Coeficientes cinéticos de decaimento de microrganismos patogênicos e indicadores em sistemas alagados construídos: revisão sistemática e modelagem hidráulica

Abstract

O déficit em saneamento no Brasil é um desafio presente em todo o território nacional, não se limitando ao contexto rural. Nessas áreas, contudo, a carência é mais acentuada, com apenas 20,6% da população atendida por sistemas adequados de esgotamento sanitário, o que reforça a necessidade de soluções adaptadas a essas localidades. Diante desse cenário, os Sistemas Alagados Construídos (SAC), especialmente os de escoamento subsuperficial horizontal (SAC-ESSH), emergem como uma tecnologia descentralizada sustentável e robusta para o tratamento de esgotos e produção de água para reúso agrícola. O objetivo central desta pesquisa foi consolidar dados cinéticos globais para obter coeficientes de decaimento microbiano (kb) robustos e generalizáveis para diferentes indicadores e patógenos: coliformes totais, Escherichia coli, Cryptosporidium spp., Giardia spp. e colifagos somáticos. A metodologia fundamentou-se nas diretrizes do protocolo PRISMA, consistindo em uma revisão sistemática da literatura abrangendo o período de 2000 a 2025. A busca inicial resultou em 2.428 documentos, dos quais 98 artigos científicos foram selecionados por apresentarem dados operacionais e cinéticos completos, totalizando um banco de dados com 1.025 observações. O tratamento de dados incluiu a limpeza (data cleaning), remoção de valores atípicos (outliers) via método do Intervalo Interquartil (IIQ) e o cálculo de coeficientes kb sob dois modelos hidráulicos idealizados: Mistura Completa (MC) e Escoamento em Pistão (EP). Os resultados demonstraram que a escolha do modelo hidráulico é uma variável crítica. No regime de mistura completa, identificou-se o "efeito K", onde sistemas com baixos tempos de retenção hidráulica (TRH) apresentam coeficientes artificialmente elevados devido à diluição matemática inerente ao modelo. Para protozoários como Giardia spp. e Cryptosporidium spp., o modelo MC apresentou medianas elevadas (11,00 e 11,79 d-1, respectivamente) e instáveis. Em contrapartida, o modelo de escoamento em pistão (EP) promoveu uma convergência paramétrica notável, com medianas situadas em uma faixa previsível (0,35 a 0,89 d- 1), revelando-se a ferramenta mais robusta para o dimensionamento sanitário. Observou-se que a remoção bacteriana não é governada primordialmente pelo TRH, mas sim pela magnitude da carga afluente, com correlações lineares robustas (R2 > 0,87). Já a remoção de protozoários mostrou-se mais dependente de mecanismos físicos (filtração e sedimentação), sendo a Taxa de Aplicação Hidráulica (TAH) um parâmetro de projeto mais estável para descrever sua remoção. Adicionalmente, quantificou-se o "efeito de escala", indicando que sistemas em escala plena operam com coeficientes kb aproximadamente 40% menores do que unidades piloto, exigindo margens de segurança rigorosas em projetos reais. Conclui-se que o modelo de EP descreve com maior fidelidade os processos de remoção intrínsecos ao sistema. As equações e coeficientes estabelecidos fornecem subsídios técnicos indispensáveis para a Engenharia Agrícola, permitindo o dimensionamento seguro de SAC-ESSH voltados à produção de água que atenda aos padrões de segurança microbiológica para a irrigação. Palavras-chave: saneamento descentralizado; cinética de remoção; Escherichia coli; reúso agrícola; soluções baseadas na natureza; wetlands construídas.Brazil faces a critical deficit in rural sanitation, with only 20.6% of the population being served. Given this scenario, Constructed Wetlands (CW), especially horizontal subsurface flow systems (HSSF-CW), emerge as a sustainable and robust decentralized technology for sewage treatment and agricultural reuse water production. The central objective of this research was to consolidate global kinetic data to obtain robust and generalizable decay coefficients (kb) for five groups of microorganisms: total coliforms, Escherichia coli, Cryptosporidium spp., Giardia spp., and somatic coliphages. The methodology was based on the PRISMA protocol guidelines, consisting of a systematic literature review covering the period from 2000 to 2025. The initial search yielded 2,428 documents, from which 98 scientific articles were selected for presenting complete operational and kinetic data, totaling a database with 1,025 observations. Data processing included data cleaning, removal of outliers via the Interquartile Range (IQR) method, and the calculation of kb coefficients under two idealized hydraulic models: Completely Mixed (CM) and Plug Flow (PF). The results demonstrated that the choice of the hydraulic model is a critical variable. In the completely mixed regime, the "K-effect" was identified, where systems with low hydraulic retention times (HRT) present artificially high coefficients due to the mathematical dilution inherent in the model. For protozoa such as Giardia spp. and Cryptosporidium spp., the CM model presented high and unstable medians (11.00 and 11.79 d-1, respectively). In contrast, the plug flow (PF) model promoted a remarkable parametric convergence, with medians situated in a predictable range (0.35 to 0.89 d-1), proving to be the most robust tool for sanitary design. It was observed that bacterial inactivation is not primarily governed by HRT, but rather by the magnitude of the influent load, with robust linear correlations (R2 > 0.87). On the other hand, protozoa removal proved to be more dependent on physical mechanisms (filtration and sedimentation), with the Hydraulic Loading Rate (HLR) being a more stable design parameter to describe their inactivation. Additionally, the "scale effect" was quantified, indicating that full-scale systems operate with kb coefficients approximately 40% lower than pilot units, requiring rigorous safety margins in real-world projects. In conclusion, the PF model more accurately describes the removal processes intrinsic to the system. The established equations and coefficients provide indispensable technical support for Agricultural Engineering, allowing the safe design of HSSF-CW aimed at producing water that meets microbiological safety standards for irrigation. Keywords: decentralized sanitation; inactivation kinetics; Escherichia coli; agricultural reuse; nature-based solutions; constructed wetlands.