utensílios e preparação de alimentos. O protótipo proposto teve um custo total para seu
desenvolvimento de R$220,00. Esse valor encontrado demonstra a tendência de sua aplicação
em comunidades rurais, uma vez que o estudo sócio econômico demonstrou o valor médio
60
para a aquisição do mesmo para uma unidade familiar em comunidades rurais para até 5
pessoas correspondente a R$150,00.
3.3 Etapa 2: Sistema de aquisição de dados Lab View.
Um dos instrumentos amplamente utilizados em laboratórios de controle e sistemas
inteligentes é a placa de aquisição de dados da National Instruments. Para o desenvolvimento
do projeto de pesquisa em questão, escolheu-se um sistema de aquisição de dados (DAQ) NI
USB-6008/6009 da National Instruments, operado pelo aplicativo Lab View 7.1. Um sistema
de aquisição de dados é geralmente compostos por:
1. Sensores e transdutores (que convertem os parâmetros físicos em sinais
elétricos);
2. Circuitos de tratamento de sinais (que processam e condicionam os sinais dos
sensores de forma a possibilitar a conversão em valores digitais);
3. Conversores analógicos-digitais (que transformam os sinais analógicos
condicionados dos sensores em valores digitais) e
4. Interfaces de comunicação com um computador.
O sistema de aquisição de dados do projeto de pesquisa em questão foi instalado no
campo Experimental da Faculdade de Engenharia Agrícola/UNICAMP, e a aquisição de dado
foi realizada no período de 13 meses, de janeiro de 2014 a fevereiro de 2015. Dessa forma,
pode-se monitorar as temperaturas em cada reservatório térmico de acordo com cada radiação
solar incidente levando-se em consideração as estações do ano, uma vez que há uma variação
da característica de cada estação.
Assim, para o sistema de aquisição de dados desse projeto, programou-se para acionar
ou desligar na presença ou ausência de luz solar, monitorando a temperatura dos dois
equipamentos de pasteurização solar da água através de sensores instalados em reservatório
de água. Para monitorar a radiação solar, instalou-se uma lâmpada UV próximo a caixa de
água de abastecimento dos equipamentos, capaz de captar radiação UV. Com isso, a medição
da temperatura da água em cada equipamento estava diretamente ligada à radiação solar
incidente no sensor, a qual, só era acionada na presença de radiação solar e desligado na
ausência da mesma. Dessa forma, os sensores de temperatura e radiação, foram programados
para funcionarem no período do dia em que houvesse a radiação solar incidente na tubulação
61
de alta pressão (aproximadamente das 7 horas da manhã até às 17 horas da tarde. De acordo
com a programação proposta nesta pesquisa, a cada 10 minutos era coletado informações
pertinentes sobre a temperatura da água em cada equipamento e a radiação solar.
Com isso, foi possível realizar uma correlação entre a inativação de micro-organismos,
face à temperatura e à radiação.
3.4 Etapa 3: Ensaios bacteriológicos
O experimento avaliou uma alternativa para desinfeção da água para consumo humano
sem utilizar nenhuma forma de tratamento preliminar, com o intuito de eliminar e ou reduzir
possíveis micro-organismos presentes na água com efeitos adversos a saúde humana. Os
micro-organismos avaliados são do grupo coliformes (Totais e E.Coli).
Os testes bacteriológicos da pesquisa proposta foram realizados no Laboratório de
Saneamento da Faculdade de Engenharia Agrícola/UNICAMP, sendo que instalou-se o
sistema de tratamento no campo Experimental da Faculdade de Engenharia
Agrícola/UNICAMP. Para a avaliação dos resultados, utilizou-se a portaria brasileira número
2914 de 2011 do Ministério da Saúde, que dispõe sobre os procedimentos de controle e de
vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade. Esta
legislação designa Valores Máximos Permitidos (VMP) de diversos parâmetros de qualidade
de água, para que a potabilidade da mesma esteja garantida (BRASIL, 2011).
A figura 11 apresenta o local onde o experimento foi realizado. A água utilizada no
experimento era proveniente de um lago situado nas imediações do Departamento de Meio
Ambiente da Unicamp, onde deste lago, a água era bombeada para um reservatório artificial
na Feagri.
62
Figura 11: Equipamento Instalado no Campo Experimental da Feagri
Esse lago experimental simula uma situação real a qual a população de pequenas
comunidades está habituada para ter acesso à água de consumo humano, ou seja, imprópria
devido a nenhum tipo de tratamento realizado antes do consumo humano.
A água do lago era bombeada para caixa de abastecimento de água de 310 L, onde após
o seu completo enchimento, era distribuídos para os reservatórios de água dos sistemas de
pasteurização número 1 e número 2, ambos com volume de 50 L. Nos reservatórios de água,
havia uma torneira que era utilizada para coletar as amostras de água para análise em
laboratório. As amostras antes do tratamento, eram coletadas sempre às 7:00 horas da manhã,
e, às 17:00 horas do mesmo dia, eram coletadas as amostras após o tratamento, totalizando
um período de amostragem de 10 horas. Assim, após a exposição à radiação solar e ao
aumento da temperatura da água, havia a redução da concentração bacteriológica da água pela
desinfecção/ pasteurização solar. Após esse procedimento, a água nos reservatórios era
descartada e os reservatórios higienizados, iniciando-se novamente o enchimento de todas os
reservatórios para posterior realização de outro ensaio.
Todas as análises bacteriológicas da água foram realizadas conforme metodologia do
Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, AWWA, WEF,
2005). Assim, para identificação e quantificação do grupo Coliformes totais e E. coli usou-se
o método 9223 B. Enzyme Substrate Test e para a identificação e quantificação das bactérias
heterotróficas pelo método 9215 B. Pour Plate Method.
63
Para as análises bacteriológicas, realizou-se testes preliminares com o intuito de
verificar a diluição mais adequada a ser utilizada para bactérias Escherichia coli e
heterotróficas na água de estudo. Assim, a tabela 10 apresenta as diluições utilizadas nesse
estudo para quantificação e qualificação dessas bactérias antes e após o tratamento.
Tabela 10: Diluições utilizadas para as análises bacteriológicas
Pasteurizador
Diluição
Escherichia coli Heterotróficas
Antes
Tratamento
Pós
Tratamento
Antes
Tratamento
Pós
Tratamento
Equipamento 1 10 1
10 2
10 1
100
10 1
10 2
10 1
100
Equipamento 2 10 1
10 2
10 1
100
10 1
10 2
10 1
100
Para a pesquisa em questão, realizou-se os ensaios bacteriológicos da água de acordo
com as estações do ano, pois desta forma, seria possível observar o efeito da variação da
radiação solar nos resultados obtidos. A tabela 11 apresenta as análises realizadas de acordo
com a estação do ano. Ao todo foram realizados 49 testes bacteriológicos.
Tabela 11: Ensaios Bacteriológicos Realizados
Estação do Ano Quantidades de Análises Realizadas
Primavera 10 ensaios bacteriológicos
Verão 19 ensaios bacteriológicos
Outono 10 ensaios bacteriológicos
Inverno 10 ensaios bacteriológicos
Visando a obtenção de melhores resultados, realizou-se a contaminação da água de
estudo somente nos reservatórios de água do sistema de pasteurização. Essa contaminação foi
realizada com esgoto bruto proveniente de uma estação de tratamento de esgoto localizada na
Faculdade de Engenharia Agrícola. Dessa forma, coletava-se o esgoto bruto em uma proveta
de 50 ml e era transferido para os reservatórios de água, sendo 25 ml em cada reservatório.
Após 1 hora da transferência do esgoto, eram coletadas as amostras antes do tratamento em
cada reservatório.
64
3.5 Etapa 4: Confecção de um Indicador de Pasteurização Solar da Água tipo
“WAPI” alternativo
O Indicador de Pasteurização Solar (WAPI) aqui proposto tem como intuito auxiliar na
verificação da eficiência do tratamento de água alternativo por pasteurização solar. Dessa
forma, este se mostra uma ótima alternativa para ser aplicado nesses locais, tendo em vista
que seu custo é baixo e é de fácil operação. A aquisição do WAPI no Brasil, ainda é obtida
através de importação o que faz com que seu custo se torne elevado e inviável para ser
aplicado em pequenas comunidades. Sua utilização é de extrema importância pois permite
verificar se o tratamento para pasteurização solar da água realizado foi eficiente na inativação
de micro-organismos. Portanto, faz-se necessário a construção de um WAPI construído com
materiais alternativos e de baixo custo para utilização em pequenas comunidades no Brasil.
Para o desenvolvimento deste estudo, utilizou-se como materiais para a fabricação do
WAPI alternativo, canetas marca BIC tradicional com tubo transparente e dois tipos de ceras:
carnaúba e abelha. A cera de abelha, possui ponto de fusão em 62ºC e a de carnaúba,
apresenta ponto de fusão em 88ºC. Assim, para a obtenção de um composto resultante da
mistura das duas ceras que pudesse ser derretidos entre 65º C, misturou-se as duas ceras em
diferentes proporções de modo a se avaliar em qual proporção obtinha-se a temperatura de
fusão desejada.
As duas ceras, carnaúba e abelha eram pesadas na balança de precisão e em seguida os
volumes transferidos para um béquer para que iniciasse o processo de derretimento das
mesmas. Utilizou-se o equipamento Banho Maria, onde é possível definir a temperatura a ser
trabalhada. As ceras eram derretidas inicialmente a temperatura de 100ºC e transferidas para
um copo descartável para sua solidificação. Após a solidificação, a mistura era transformada
em flocos pequenos para futura pesagem e transferência para os tubos de canetas. Para cada
um dos testes realizados, utilizou-se 1 g de cada cera, sendo acrescidos de acordo com a
proporção desejada. Cada tubo de caneta BIC, foi cortado ao meio ficando com um
comprimento de aproximado de 7 cm e com isso era possível produzir 2 WAPI com cada
caneta. As ceras eram transferidas para esses tubos e lacradas com o auxílio de uma chama de
fogo ( isqueiro) . Para que o WAPI pudesse ficar totalmente submerso ao reservatório de
água, acoplou-se uma ruela, dando não somente apoio ao WAPI, mas permitindo também que
este fosse reutilizável uma vez que é só mover a ruela no tubo para iniciar novamente a
65
verificação da temperatura da água. A figura 12 apresenta as ceras utilizadas para a
construção de um WAPI alternativo.
Figura 12: Ceras de Carnaúba e Abelha
Fonte: Autor
Os testes iniciais demonstraram a tendência da utilização das ceras de abelha e carnaúba
como matéria prima do WAPI alternativo. Foram realizados diversos testes para verificar qual
a proporção mais adequada para a construção do WAPI alternativo os quais serão
apresentados no item resultados.
3.6 Etapa 5: Análises Estatística
Para se obter a comprovação estatística dos resultados obtidos neste estudo e assim
obter conclusões consistentes, optou-se pela realização do cálculo da média máxima da
temperatura no período de 1 hora nos ensaios bacteriológicos, cálculos da eficiência pelos
equipamentos nos ensaios bacteriológicos e gráficos dos ensaios bacteriológicos. Assim, para
a obtenção de melhores resultados, em um primeiro momento realizou-se um planejamento
experimental visando-se extrair do sistema de estudo o máximo de informação útil realizando-
se o mínimo de experimentos possíveis.
Dessa forma, esse planejamento foi realizado de modo a otimizar o experimento.
Assim, avaliou-se os dados obtidos experimentalmente e no projeto como temperatura da
água, radiação e inativação de micro-organismos. Com isso, pode-se realizar um estudo
levando-se em consideração a triagem das variáveis e a avaliação das influências das
variáveis. Assim sendo, o experimento pode ser otimizado uma vez que parâmetros de
66
inativação foram definidos e reduziu-se a quantidade de análises bacteriológicas no sistema.
Para a elaboração do planejamento realizado nesse experimento, utilizou-se como referência,
os dados obtidos de temperatura e radiação durante o experimento, armazenados no sistema
de aquisição de dados Lab View, realizou-se análises estatísticas para obtenção dos valores:
Cálculo de média;
Desvio padrão
Proporção (estatística descritiva);
67
4.0 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Elaboração do quadro morfológico
Tendo em vista que o quadro morfológico estimula a criatividade através da
exploração sistemática de um grande número de possíveis soluções, inicialmente para que
fosse possível encontrar os números mais possíveis de soluções, foi necessário explorar todas
as funções relevantes para o funcionamento de um equipamento de aquecedor solar da água.
Com isso, ampliou-se o conhecimento das etapas envolvidas no aquecimento da água e
observou-se quais soluções são viáveis no processo de desinfecção da mesma. Assim,
avaliando o funcionamento de um equipamento de aquecedor solar disponíveis
comercialmente, identificou-se que as funções que compõem o equipamento de aquecedor
solar da água (convencional) são 12, e estão descritas na tabela 12:
Tabela 12: Funções de um Equipamento de Aquecimento Solar da Água
Após a identificação das funções que compõem o equipamento de aquecedor solar da
água, pôde-se desenvolver o quadro funcional deste. Dessa forma, as funções do quadro
foram dispostas linha a linha, sendo inserido o componente responsável pela execução da
função. A inserção desses componentes permite orientar o desenvolvimento detalhado de tais
funções, de modo a atribuir outras soluções para os componentes. Portanto, será possível
1. Tubulação (transportar a água)
2. Coletor de Energia Solar (captar a energia solar e aquecer a água)
3. Disposição das Flautas
4. Reservatório Térmico (armazenamento da água quente)
5. Revestimento Térmico Interno do Reservatório Térmico
6. Temperaturas Alcançadas
7. Conexão
8. Fixação das Conexões e tubulações
9. Instalação de todos os equipamentos
10. Tipos de Instalação dos Aquecedores
11. Opcionais de Instalação
12. Sistemas de Apoio Alternativo ao Elétrico
68
desenvolver outras soluções para o projeto, substituindo-se o componente usual por outro que
possua a mesma função. Com isso, pode-se desenvolver um equipamento com características
mais adequadas para o projeto de pesquisa em questão, ou seja o que promova a pasteurização
solar da água para consumo humano.
A tabela 13 apresenta o quadro morfológico de um sistema de aquecimento solar da
água. Nota-se que foi selecionado os principais materiais utilizados, no mercado brasileiro,
para cada função e dessa forma pode-se identificar as soluções parciais (conhecidas ou
possíveis) encontradas para um equipamento de aquecimento solar da água. Através da
análise das funções, pode-se verificar que os materiais muitas das vezes, se diferem entre si
em uma mesma função, principalmente em relação à durabilidade e custo. Por isso, faz-se
necessário avaliar as melhores condições para cada projeto, uma vez que, cada projeto
apresentará características específicas de acordo com a característica do público alvo. Para o
projeto de pasteurização da água em questão, a principal característica observada é o
custo/benefício do sistema.
Tabela 13: Quadro Morfológico
69
5. Revestimento Térmico Interno do Reservatório
Térmico
5.1 Espumas de poliuretano
5.2 Lã de vidro
5.3 EPS triturado
6.Temperaturas Alcançadas
6.1 Boyler Convencional + Placa de
Cobre *
6.2 Alternativo: Caixa de água de acrílico + Placa de Garrafa Pet e
caixas de Leite Longa Vida ou Placa de PVC **
6.3 Alternativo: fibra de vidro + Placa de
Cobre + Isolamento Térmico ***
Mínima 64ºC
Máxima 78ºC
Mínima 22ºC
Máxima 30ºC
Mínima 36ºC
Máxima 45ºC
7. Conexão (unir os materiais)
7.1 Cobre
7.2 PVC
8. Fixação das Conexões e tubulações
8.1 Solda (Cobre)
8.2 Cola PVC ( PVC)
8.3 Braçadeiras
9. Instalação de todos os
equipamentos
9.1
Coletor solar inclinado para o norte geográfico a 20 graus para o leste;
Inclinação do coletor a 35 graus da base;
Reservatório térmico com altura mínima de 30 cm em relação à cabeceira da placa.
10. Tipos de Instalação dos Aquecedores
10.1 Instalação Termossifão (Boyler acima da placa min 30 cm)
10.2 Circulação Forçada (Boyler abaixo da placa)
10.3 Sistema Solar de Alta Pressão
11. Opcionais na Instalação
11.1 Timer
11.2 Mostrador
Digital de Temperatura
11.3 Termostato Automático
11.4 Válvula
Anticongelante
11.5 Instalação de
Válvula Motobomba
12. Sistemas de
Apoio Alternativo ao Elétrico
12.1 Sistema Auxiliar a Gás
12.2 Serpentina em Fogão de Lenha
70
* Valores obtidos da dissertação de mestrado de Danielle Gonlçalves Rodrigues, UNICAMP 2011.
** Valores obtidos da dissertação de mestrado de Danielle Gonlçalves Rodrigues, UNICAMP 2011.
*** Valores obtidos no artigo de Souza et al 2006.
Após o elaboração e desenvolvimento do quadro morfológico de um sistema de
aquecimento solar da água, foi possível identificar quais componentes ou parâmetros são
promissores para geração do aquecimento solar da água. Com isso, pôde-se concluir que, os
aspectos externos que compõem o equipamento não influenciam de maneira relevante para o
aquecimento da água sendo que, as tubulações que transportam a água e a disposição das
flautas são os mecanismos mais importantes para a obtenção da água aquecida. Dessa forma,
verificar quais as tubulações existentes no mercado, são os componentes mais promissores
para obter um novo sistema de aquecimento solar da água, em termos de eficiência térmica.
Com isso, pode-se substituir o sistema usual através da disposição das flautas, proporcionando
o sucesso do projeto em questão. Baseado nessa conclusão, a próxima etapa consistiu na
análise e aplicação de um sistema combinado (tubulação + disposição das flautas) de modo a
se obter um sistema de aquecimento solar da água viável tanto economicamente como
comercialmente, utilizando-se para tanto da metodologia do quadro morfológico.
Para se obter um resultado que fosse mais adequado ao experimento, desenvolveu-se o
Quadro Morfológico com a análise da utilidade de cada componente. Essa nova etapa do
estudo de viabilidade, permite identificar em termos comerciais, quais funções são utilizadas,
e quais nunca foram utilizadas em um sistema de aquecedor solar da água. Dessa forma pôde-
se definir, quais produtos podem ser obtidos analisando a utilidade de cada componente, e
assim classificar esses produtos como sendo: concorrentes (já existem no mercado e são
usualmente comerciais), novas soluções ( começou a ser utilizado agora no mercado e
existem poucos locais que comercializam) e inovações ( nunca foi utilizado comercializado.) .
Para a obtenção do Quadro Morfológico com a análise da utilidade de cada
componente, selecionou-se 16 indústrias brasileiras de aquecedor solar com o intuito de
analisar e identificar quais materiais eram utilizados de acordo com cada função do
equipamento de aquecedor solar da água na fabricação dos mesmos. Assim, pode- se verificar
quais as alternativas para aquecimento da água mais utilizadas e traçar as novas soluções e/ou
inovações para aquecimento da água.
Na tabela 14, serão apresentados os mesmos Parâmetros/ Soluções apresentados na
tabela 12, porém com a análise da utilidade de cada componente. O Quadro Morfológico com
71
a análise da utilidade de cada componente, apresenta todos os componentes necessários para
construção de um aquecedor, porém sua grande vantagem é que cada um dos concorrentes são
"desmembrados" em parâmetros comuns, o que torna muito mais fácil a visualização dos
componentes necessários para construção do aquecedor solar da água e facilita a comparação
entre os diversos fabricantes. Outra grande vantagem está relacionada com a possibilidade de
construir diversas soluções de aquecedores através das soluções apresentadas para cada
parâmetro, assim podemos multiplicar cada linha pelo total de opções de soluções nas linhas
subsequentes que gera uma grande gama de soluções.
Na figura 13, foi inserida uma pequena caixa, com três opções na frente de cada
solução, com três cores distintas, a primeira em verde água, consta quantos concorrentes
usaram esta solução para o parâmetro da linha, na caixa seguinte, de cor amarela, são novas
soluções sugeridas por esse projeto de pesquisa, e na sequência, a laranja, mostra o números
de possíveis soluções inovadoras, pois não existe no mercado o uso desta solução ainda.
Figura 13: Fatores estudados: Concorrentes, Novas Soluções e Inovações
72
Tabela 14: Quadro Morfológico de um sistema de Aquecimento Solar da Água com a
análise da utilidade de cada componente
73
Após analisar o quadro morfológico, com a análise da utilidade de cada componente
de um sistema de aquecimento solar da água, foi possível realizar combinações entre os
componentes de cada parâmetro de projeto analisado. Assim verificou-se os itens que já
haviam disponíveis no mercado e pode-se criar novas soluções/inovações.
Após essa análise, e levando-se em consideração todo o trabalho desenvolvido que
antecede a construção do equipamento de aquecedor solar da água com o propósito de
pasteurização para consumo humano, pode-se afirmar que o projeto em questão é um projeto
que engloba característica de ser simples, seguro e inequívoco. Assim, pôde-se identificar
quais os itens mais importantes para o projeto de pesquisa em questão e definir e propor o
melhor equipamento que pudesse atender as necessidades no projeto de pesquisa, ou seja, que
pudesse ter um baixo custo e uma boa eficiência. É importante ressaltar que, nos locais aonde
será implantado esse sistema alternativo para pasteurização da água para consumo humano,
encontra-se a população menos favorecida economicamente, tornando inviável sua
implantação se o custo do projeto fosse muito elevado. Definiu-se então por um equipamento
que apresentasse fácil instalação, construção, durabilidade e baixo custo. A tabela 15 define as
soluções escolhidas para este projeto. Tendo-se em vista que, o equipamento proposto ficará
exposto ao sol por um longo período podendo representar um risco de degradação mais
rápido caso não possua uma resistência adequada aos raios solares, escolheu-se a mangueira
de alta pressão para conduzir a água no sistema, por ser constituída de polietileno com
proteção contra os raios UVB e UVA, tornando o sistema mais durável, uma vez que,
características técnicas do fabricante, indicam que sua durabilidade está estimada em torno de
10 anos em locais com altos índices de radiação. Assim, a melhor disposição para implantar
essa mangueira como forma de transportar a água no sistema seria através da disposição
circular, conhecida comercialmente como girassol. Esse sistema circular, é usualmente
instalado utilizando-se um sistema forçado, ou seja, com o auxílio de uma bomba com o
objetivo de se evitar perdas de carga no mesmo, mas devido a falta de acesso de mão de obra
qualificada para instalação e manutenção de uma bomba nesses locais, optou-se por instalar o
sistema em campo através do sistema de termossifão. Tendo-se em vista também, a
contribuição deste projeto de pesquisa na melhoria ao acesso a água tratada para comunidades
carentes, rurais e em situações emergenciais, para melhores resultados, optou-se por
monitorar 2 equipamentos de pasteurização solar da água, alterando-se entre os
equipamentos somente, a caixa de alumínio + Vidro, responsável pelo sistema de estufa.
74
Assim, foi possível detalhar qual apresentava o melhor resultado em termos de eficiência no
aquecimento da água.
Tabela 15: Soluções escolhidas para o Sistema de Pasteurização Solar da Água
A tabela 16 apresenta o quadro morfológico com a análise da utilidade de cada
componente representando a solução mais compatível para o sistema de pasteurização solar
da água, utilizado no projeto de pesquisa em questão. Os itens escolhidos estão caracterizados
pelo símbolo . Mais uma vez é importante ressaltar que, esses itens foram selecionados,
usando como critérios, as inovações identificadas quando se traçou a análise da utilidade de
cada componente associadas ao material de baixo custo (aspecto este de extrema importância
para o projeto de pesquisa em questão) .
Função de um Equipamento de Aquecedor Solar Componente Escolhido
1.Tubulação Mangueira de alta Pressão
2.Coletor de Energia Solar Com Caixa de Alumínio
+Vidro
3.Disposição das Flautas Circular
4.Reservatório Térmico Caixa de Água Acrílico
5.Revestimento Térmico Interno do Reservatório Térmico Não Aplicável
6.Temperaturas Alcançadas Não Aplicável
7.Conexão PVC
8.Fixação das Conexões e tubulações Cola PVC e Braçadeiras
9.Instalação de todos os equipamentos Padrão ABNT
10.Tipos de Instalação dos Aquecedores Instalação Termossifão
11.Opcionais de Instalação Timer/Mostrador Digital da
Temp.
12.Sistemas de Apoio Alternativo ao Elétrico Não aplicável
75
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
76
Assim, de acordo com a proposta do projeto de pasteurização solar da água, a
tabela 17 mostra os itens do equipamento de pasteurização solar da água definido.
Tabela 17: Itens do Equipamento de Pasteurização Solar da Água
Parâmetro Componente Parâmetro Componente
1. Tubulação (transportar a
água)
Mangueira de Alta Pressão
6. Conexão (unir os materiais)
PVC
2. Coletor de Energia Solar
(captar a energia solar e aquecer a
água)
Caixa de alumínio + vidro
7. Fixação das
Conexões e tubulações
Cola PVC ( PVC) e Braçadeira
3.Disposição das flautas
Circular
8.Instalação de todos os
equipamentos
Coletor solar inclinado para o norte
geográfico a 20 graus para o leste;
Inclinação do coletor a 35 graus da
base;
Reservatório térmico com altura
mínima de 30 cm em relação à
cabeceira da placa.
4. Reservatório Térmico
(armazenamento da água quente)
Alternativo: Caixa de água acrílico (80L)
9. Tipos de Instalação dos Aquecedores
Instalação Termossifão
(Boyler acima da placa
( min 30 cm)
5. Revestimento Térmico Interno do Reservatório
Térmico
Não Aplicável
10. Opcionais na Instalação
Timer e Mostrador Digital de Temperatura
77
4.2 Equipamentos de pasteurização solar da água definidos a partir da
metodologia do quadro morfológico
Após a utilização da metodologia de projeto para a verificação do estudo de
viabilidade do sistema de pasteurização solar da água, utilizando-se o quadro morfológico
para tanto e visando obter melhores resultados experimentais, optou-se por monitorar 2
equipamentos conforme já detalhado no item anterior. A tabela 18 apresenta a descrição dos
equipamentos utilizados no sistema de pasteurização solar. Ambos os equipamentos foram
confeccionados e instalados no campo experimental da faculdade de Engenharia Agrícola da
Unicamp.
A tabela 18: Descrição dos equipamentos utilizados no sistema de pasteurização
solar.
Descrição do Equipamento 1
Reservatório Térmico de 50 L;
Tubulação de mangueira de alta
pressão com proteção UV com 100 M
de comprimento sendo distribuído 50
M de mangueira em cada coletor
solar. Diâmetro da tubulação: ¾;
2 Coletor solar de alumínio + placa de
vidro com dimensões de 1,00 M
X1,00M.
Inclinação do Equipamento : 30 graus;
Descrição do Equipamento 2
Reservatório Térmico de 50 L;
Tubulação de mangueira de alta
pressão com proteção UV com 100 M
de comprimento. Diâmetro da
tubulação: ¾; O Diâmetro
correspondente a tubulação circular
instalada é de 1,10 M.
Sem coletor solar;
Inclinação do Equipamento : 30 graus;
A Figura 14 apresenta os equipamentos de pasteurização solar da água instalados no
campo experimental da Faculdade de Engenharia Agrícola da FEAGRI-UNICAMP. Tais
equipamentos foram montados de forma a se aproveitar a máxima incidência solar diária, para
tanto estes foram instalados em um local plano, voltados para o norte Geográfico. Monitorou-
se o funcionamento dos equipamento durante o período de um ano, de fevereiro de 2014 a
78
fevereiro de 2015, sendo obtidos dados referentes a temperatura da água em cada
equipamento e da radiação solar diária nesse período. Os dados coletados pelos equipamentos
foram utilizados para a identificação da eficiência de cada equipamento, sendo esses
resultados, apresentados no item 4.5. É importante ressaltar que a maior parte do território
brasileiro está localizada próxima da linha do Equador, de forma que não se observam
grandes variações na duração solar do dia. Contudo, a maioria da população brasileira e das
atividades socioeconômicas do País se concentra em regiões mais distantes do Equador. Desse
modo, para maximizar o aproveitamento da radiação solar, pode-se ajustar a posição do
coletor solar de acordo com a latitude local e o período do ano em que se requer mais energia.
No Hemisfério Sul, por exemplo, um sistema de captação solar fixo deve ser orientado para o
Norte, com ângulo de inclinação similar ao da latitude local. Assim, os protótipos foram
instalados para o Norte geográfico com ângulo de inclinação de 30º.
Figura 14: Equipamentos de pasteurização solar da água instalados no campo
experimental da FEAGRI- UNICAMP
Equipamento 1
Equipamento 2
4.3 Sistema de aquisição de dados Lab View.
O sistema de aquisição de dados (DAQ) NI USB-6008/6009 da National Instruments,
operado pelo aplicativo Lab View 7.1, foi instalado no campo experimental da Faculdade de
Engenharia Agrícola/UNICAMP e, realizado testes iniciais para verificar seu funcionamento
para obtenção de dados de temperatura e radiação em cada equipamento proposto. Assim,
esses testes, foram realizados por um período consecutivo de 15 dias. Esses dados foram
avaliados para a identificação de possíveis problemas no sistema. Realizou-se uma
79
programação para que, a cada 10 minutos fosse coletado informações pertinentes sobre a
temperatura da água em cada equipamento e a radiação solar.
4.3.1 Resultados Obtidos pelo sistema de aquisição de dados LabView
A figura 15, apresenta o sistema de aquisição de dados da National Instruments
operado pelo aplicativo Lab View 7.1. Para o projeto de pesquisa, optou-se pelo modo
automático de amostragem, onde os arquivos coletados eram armazenados em um laptop
sendo possível ter acesso a esses dados virtualmente, desde que houvesse rede móvel para
internet disponível. Nota-se que no exemplo apresentado pela figura, a temperatura 1,
corresponde ao equipamento 1, com caixa coletora + vidro e a temperatura 2, corresponde ao
equipamento 2, sem caixa coletora. Pode-se observar também que a data correspondente a
amostragem refere-se a outubro, mês onde a estação do ano é a primavera. Assim para o
horário da amostragem citada no exemplo, ou seja as 7:35 A.M, a radiação correspondia a
0,974V.
Figura 15: Tela do Sistema de aquisição de dados da National Instruments operado pelo
aplicativo Lab View 7.1
A seguir, serão apresentados quatro dados diários de temperatura e radiação, obtidos
através do sistema de aquisição de dados utilizado no projeto de pesquisa em questão. Esses
dados correspondem ao verão, primavera, outono e inverno e, no dia da aquisição desses
dados, também houve ensaios bacteriológicos, o qual será discutido no item 4.4. Assim, será
80
possível avaliar e verificar a aplicabilidade da desinfecção da água por pasteurização solar,
em um local com alto índice de radiação como a cidade de Campinas -SP. É importante
ressaltar que a radiação solar de um local depende também das condições climáticas e
atmosféricas desses locais e, de acordo com a época do ano, podem ocorrer variações desses
níveis ao longo do ano.
No período do solstício, ou seja, no verão e na primavera, podemos identificar que os
raios solares são diferentes aos apresentados no inverno e no outono, conhecido como
equinócio. A principal característica corresponde ao fato de no solstício, os raios solares
incidem mais verticalmente à superfície de uma localidade e, os raios solares ficam incidindo
sobre a localidade por mais tempo, o que permite que haja um aquecimento maior por unidade
de tempo de incidência, nessa localidade. Pelo fato dos raios solares incidirem por mais tempo
sobre uma localidade, o aquecimento daquela localidade em 24 horas será ainda maior.
Já no equinócio, ou seja, outono e inverno, há uma vantagem em temos de incidência
de radiação solar em relação ao verão. O céu não apresenta a formação de nuvens, o que
permite que o nível de radiação solar na maioria dos dias de equinócio seja considerado médio
para uma região com alto índice de radiação. Todavia, apesar desse fator, nesse período,
frentes frias e massas de ar frio são os principais sistemas meteorológicos que atuam na região
durante o inverno e o outono, sendo os responsáveis pela queda de temperatura e ventos mais
intensos. Dessa forma, em um sistema de Pasteurização Solar da água para consumo humano,
no período do equinócio, faz-se necessário que seja acoplado ao sistema, proteções térmicas
visando impedir perdas de calor intensas nos reservatórios de água e nos coletores de água.
A tabela 19, apresenta os resultados dos dados obtidos utilizando-se o sistema de
aquisição de dados citado. Este exemplo corresponde ao dia 14/01/2015, data esta do ensaio 2
bacteriológico do verão. Nota-se que, neste dia, obteve-se dados de temperatura e radiação
por um período de 600 minutos, ou seja, correspondente à 10 horas de amostragem, sendo o
início da amostragem as 7:00 horas da manhã, finalizando as 17:00 horas da tarde. Observa-se
que, entre 15:00 e 16:00 horas da tarde, o equipamento 1, atinge uma temperatura superior a
62º C, ideal para que se obtenha uma redução significativa de coliformes presentes na água. Já
no equipamento 2, no mesmo período, observa-se que este não conseguiu atingir tais
temperaturas. De acordo com o exemplo citado na tabela anterior, observa-se que a
temperatura máxima obtida no equipamento 1 foi de 62ºC enquanto no equipamento 2 foi de
53ºC.
81
Tabela 19: Resultados dos dados obtidos de temperatura e radiação através do sistema
de aquisição de dados Lab View do ensaio 2 do Verão (14/01/2015).
A tabela 20 apresenta os resultados obtidos de temperatura e radiação através do
sistema de aquisição de dados Lab View na primavera. O exemplo citado corresponde
ao dia 25/10/2014, ensaio bacteriológico número 1 da primavera. Nota-se que nesse dia
houve uma aquisição de dados por 9,5 horas, iniciando-se às 7:00 horas da manhã. Já no
período entre 14:00 e 15:00 horas da tarde, obtiveram as maiores temperaturas nos
Tempo
Minutos
Radiação
W/m2
Equip. 1
Temp.ºC
Equip 2.
Temp. ºC
10 1,05 24,62 24,62
20 1,18 24,62 24,70
30 1,29 25,32 24,78
40 1,28 25,64 25,40
50 1,26 26,66 26,73
60 1,29 28,69 27,75
70 1,40 28,77 29,71
80 1,50 29,63 29,71
90 1,62 29,71 29,79
100 1,76 29,71 29,79
110 1,84 30,73 29,95
120 1,91 31,67 30,88
130 1,97 31,75 31,82
140 2,04 32,77 31,90
150 2,07 33,16 32,84
160 2,18 33,79 32,84
170 2,21 34,81 33,86
180 2,30 35,82 34,02
190 2,37 36,84 34,88
200 2,55 37,71 35,98
210 2,68 38,57 36,92
220 2,65 39,90 37,86
230 2,47 40,76 37,93
240 2,57 41,94 38,80
250 2,66 42,56 39,97
260 2,89 43,03 40,44
270 3,28 44,29 41,07
280 3,44 44,99 41,93
290 3,64 46,01 42,01
300 2,67 47,97 43,02
Tempo
Minutos
Radiação
W/m2
Equip. 1
Temp.ºC
Equip 2.
Temp. ºC
310 3,06 48,13 43,81
320 2,98 49,22 45,06
330 2,75 50,16 45,92
340 3,10 51,18 46,08
350 2,659 52,20 46,63
360 2,98 53,14 47,96
370 3,01 54,16 49,13
380 2,83 55,34 49,13
390 2,801 56,67 50,00
400 2,84 57,53 50,15
410 2,91 58,16 51,09
420 2,91 59,18 51,17
430 2,91 59,73 51,72
440 2,89 60,74 52,19
450 2,75 60,59 52,27
460 2,62 61,29 52,82
470 2,26 62,15 52,89
480 2,23 62,00 53,13
490 2,33 62,31 52,89
500 2,41 62,31 52,19
510 2,28 61,76 51,17
520 1,54 60,82 50,15
530 1,47 59,26 49,13
540 1,55 58,24 48,27
550 1,42 57,22 47,65
560 1,71 56,20 46,39
570 1,65 54,71 46,08
580 1,39 54,24 45,06
590 0,94 53,14 44,36
600 0,74 51,11 42,01
Tem
per
atu
ra i
dea
l p
ara
pa
steu
riza
ção
da
ág
ua
Tem
per
atu
ra I
na
deq
ua
da
pa
ra p
ast
euri
zaçã
o d
a á
gua
82
equipamentos. O equipamento 1, obteve máxima de 58 ºC de temperatura, enquanto o
equipamento 2, apresentava uma temperatura de 49ºC.
Tabela 20: Resultados dos dados obtidos de temperatura e radiação através do
sistema de aquisição de dados Lab View no ensaio 1 da Primavera (2014)
A tabela 21 apresenta os resultados obtidos de temperatura e radiação através do
sistema de aquisição de dados Lab View no outono. O exemplo citado corresponde ao
dia 01/04/2014 ensaio bacteriológico de outono número 3. Nota-se que nesse dia houve
uma aquisição de dados por 9,3 horas, iniciando-se as 7:00 horas da manhã. Nota-se que
Tempo
Minutos
Radiação
W/m2
Equip. 1
Temp.ºC
Equip. 2
Temp.ºC
10 1,35 22,12 22,67
20 1,63 22,43 23,06
30 2,06 22,66 23,21
40 2,21 23,45 23,61
50 2,45 23,60 23,92
60 1,93 24,54 24,70
70 1,52 24,62 24,78
80 1,59 24,86 25,41
90 1,53 25,64 25,72
100 2,25 26,66 25,96
110 2,08 27,68 26,97
120 2,32 28,78 27,91
130 2,72 29,72 29,09
140 2,77 31,75 29,79
150 2,77 32,77 30,97
160 2,83 33,79 31,83
170 2,87 34,97 32,85
180 2,81 36,77 33,87
190 2,84 37,71 34,81
200 2,81 38,89 35,28
210 2,81 39,98 36,76
220 2,79 41,47 36,92
230 2,88 42,41 37,94
240 3,00 43,98 39,19
250 3,14 45,00 39,98
260 3,30 46,02 40,92
270 3,31 46,80 41,15
280 3,30 48,05 42,01
290 3,24 48,84 42,01
Tempo
Minutos
Radiação
W/m2
Equip. 1
Temp.ºC
Equip. 2
Temp.ºC
300 3,26 50,01 43,03
310 3,13 50,09 43,81
320 2,03 51,11 44,13
330 1,88 51,89 44,67
340 3,18 52,13 45,07
350 3,16 53,15 45,54
360 3,02 53,23 46,08
370 2,98 54,17 46,08
380 2,84 54,24 46,08
390 2,81 55,19 46,63
400 2,86 55,97 47,42
410 2,86 56,20 48,12
420 2,85 57,22 48,20
430 2,77 57,22 49,14
440 2,81 58,24 49,14
450 1,64 57,77 48,90
460 1,60 58,16 49,06
470 2,59 58,16 49,14
480 2,34 57,22 48,90
490 2,24 57,22 48,90
500 2,28 56,75 48,59
510 2,26 56,99 48,83
520 1,24 55,19 48,12
530 1,25 54,17 46,79
540 1,15 53,15 45,93
550 1,07 50,09 44,99
560 1,01 51,11 44,05
570 0,81 50,09 43,03
Tem
per
atu
ra m
áx
ima
ob
tid
a p
elo
s eq
uip
am
en
tos
1 e
2
83
entre 13:00 e 14:00 horas da tarde, obtiveram-se as maiores temperaturas nos
equipamentos. O equipamento 1, obteve máxima de 46 ºC de temperatura, enquanto o
equipamento 2, 47ºC
Tabela 21: Resultados dos dados obtidos de temperatura e radiação através do
sistema de aquisição de dados Lab View no ensaio 3 do Outono (01/04/2014)
Tempo
Minuto
Radiação
W/m2
Equip. 1
Temp.ºC
Equip. 2
Temp.ºC
10 2,50 21,25 20,94
20 2,98 23,45 21,65
30 3,09 29,40 23,45
40 2,76 31,75 24,39
50 2,43 33,87 25,25
60 2,32 35,99 26,19
70 2,29 37,47 27,76
80 2,25 37,87 28,78
90 2,20 38,18 29,79
100 2,18 38,02 30,97
110 2,16 38,96 31,83
120 2,21 40,53 34,18
130 2,80 40,84 35,20
140 3,01 41,47 36,29
150 2,86 39,90 34,81
160 2,89 38,96 34,88
170 2,99 40,84 36,76
180 3,11 39,90 36,92
190 3,21 41,08 37,94
200 3,24 40,06 36,92
210 3,17 39,90 36,92
220 3,16 40,92 38,25
230 3,17 40,84 38,02
240 3,12 41,94 39,58
250 3,02 41,94 39,98
260 3,00 42,96 41,07
270 2,83 41,94 40,05
280 2,84 40,22 37,94
A tabela 22 apresenta os resultados obtidos de temperatura e radiação através do
sistema de aquisição de dados Lab View no inverno. O exemplo citado corresponde ao
dia 27/07/2014 ensaio bacteriológico de outono número 7. Nota-se que nesse dia houve
Tempo
Minuto
Radiação
W/m2
Equip. 1
Temp.ºC
Equip. 2
Temp.ºC
290 2,72 37,79 35,90
300 2,04 35,52 33,87
310 1,35 33,79 32,77
320 3,06 34,97 33,87
330 3,12 34,81 34,26
340 3,18 38,96 38,88
350 3,20 41,94 43,03
360 3,26 43,82 44,05
370 3,28 43,98 44,36
380 3,08 43,90 43,03
390 2,84 45,00 46,08
400 2,87 46,17 47,18
410 2,76 45,00 44,05
420 2,57 46,02 46,08
430 1,57 45,00 46,08
440 1,36 39,90 37,00
450 1,32 36,14 33,87
460 2,18 34,89 32,93
470 1,22 36,85 35,90
480 1,62 34,81 33,71
490 3,08 37,87 38,64
500 3,42 40,45 39,98
510 1,19 37,87 37,70
520 1,28 34,97 33,79
530 1,27 33,79 32,85
540 2,03 35,83 34,57
550 1,02 36,61 36,37
560 0,81 32,85 32,61
Tem
per
atu
ra m
áx
ima
ob
tid
a p
elo
s eq
uip
am
en
tos
1 e
2
84
uma aquisição de dados por 8,6 horas, iniciando-se as 7:00 horas da manhã. Nota-se que
entre 14:00 e 15:00 horas da tarde, obtiveram-se as maiores temperaturas nos
equipamentos. O equipamento 1, obteve máxima de 41 ºC de temperatura, enquanto o
equipamento 2, 44ºC
Tabela 22: Exemplo dos dados obtidos de temperatura e radiação através do
sistema de aquisição de dados Lab View no ensaio 7 do Inverno (27/07/2014).
Tempo Minuto
Radiação W/m2
Equip. 1 Temp.ºC
Equip. 2 Temp.ºC
10 1,20 23,60 23,76
20 1,46 24,62 24,70
30 2,04 26,50 25,72
40 3,13 29,72 26,90
50 1,92 28,70 26,82
60 1,47 26,66 26,50
70 1,46 26,19 25,96
80 1,44 25,80 26,27
90 1,69 26,66 26,74
100 1,73 27,84 27,60
110 1,67 28,15 27,37
120 1,71 28,70 28,15
130 1,97 29,87 29,79
140 1,87 30,74 29,79
150 2,95 31,75 30,73
160 2,25 34,73 32,85
170 2,17 31,75 30,34
180 2,33 31,83 30,81
190 2,46 33,32 32,77
200 2,23 34,89 34,41
210 2,16 34,81 33,87
220 1,94 33,79 33,00
230 1,99 32,77 32,85
240 2,18 32,77 32,69
250 2,43 34,73 34,10
260 2,23 34,89 34,73
De acordo com os dados demonstrados nos exemplos anteriores, nota-se que no
solstício (verão e primavera), o equipamento 1 apresentou os melhores resultados em
termos de eficiência térmica. Observa-se que a diferença de temperatura entre o
equipamento 1 e o equipamento 2, é de aproximadamente 10ºC. Essa diferença de
Tempo Minuto
Radiação W/m2
Equip. 1 Temp.ºC
Equip. 2 Temp.ºC
270 1,79 33,79 33,55
280 1,37 32,22 31,75
290 1,22 29,95 29,79
300 1,55 27,68 26,82
310 1,90 27,68 27,05
320 1,90 28,78 28,78
330 1,96 29,72 29,79
340 1,92 31,68 31,83
350 2,00 32,07 32,77
360 2,58 33,79 33,87
370 2,41 33,79 33,87
380 2,34 33,48 33,40
390 3,52 34,81 35,59
400 2,44 36,46 36,92
410 2,84 38,10 39,98
420 2,78 40,06 42,56
430 2,85 41,94 43,97
440 2,25 41,94 43,03
450 2,52 41,39 42,17
460 2,55 41,94 44,05
470 1,81 39,43 39,66
480 2,71 38,57 39,04
490 1,60 36,85 36,92
500 1,11 33,09 32,85
510 0,94 31,75 30,73
520 0,48 30,19 29,79
Tem
per
atu
ra m
áx
ima
ob
tid
a p
elo
s eq
uip
am
en
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1 e
2
85
temperatura pode ser justificado devido ao sistema de estufa utilizado no sistema, pois
ela evita que fatores externos ambientais como vento influencie no sistema.
Quando se observa os dados coletados pelo sistema de aquisição de dados
Labview no equinócio (outono e inverno) nota-se que a temperatura da água nos
equipamentos 1 e 2 não apresentam uma diferença tão acentuada quando comparada ao
solstício. As temperaturas máximas da água observada nesse período correspondente ao
equipamento 1 no outono é de 46ºC enquanto o equipamento 2 no mesmo período
corresponde a 47ºC. Já as temperaturas máximas da água correspondente ao inverno no
equipamento 1 é de 41ºC, enquanto no equipamento 2, corresponde a 44ºC. Esse fato
pode ser justificado devido a ausência de um sistema de isolamento térmico existente no
equipamento 1. Com isso, as perdas de calor para o meio nesse período devido as
alterações climáticas do equinócio (frentes frias e ventos) não permitem que o
equipamento apresente o mesmo desempenho avaliado no período do solstício.
Com isso, os dados obtidos no verão e na primavera em relação a temperatura
final da água, apresentam melhores resultados, enquanto no equinócio, os resultados
finais da temperatura não apresentam muita variação.
4.4 Ensaios bacteriológicos
Tendo-se em vista que foi utilizado um sistema de aquisição de dados para
obtenção de dados de radiação e temperatura durante o período de 1 ano, analisando os
dados obtidos de temperatura, pode-se sugerir se o sistema foi eficiente para pasteurizar
a água quando a temperatura atingisse entre 62ºC. Assim, definiu-se que seriam
realizados alguns ensaios bacteriológicos para poder comprovar a eficiência na
inativação de coliformes e verificar a tendência de inativação quando a temperatura de
62ºC não fosse atingida, uma vez que há um tempo de detenção maior da água.
A seguir serão apresentados os resultados dos ensaios realizados. Os resultados
serão apresentados de acordo com o período do ano solstício e equinócio. Dessa forma,
será possível identificar a principal diferença existente quando se utiliza a energia solar
como insumo para a desinfecção solar, uma vez que as condições climáticas, de acordo
com a época do ano, apresentam características distintas.
86
4.4.1 Ensaios Bacteriológicos realizados no Solstício (Verão e Primavera)
A figura 16, apresenta os resultados obtidos, nas análises bacteriológicas dos
ensaios realizados no verão, sendo apresentados também temperaturas e eficiência de
pasteurização nos equipamento 1 e 2. Nota-se que, dos 10 ensaios realizados pelo
equipamento 1, no período do verão, 9 apresentaram redução da concentração de
coliformes, tanto totais como E. coli. 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 obtidas no ensaio. De acordo com
estudo realizado por Metcalf e Eddy 2003, em um sistema de pasteurização, para que
seja inativados bactérias do grupo E.Coli, é necessário que essas sejam expostas a uma
temperatura de no mínimo 60ºC por aproximadamente 4 segundos. Em 3 ensaios,
encontrou-se redução de 70% da concentração de micro-organismos, sendo os ensaios
correspondentes a essa redução o 3, 5 e o 9. Ao observarmos as temperaturas médias
máxima no período de 1 hora desses ensaios, nota-se que todos estavam próximas da
temperatura de 60ºC, o que demostra e sugere que um tempo de detenção a uma
temperatura próxima ao descrito em literatura para a inativação de coliformes permite
que haja uma redução de micro-organismos presentes na água para consumo humano.
Uma vez que temperaturas ideias para pasteurização não forem alcançadas, pode ocorrer
um recrescimento bacteriano. Assim, de acordo com a temperatura alcançada, a
concentração final de bactérias em um sistema de pasteurização pode ser maior do que a
concentração inicial. Esse fato pode ser observado no ensaio 4. Nota-se a concentração
de E. Coli após o tratamento apresentava uma concentração final maior que a inicial.
Esse fato pode ser explicado devido a temperatura média da água pelo período de 1 hora
ter ficado em torno de 39 ºC. É importante ressaltar que, a temperatura ideal para que
haja crescimento bacteriano de E. Coli de acordo com a literatura seja de 37,7ºC.
Avaliando os resultados obtidos nos ensaios pelo equipamento 2 no verão,
observa-se que a temperatura máxima obtida nos ensaios, foi de 60ºC correspondente ao
ensaio de número 5, onde, após o tratamento, conseguiu-se uma redução da
concentração de E. Coli no sistema de 100%. Os ensaios de 8 e 9, apresentaram
temperaturas finais bem próxima a 60ºC, o que permitiu nessas condições uma redução
de 60 e 80% respectivamente. Os ensaios relacionados ao equipamento 2, não obtiveram
uma eficiência tão satisfatória quanto os resultados demostrados no equipamento 1 no
87
verão. Esse fato pode ser justificado pela perda de carga encontrada no sistema e a
ausência do sistema de estufa, o qual já foi mencionado anteriormente.
Figura 16: Resultados de Coliformes Totais, Fecais, Temperaturas e Eficiência de
Pasteurização nos ensaios realizados no Verão
Equipamento 1 Equipamento 2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10NM
P/1
00
ml C
olif
orm
es
Tota
is
Ensaios Verão: Equipamento 1
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e C
olif
orm
es
Tota
is
Ensaios Verão: Equipamento 2
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)
Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e E
. co
li
Ensaios Verão: Equipamento 1
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)
Pós Tratamento ( 17:00 horas da Tarde)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e E
.Co
li
Ensaios Verão: Equipamento 2
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)
Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
-30%-20%-10%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%
34,0
38,0
42,0
46,0
50,0
54,0
58,0
62,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Efic
iên
cia
%
Tem
per
atu
ra °
C
Ensaios Verão: Equipamento 1
Temp. Máxima Temp. Mínima
Média período 1 hora Redução C. Totais
Redução C. Fecais
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
32,0
36,0
40,0
44,0
48,0
52,0
56,0
60,0
64,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Efic
iên
cia
%
Tem
per
atu
ra °
C
Ensaios Verão: Equipamento 2
Temp. Máxima Temp. Mínima
Média período 1 hora Redução C. Totais
Redução C. Fecais
88
A figura 17, apresenta os resultados de coliformes totais, E. coli, temperaturas
e eficiência de pasteurização nos ensaios realizados pelo equipamento 1 e 2 na
primavera. Ao analisar os dados obtidos pelo equipamento 1, verifica-se que os
resultados foram bem satisfatórios, assim como os dados obtidos pelo mesmo
equipamento no verão. O ensaio 1 e 4 obtiveram os melhores resultados em termos de
inativação de micro-organismos. No ensaio 1, obteve-se uma redução em mais de 98% à
concentração de coliformes (totais e fecais) presentes na água. Nota-se que a
temperatura máxima obtida nesse ensaio correspondia a 60ºC sendo a média das
temperaturas no período de 1 hora nesse ensaio correspondente a 58ºC. Já no ensaio 4,
obteve-se uma redução de 95% da concentração de coliformes. Esse fato pode ser
explicado devido a temperatura máxima alcançada de 60 ºC no sistema. Os ensaios 7 e
10 apesar de não terem alcançado temperaturas acima de 60ºC ou próximas a esse valor
apresentaram uma redução média de coliformes em torno de 80%. Esse resultado
demonstra a tendência da inativação de coliformes à temperaturas inferiores a 60ºC
porém, trabalhando-se com um tempo de detenção maior. Portanto, sugere-se que mais
estudos sejam realizados, utilizando-se tempos de detenção diferentes como forma de
avaliar o decréscimo bacteriano no sistema. Assim como no verão, os resultados obtidos
na primavera pelo equipamento 1 demonstra que, as temperaturas médias da água foram
bem próximas e apresentaram resultados satisfatórios para a utilização da SOPAS como
alternativo da desinfecção da água em pequenas comunidades.
Os dados obtidos pelo equipamento 2 na primavera, assim como os resultados
apresentados anteriormente nos ensaios realizados no verão pelo mesmo equipamento,
não obtiveram uma eficiência superior a 45%. Mesmo não sendo efetivo para inativação
de bactérias do grupo coliformes, houve redução dessas bactérias no sistema. Observa-
se também que a temperatura máxima obtida foi de 50 ºC e a mínima encontrada foi de
42ºC. Tais temperaturas não foram suficientes para que se pudesse considerar esse
sistema como uma alternativa viável a ser implantada para pasteurização da água. As
estações correspondentes ao verão e a primavera, podem ser utilizadas para avaliar se o
sistema tem um potencial de utilização na inativação de micro-organismos, pois, nesse
período, devido ao solstício, há a maior incidência de radiação solar, o que permite que,
ao final do dia, obtenha-se os melhores resultados. Assim, caso o sistema apresente uma
eficiência inadequada, é necessário que correções sejam realizadas para que no período
do equinócio ou em dias onde fatores climáticos extremos, como ventos ou chuva não
89
interfiram no sistema de desinfecção da água. Dessa forma, para o equipamento 2
apresentado nesse projeto, sugere-se que para aumentar a sua eficiência, fosse instalado
em paralelo uma outra placa com as mesmas características, de modo a permitir que sua
eficiência possa ser considerada aceitável para a pasteurização solar da água. Outra
forma de aumentar a eficiência no equipamento 2, seria a instalação de uma bomba para
circulação forçada da água, com isso, seria possível diminuir a perda de carga no
sistema, aumentando a velocidade da água no mesmo, o que permitirá o aumento da
temperatura final da água. Todavia, devido a ausência do sistema de coletor solar
composto de caixa de alumínio e vidro, em dias extremos, pode haver perdas de calor
no sistema
90
Figura 17: Resultados de Coliformes Totais, Fecais, Temperaturas e Eficiência de
Pasteurização nos ensaios realizados na Primavera
Equipamento 1 Equipamento2
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e C
olif
orm
es
Tota
is
Ensaios Primavera: Equipamento 1
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e C
olif
orm
es
Tota
is
Ensaios Primavera: Equipamento 2
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e E
. co
li
Ensaios Primavera: Equipamento 1
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)
Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e E
.co
li
Ensaios Primavera: Equipamento 2
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
46,0
50,0
54,0
58,0
62,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Efic
iên
cia
%
Tem
per
atu
ra °
C
Ensaios Primavera: Equipamento 1
Temp. Máxima Temp. Mínima
Média período 1 hora Redução C. Totais
Redução C. Fecais
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
36,0
40,0
44,0
48,0
52,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Efic
iên
cia
%
Tem
per
atu
ra °
C
Ensaios Primavera: Equipamento 2
Temp. Máxima Temp. MínimaMédia período 1 hora Redução C. TotaisRedução C. Fecais
91
4.4.2 Ensaios Bacteriológicos realizados no Equinócio (Outono e Inverno)
Os resultados que serão apresentados nas próximas seções, correspondem a
dados coletados no período do equinócio, ou seja no outono e no inverno. Nesse período
pode-se observar que os dias são mais curtos, e as noites mais longa.
A Figura 18, apresenta os resultados de coliformes totais, E. coli, temperaturas
e eficiência de pasteurização nos ensaios realizados pelo equipamento 1 e 2 no outono.
Conforme citado anteriormente, apesar da radiação solar no outono e inverno possuir
um fator médio, frentes frias e a maior quantidade de ventos, permite que haja mais
perdas de calor. Assim, observa-se que a temperatura máxima da água obtida nesse
período foi identificada no ensaio 1 e no 3, sendo esta correspondente a 46ºC. Nessas
condições, nota-se que houve uma redução de coliformes totais, correspondente a 40%.
A menor temperatura encontrada nesse ensaio, corresponde a 39ºC, sendo que observa-
se que houve uma redução correspondente a 5% somente da concentração de coliformes
no sistema.
Observa-se pelos resultados obtidos que o equipamento 2, apresentou melhores
resultados em termos de eficiência quando comparados ao equipamento 1. Os ensaios 1
e 7 obtiveram os melhores resultados em termos de temperatura, obtendo-se 47ºC e
46ºC. Com isso, verificou-se que a redução de coliformes no sistema correspondia a
40% e 27% respectivamente. Esses dados mais uma vez indicam a tendência de
inativação do grupo coliformes quando submetido a uma temperatura mais baixa, porém
com um tempo de detenção maior. O ensaio 10, apresentou as menores temperaturas
obtidas, correspondente a 38ºC, assim sua redução foi inferior a 3 %
92
Figura 18: Resultados de Coliformes Totais, Fecais, Temperaturas e Eficiência de
Pasteurização nos ensaios realizados no Outono
Equipamento 1 Equipamento 2
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml
de
Co
lifo
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tais
l
Ensaios Outono: Equipamento 1
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e C
olif
orm
es
Tota
is
Ensaios Outono: Equipamento 2
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)Pós Tratamento (17:00 horas da tarde)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e E
.co
li
Ensaios Outono: Equipamento 1
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)
Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e E
.co
li
Ensaios Outono: equipamento 2
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)
Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
30,0
34,0
38,0
42,0
46,0
50,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Efic
iên
cia
%
Tem
pe
ratu
ra °
C
Ensaios Outono: Equipamento 1
Temp. Máxima Temp. Mínima
Média período 1 hora Redução C. Totais
Redução C. Fecais
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
30,0
34,0
38,0
42,0
46,0
50,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Efic
iên
cia
%
Tem
pe
ratu
ra °
C
Ensaios Outono: Equipamento 2
Temp. Máxima Temp. Mínima
Média período 1 hora Redução C. Totais
Redução C. Fecais
93
A figura 19, apresenta os resultados de coliformes totais, E. coli, temperaturas
e eficiência de pasteurização nos ensaios realizados pelo equipamento 1 e 2 no inverno.
Nota-se que a máxima temperatura obtidas nos ensaios realizados corresponde a 44ºC.
Esse fato pode ser justificado devido a frentes frias, ventos intensos associados a
períodos menores de radiação solar. Quando comparados ao solstício, nota-se que
coleta-se os dados por aproximadamente 10 horas diárias ( tabela 11), enquanto no
inverno ( tabela 14) essa amostragem é reduzida para 8,6 horas. Observa-se também que
pela ausência de um sistema térmico nos equipamentos 1 e 2, a temperatura da água em
ambos os equipamentos apresentaram pouca variação. Nenhum dos equipamentos
testados apresentaram resultados significativos de redução de coliformes, tanto totais
quanto fecais. Todavia, em todos os ensaios realizados, nota-se que houve a redução da
concentração de micro-organismos presentes na água. Os ensaios 1 e 10 do
equipamento 1 apresentou redução de 10% na concentração de coliformes totais e de 13
% da redução de E. coli. Os ensaios 5 e 6 devido a baixas temperaturas máximas
obtidas, os resultados bacteriológicos foram maiores do que a concentração inicial
encontrada. Já o equipamento 2, apresentou temperaturas finais da água maiores que o
equipamento 1. Assim, pode-se notar que houve a redução maior da concentração de
coliformes no equipamento 2 quando comparados ao equipamento 1. O ensaio 4 e 7
(tabela 14) apresentaram os melhores resultados. O ensaio 4, apresentou uma redução
de 18% da concentração de coliformes totais. Já no ensaio 7, houve uma redução de
14% da concentração de coliformes totais. Estas reduções podem estar associada ao
tempo de detenção a uma temperatura menor em cada um dos equipamentos. É
importante ressaltar que, devido as condições adversas encontradas no inverno, para
melhores resultados, sugere-se que nos equipamentos estudados, sejam utilizados
revestimentos térmicos tanto nas tubulações quanto nos reservatórios.
94
Figura 19: Resultados de Coliformes Totais, Fecais, Temperaturas e Eficiência de
Pasteurização nos ensaios realizados no Inverno
Equipamento 1 Equipamento 2
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e C
olif
orm
es
Tota
is
Ensaios Inverno: Equipamento 1
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e C
olif
orm
es
Tota
is
Ensaios Inverno: Equipamento 2
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
ml d
e E
.co
li
Ensaios Inverno: Equipamento 1
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)
Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NM
P/1
00
mll
de
E.c
oli
Ensaios Inverno: Equipamento 2
Antes do Tratamento ( 7:00 horas da manhã)
Pós Tratamento ( 17:00 horas da tarde)
-10%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
30,0
34,0
38,0
42,0
46,0
50,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Efic
iên
cia
%
Tem
pe
ratu
ra °
C
Ensaios Inverno: Equipamento 1
Temp. Máxima Temp. Mínima
Média período 1 hora Redução C. Totais
Redução C. Fecais
-10%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
30,0
34,0
38,0
42,0
46,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Efic
iên
cia
%
Tem
per
atu
ra °
C
Ensaios Inverno: Equipamento 2
Temp. Máxima Temp. Mínima
Média período 1 hora Redução C. Totais
Redução C. Fecais
95
Tendo-se em vista os 40 ensaios bacteriológicos realizados nos sistemas de
pasteurização solar da água associados a dados de temperatura propostos nesse projeto
de pesquisa foi possível verificar que os sistemas apresentam um grande potencial de
utilização em pequenas comunidades. Para tanto, alguns ajustes devem ser efetuados
para a obtenção de melhores resultados, uma vez que faz-se necessário que os padrões
para consumo de água estabelecidos pela portaria 2.914 do Ministério da Saúde no
Brasil devem ser seguidos. Esses ajustes serão discutidos no item 4.5.
Assim, visando avaliar a aplicabilidade do sistema de pasteurização solar da
água, traçou-se a correlação da equação da linha de tendência de pasteurização solar da
água correlacionando-se os resultados de todas as análises bacteriológicas com a
eficiência da redução de coliformes (totais e fecais) presentes na água. Assim, foi
possível avaliar o quão próxima ela está dos pontos obtidos e qual dos equipamentos
possuiu a melhor precisão em relação aos dados obtidos. É importante ressaltar que,
como trata-se de um meio microbiológico, seu comportamento pode haver variações de
acordo com diversas características em relação ao ambiente analisado.
A figura 20, apresenta a correlação da equação da linha de tendência de
pasteurização solar da água nos equipamentos 1 e 2. Em relação ao equipamento 1,
nota-se que há um valor de R2 corresponde a 0,8727, demonstrando uma boa correlação
entre a temperatura média do horário mais quente da água obtida nos ensaios, com a
eficiência de redução de coliformes. Nota-se também que a tendência de inativação do
grupo coliformes se mantido a uma temperatura menor, porém com um tempo de
detenção maior. Assim, sugere-se que mais ensaios sejam realizados visando avaliar a
influência do tempo de detenção associados ao aumento da temperatura na redução da
concentração de bactérias do grupo coliformes. Ao avaliar a correlação da equação da
linha de tendência de pasteurização solar da água no equipamento 2, nota-se que há um
valor de R2 corresponde a 0,7885. Esse valor quando comparado ao equipamento 1, não
apresenta uma boa correlação entre a temperatura média obtida nos ensaios com a
eficiência de redução de coliformes. Esse fato pode ser explicado devido a baixas
temperaturas alcançadas pelo equipamento 2 nos ensaios da primavera e no verão.
Assim, verifica-se que o equipamento 1, apresentou os melhores resultados para
pasteurização solar da água quando comparados ao equipamento 2.
96
Figura 20: Correlação da Equação da linha de Tendência de Pasteurização Solar
da água nos Equipamentos 1 e 2
Equipamento 1 Equipamento 2
4.5 Elaboração de um WAPI (Indicador de pasteurização solar da Água)
Ao se propor um protótipo que pasteurize a água para consumo humano, seja
aplicado um indicador que demonstre que a água realmente atingiu a temperatura para
inativação de micro-organismos podendo ser consumida de forma segura.
Assim sendo, em dias onde a temperatura da água não atingir a temperatura
indicada para pasteurização da mesma, a água não pode ser utilizada para consumo
humano. Para tanto, sugere-se que seja utilizado junto ao equipamento um WAPI, para
que seja possível verificar se a água atingiu a temperatura necessária para sua inativação
O WAPI comercialmente utilizado em todo o mundo para demonstrar que a água
pode ser consumida de forma segura, apresenta ponto de fusão correspondente a 65ºC e
y = 0,0008x2 - 0,0408x + 0,4332 R² = 0,8727
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
30,0 40,0 50,0 60,0 70,0
Redução Coliformes Totais
y = 0,0009x2 - 0,0615x + 1,0887 R² = 0,7019
-10%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
30,0 40,0 50,0 60,0 70,0
Redução C. Totais
y = 0,0007x2 - 0,0241x - 0,0279 R² = 0,8713
-40%
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
30,0 40,0 50,0 60,0 70,0
Redução E. Coli
y = 0,0012x2 - 0,0872x + 1,6037 R² = 0,7885
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
30,0 40,0 50,0 60,0 70,0
Redução E. Coli
97
sua aquisição no Brasil, ainda é obtida através de importação, uma vez que este é
fabricado nos EUA, o que ocasiona um custo elevado e inviável para ser aplicado em
pequenas comunidades. Assim, o WAPI aqui proposto, foi construído com materiais
alternativos e apresenta um baixo custo, podendo ser utilizado em pequenas
comunidades, uma vez que esse indicador auxilia na verificação da eficiência do
tratamento de água alternativo por pasteurização solar.
Após a definição dos materiais a serem utilizados na fabricação do WAPI
alternativo (caneta tipo BIC, cera de carnaúba, cera de abelha) iniciou-se o processo de
mistura das duas ceras, com o propósito de se definir qual deles apresentava o ponto de
fusão desejado, ou seja entre 60ºC e 65ºC.
Os testes realizados demonstraram a tendência da utilização das ceras de abelha e
carnaúba como matéria prima do WAPI alternativo. Foram realizados 13 testes para
verificar qual a proporção mais adequada para a construção do WAPI alternativo.
A tabela 23, apresenta os resultados para os testes realizados. Nos testes de 1 ao
13 realizados, pode-se notar que quanto maior a proporção de cera de abelha em relação
a de carnaúba, maior a probabilidade em atingir o ponto de fusão indicado, e assim,
pode-se verificar que a água está apta para consumo humano. Assim, após os testes
realizados, definiu-se que, as melhores proporções para serem utilizadas na construção
do WAPI alternativo, corresponde aos testes 11, onde utilizou-se a proporção de 5:1
para cera de abelha, obtendo-se a temperatura de fusão de 65ºC e ao teste de número 13,
onde utilizou-se a proporção 6:1 de cera de abelha obtendo-se a temperatura de fusão de
61ºC. É importante ressaltar que, os pontos de fusão tanto de cera de carnaúba quanto
de abelha foram fornecidos pelos fabricantes e, ressalta-se que esses valores podem ser
alterados de acordo com o lote da fabricação das ceras. Dessa forma, sugere-se que, de
acordo com novos lotes adquiridos, sejam testados novamente as proporções, levando-
se em consideração que quanto maior a proporção de cera de abelha utilizada em
relação à cera de carnaúba, maior a probabilidade de se obter o ponto de fusão indicado.
98
Tabela 23: Proporções utilizadas para a obtenção do WAPI alternativo
Proporção
Testes Cera de Abelha Cera de Carnaúba Fusão
Teste 1 1 - 62ºC
Teste 2 - 1 88ºC
Teste 3 1 1 81ºC
Teste 4 1 2 87ºC
Teste 5 2 1 78ºC
Teste 6 1 3 87ºC
Teste 7 3 1 74ºC
Teste 8 1 4 86ºC
Teste 9 4 1 69ºC
Teste 10 1 5 85ºC
Teste 11 5 1 65ºC
Teste 12 1 6 81ºC
Teste 13 6 1 61ºC
A figura 21 apresenta o WAPI alternativo desenvolvido utilizando-se ceras de
carnaúba e abelha. Observa-se que sua confecção não apresenta dificuldades, podendo
ser construído de forma simples e segura. Os materiais utilizados para sua confecção,
podem ser facilmente encontrados, e podem ser reutilizados quantas vezes for
necessário, devido a sua alta durabilidade.
Figura 21: WAPI alternativo proposto
Assim sendo, em dias onde a temperatura da água não atingir a temperatura
indicada para pasteurização da mesma, a água não pode ser utilizada para consumo
humano. Para tanto, sugere-se que seja utilizado junto ao equipamento um WAPI, para
que seja possível verificar se a água atingiu a temperatura necessária para sua
inativação.
99
5.0 RECOMENDAÇÕES
5.1 Aplicação da desinfecção da água por pasteurização em pequenas
comunidades
Tendo em vista que, em pequenas comunidades há, muitas das vezes escassez de
recursos, é importante que cada vez mais se proponha a utilização da energia solar para
aquecimento da água para consumo humano, em substituição ao sistema convencional
de fervura da água. Johnson e Bryden (2012), estima que, em uma determinada vila em
Mali, 22% do consumo doméstico de madeira, é para o aquecimento de água para
consumo humano, enquanto outros 52% foram utilizados para cozinhar.
O processo de pasteurização tem sido estudado em vários locais, verificando-se
que ele apresenta o menor custo quando comparado com outras tecnologias de
desinfecção, principalmente quando há disponibilidade de calor residual (Salveson et
al.,2011).
O sistema de pasteurização solar da água avaliado nesse projeto de pesquisa,
apresentou resultados que indicam seu potencial de utilização em pequenas
comunidades para desinfecção da água para consumo humano. Todavia, para que sua
aplicabilidade seja efetiva, faz-se necessários que alguns ajustes sejam realizados e
algumas sugestões aplicadas para que se obtenha uma redução significativa de
coliformes presentes na água durante o ano todo. Dessa forma, a seguir serão
apresentadas algumas sugestões desses ajustes, visando a obtenção de melhores
resultados.
1. Instalação de um Filtro lento no Sistema;
2. Aplicação de isolamentos térmicos tanto na tubulação quanto no reservatório de
água;
3. Instalação de mais um coletor solar instalado em série em cada um dos
equipamentos visando aumentar a temperatura final da água;
4. Instalar o sistema de estufa no equipamento 2;
5. Avaliação da utilização da radiação solar de acordo com cada região;
6. Acoplar aos sistemas um WAPI (Indicador de Pasteurização Solar da Água);
7. Aplicação de parâmetros cinéticos da inativação térmica de Escherichia coli
100
A seguir apresentados a descrição detalhada de cada uma das sugestões propostas
anteriormente, visando a viabilidade da implantação dos sistemas de pasteurização solar
propostos por esse projeto de pesquisa.
5.2 Instalação de um Filtro Lento no Sistema
Segundo Paterniani e Roston (2003), a filtração lenta destaca-se por ser um
sistema que não requer o uso de coagulantes ou de outro produto químico, é de simples
construção, operação e manutenção, não requer mão de obra qualificada para sua
operação, produz águas com características menos corrosivas e apresenta custos
geralmente acessíveis a pequenas comunidades, principalmente de países em
desenvolvimento, além de ser um dos processos de tratamento de águas de
abastecimento que produz menos quantidade de lodo e esse lodo pode ser utilizado na
agricultura e na piscicultura.
Dessa forma, recomenda-se, a associação o filtro lento + o sistema de
pasteurizador por energia solar para desinfecção da água em pequenas comunidades
como forma de aumentar a eficiência de remoção de micro-organismos e ser implantada
como forma alternativa e efetiva para o tratamento de água nesses locais. Assim, o
sistema de filtro lento deve ser implantado antes do sistema de pasteurização.
5.3 Aplicação de isolamentos térmicos tanto na tubulação quanto no
reservatório de água
Quando um sistema está em temperatura maior ou menor que a ambiente, poderão
ocorrer trocas de calor, alterando sua temperatura, e que pode acarretar numa perda de
energia.
De acordo com Milcent, 2007 se uma tubulação conduzir um fluido em
temperatura inferior aquela reinante em seu exterior, o fluido frio se aquecerá. Caso
contrário, se a linha conduzir um fluido em temperatura superior a externa, haverá uma
perda de calor do fluido para o meio externo que por sua vez pode ser convertida num
desperdício de recursos financeiros. Para evitar, ou melhor, reduzir tais trocas de calor,
que acarretam também na alteração da temperatura do fluído, se efetua o isolamento
térmico das tubulações.
101
A maioria dos isolantes usados industrialmente são feitos dos seguintes materiais:
amianto, carbonato de magnésio, sílica diatomácea, vermiculita, lã de rocha, lã de vidro,
cortiça, plásticos expandidos, aglomerados de fibras vegetais, silicato de cálcio. Neto,
2009.
Campinas, localizada no estado de São Paulo apresenta alto índice de radiação
solar anual. Todavia, frentes frias e ventos intensos influenciaram no aquecimento da
água nos equipamentos propostos uma vez que estes não possuíam sistema de
isolamento térmicos. Dessa forma, recomenda-se que nos sistemas de pasteurização
solar da água propostos, visando-se evitar a perda de energia para o meio, que seja
aplicado isolamentos nas tubulações dos equipamentos e nos reservatórios de água.
Portanto, quanto maior a espessura do isolamento utilizado, menor será a perda de
energia para o meio o que no período do equinócio permitirá que temperaturas ideias
para inativação de micro-organismos, sejam atingidas.
5.4 Instalação de mais um coletor solar instalado em série ou em paralelo em
cada um dos equipamentos visando aumentar a temperatura final da
água.
Quanto maior o número de coletores solar instalados em um sistema, maior a
temperatura final da água, uma vez que a área de contato da água será maior.
De acordo com dados da Abrava 2008, ao se instalar coletores solares em série ou
em paralelo, obtem-se temperaturas maiores finais da água. Assim, quanto maior a
quantidade de coletores instalados, maior a temperatura final obtida.
A tabela 24, apresenta as especificações da instalação em série e em paralelo de
coletores solares. Podemos observar que a instalação em série apresenta um baixo custo
quando comparados com a instalação em paralelo todavia, a instalação em paralelo
apresenta um maior rendimento por possuir uma perda de carga menor.
Assim, recomenda-se que para o sistema de pasteurização solar da água proposto,
seja instalado para melhores resultados na Cidade de Campinas-SP mais um coletor
solar em cada um dos equipamentos. Tendo em vista o baixo custo do projeto, sugere-se
que a instalação seja em série, todavia se for realizado a instalação em paralelo, os
resultados serão melhores.
102
Tabela 24: Tipos de Instalação de Coletores Solar
Instalação em Série Instalação em Paralelo
Baixo custo
Instalação Simples
Qualquer Coletor
Número de Coletores máximos
Menor Rendimento
Maior Perda de Carga
Alto Custo
Instalação Complexa
Qualquer coletor
Maior número de Coletores
Maior Rendimento
Menor Perda de Carga
Fonte: Abrava, 2008
5.5 Instalar o Sistema de estufa no equipamento 2
O sistema de estufa utilizado em equipamentos de aquecedor solar da água, tem
como propósito evitar que fatores externos como ventos e frente frias resfriem
rapidamente a água em processo de aquecimento.
Dessa forma, visando a obtenção de melhores resultados, sugere-se que seja
instalado ao equipamento 2 um sistema de estufa conforme o proposto no equipamento
1.
5.6 Avaliação da utilização da radiação solar de acordo com cada região
O cálculo da energia solar incidente em cada cidade que receberá o pasteurizador
solar da água é imprescindível na análise de viabilidade técnica e econômica de sua
implantação para desinfecção da água. Assim, é de extrema importância a realização de
cálculos de dimensionamento para se determinar qual é a área coletora necessário para o
volume de água que deseja obter diariamente de acordo com a radiação solar de cada
local.
De acordo com a figura 7, o Atlas Brasileiro de Energia Solar desenvolvido pelo
INPE, pode-se observar o potencial de utilização da energia solar para sistemas de
103
desinfecção da água para pequenas comunidades. No estudo realizado, reafirma que os
maiores valores de irradiação solar ocorrem no chamado Cinturão Solar, faixa que vai
do Nordeste ao Pantanal, em especial no sertão da Bahia e em boa parte de Minas
Gerais. Assim, acredita-se que nesses locais os equipamentos propostos apresentem
uma eficiência de remoção de coliformes mesmo no equinócio superior a 99%.
Para tanto, recomenda-se que estudos sejam realizados para a implantação de
sistemas de pasteurização solar de acordo com o mapa da energia solar desenvolvido
pois, de acordo com todas as sugestões citadas, pode-se conseguir uma eficiência de
inativação de micro-organismos de acordo com as recomendações do Ministério da
Saúde Brasileiro.
5.7 Aplicação de parâmetros cinéticos da inativação térmica de Escherichia
coli
Fogolari et al 2011, determinou parâmetros cinéticos da inativação térmica de
Escherichia coli em lodo de esgoto. Os ensaios foram realizados em laboratório pelo
método do frasco de três bocas nas temperaturas de 45, 50, 55, 60 e 65ºC. Os resultados
indicaram que a cinética de inativação térmica deste microrganismo pode ser descrita
por um modelo de primeira ordem.
A tabela 25 apresenta os resultados obtidos por Fogolari et al 2011. Nota-se que
a 45ºC é necessário um tempo médio para inativação de 142,68 minutos. Observa-se
que quando a bactéria e exposta à temperatura de 55ºC, a resistência da bactéria ao calor
é reduzida, sendo necessário 3,61 minutos para sua inativação.
Tabela 25: Taxa de inativação térmica da Escherichia coli, coeficiente de
determinação e tempo de redução decimal para cada temperatura.
T (ºC)
Repetição
kd (minuto-1
)
R2
kd (médio)
DT (médio)
45 1
2
0,0172
0,0152
0,95
0,94
0,0162 minuto-1
D45ºC= 142,68 minutos
50 1
2
0,0912
0,0865
0,98
0,96
0,0889 minuto-1 D50ºC=25,93 minutos
55 1
2
0,6215
0,6564
0,99
0,97
0,6390 minuto-1 D55ºC=3,61 minutos
60 1
2
1,6416
1,6203
0,97
0,94
1,6310 minuto-1 D60ºC= 1,41 minutos
65 1
2
3,7461
3,8060
0,93
0,96
3,7761 minuto-1 D65ºC=0,61 minutos
Fonte: Fogolari et al 2011
104
Assim sendo, sugere-se para a implantação de um sistema alternativo de
desinfecção solar da água através da Pasteurização Solar, deve ser observado o tempo
de detenção estabelecido neste estudo, pois de acordo com os resultados apresentados, a
partir de 55 ºC, há uma redução significativa na concentração de E. Coli.
105
6.0 CONCLUSÃO
A utilização da ferramenta metodológica quadro morfológico permitiu avaliar e
desenvolver o melhor equipamento de pasteurização solar da água para ser avaliado
nesta pesquisa uma vez que, o mesmo permite substituir componentes utilizados no
aquecimento solar da água usualmente utilizados por outros que possuam a mesma
função porém, com melhores resultados e baixo custo. O equipamento proposto, obteve
um custo total para seu desenvolvimento de R$220,00. Esse valor encontrado demonstra
a tendência de sua aplicação em comunidades rurais, uma vez que o estudo sócio
econômico demonstrou o valor médio para a aquisição do mesmo para uma unidade
familiar em comunidades rurais para até 5 pessoas correspondente a R$150,00.
O sistema de aquisição de dados Lab View, foi de extrema importância no
desenvolvimento desse estudo, uma vez que coletou dados contínuos e precisos de
radiação e temperatura, os quais puderam ser correlacionados com os ensaios
bacteriológicos. Esses dados permitiram compreender a eficiência do equipamento em
todas as estações do ano. Dessa forma, pode-se propor medidas corretivas no
equipamento de modo a melhorar seu desempenho no equinócio.
Os ensaios bacteriológicos realizados, foram utilizados para avaliar a eficiência de
inativação de micro-organismos em cada um dos equipamentos, com isso, identificou-se
que o equipamento 1 no solstício apresentou as melhores eficiências quando
comparados ao equipamento 2. Todavia, no equinócio nenhum equipamento atingiu
temperaturas suficiências para eficiência superiores a 90%.
O Brasil possui um grande potencial de utilização da energia solar para desinfecção
da água. Todavia, é necessário avaliar cada local isoladamente e um estudo de
viabilidade deve ser desenvolvido como forma de verificar sua aplicabilidade em cada
local.
O indicador de pasteurização aqui proposto, mostrou ser uma ótima alternativa para
ser utilizado em pequenas comunidades para avaliar a qualidade da água após um
processo de desinfecção por energia solar;
Os equipamentos aqui propostos possuem um grande potencial de utilização para a
desinfecção da água em pequenas comunidades. Para tanto, deve-se avaliar todas as
características do local e medidas corretivas a serem aplicadas.
106
7.0 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
1. ABNT/CB-55 Projeto 55:003.01-002. Sistema de Aquecimento Solar de água
em Circuito Direto – Projeto e Instalação. Janeiro 2008
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Solar Energy Society, 2001.
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Acesso: 05/11/ 2017.
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desinfecção de águas com turbidez e cor moderadas. Engenharia Sanitária e
Ambiental. Vol. 7 - Nº 1 - jan/mar 2002 e Nº 2 - abr/jun 2002
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energia solar utilizando um reator experimental. Dissertação de Mestrado em
Engenharia de Processos – Universidade Tiradentes, 2008.
8. Barros Neto, B et al, 2010. Como fazer experimentos. Ieda Spacino Scarminio,
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de novos produtos. São Paulo: Edgard Blucher, 1998, 261 p
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qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade, e dá
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