XXIX ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
A Engenharia de Produção e o Desenvolvimento Sustentável: Integrando Tecnologia e Gestão.
Salvador, BA, Brasil, 06 a 09 de outubro de 2009
OTIMIZAÇÃO DO CONTROLE DE
QUALIDADE DE ÁGUA VISANDO UMA
MELHOR EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO:
UMA PROPOSTA METODOLÓGICA
André Clementino de Oliveira Santos (UEPA)
[email protected]
O presente trabalho apresenta uma metodologia de aplicação dos
modelos de regressão múltipla visando reduzir os custos na dosagem
de cloro em redes de abastecimento de água de forma a garantir uma
quantidade aceitável de cloro residual cheggando ao consumidor final.
São definidas as prováveis variáveis que influenciam no processo de
dispersão do cloro bem como a sistemática de definição dos modelos
estatísticos que explicam este processo. O uso desta metodologia
tornará possível a criação de cenários de viabilidade econômica que
permitam aos gestores tomar decisões que otimizem o processo de
dosagem do cloro através de um melhor controle de vazões, pressões e
vazamentos na rede contribuindo para um uso mais eficiente da
energia usada em sistemas de abastecimento de água.
Palavras-chaves: Recursos hídricos, Abastecimento de água,
Qualidade de água, Modelagem estatística, Economia de energia
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1. Introdução
As empresas de saneamento necessitam desenvolver métodos que permitam controlar melhor
seus custos com energia. Segundo SAMPAIO FILHO (2004), a elevação das tarifas de
energia elétrica ao longo dos últimos 10 anos atinge de forma importante as finanças das
concessionárias de água e esgoto espalhadas pelo país. DUTRA (2005) acrescenta que para as
empresas os investimentos em eficiência energética traduzem preços competitivos, maior
produtividade, ou, até mesmo, decidem a sobrevivência da empresa.
Neste ambiente, todas as formas de economia de energia devem ser exploradas e pesquisadas.
Este trabalho foca um ponto importante deste contexto que é a qualidade de água, mais
especificamente, a dispersão de cloro nas redes de abastecimento de água.
A falta de uma metodologia mais acurada que determine as concentrações de cloro no início e
final de cada trecho de uma rede gera gastos desencessários com matéria-prima, controle de
bombeamento, vazão e pressão de água contribuindo para a perda de eficiência energética
dos sistemas existentes.
Deseja-se com este estudo definir as bases de uma sistemática que, através de ferramentas
como os modelos de regressão linear múltipla e softwares que executem estes modelos, defina
as variáveis importantes no processo de dispersão do cloro em uma rede, bem como, os
principais parâmetros de calibração, validação e teste para os futuros modelos que serão
gerados e que permitirão a criação de cenários de viabilidade economico-financeira cujos
resultados auxiliarão na redução do consumo de energia dos sistemas de água.
2. Qualidade de água x eficiência energética
No mundo, os padrões e normas de potabilidade podem variar bastante para determinados
parâmetros como, por exemplo, a contagem de bactérias heterotróficas, onde a Organização
Mundial da Saúde recomenda que a contagem destas bactérias seja tão baixa quanto possível,
não atribuindo valor sanitário significativo a esta análise. No Brasil, a Norma de Qualidade de
Água para Consumo Humano especifica que esta análise, em 20% das amostras mensais de
água tratada, no sistema de distribuição, não deve exceder 500UFCmL-1.
Estabelecendo um paralelo entre as duas organizações, observa-se que os padrões de
potabilidade variam em função do avanço do conhecimento científico que se tem sobre os
riscos potenciais de determinadas substâncias.
Especificamente no Brasil, o anexo da Portaria Nº 518, de 25 de março de 2004, do Ministério
da Saúde, no seu Art. 2º do capítulo I diz que toda a água destinada ao consumo humano deve
obedecer ao padrão de potabilidade e está sujeita à vigilância da qualidade da água. A mesma
ainda conceitua água potável, como sendo aquela própria para o consumo humano cujos
parâmetros microbiológicos, físicos, químicos e radioativos atendam ao padrão de
potabilidade e que não ofereça riscos à saúde; tal padrão é definido a partir destes parâmetros
verificados em amostras da água.
O parâmetro microbiológico, ou seja, aquele que testa à presença de microorganismos que
potencializam riscos a saúde humana, em especial as bactérias do grupo coliforme, é sem
dúvida um importante fator a se analisar quando se fala sobre qualidade da água e os padrões
de potabilidade. (DANIEL, 2001)
Neste momento, ressaltamos que a desinfecção da água pode ser feita através de agentes
químicos e/ou físicos, mas é fato que o uso do cloro (Cl2), seja ele na fase líquida ou gasosa, é
o agente mais usado no processo de desinfecção da água. O Art. 13 do Anexo da Portaria Nº
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518, de 25 de março de 2004, do Ministério da Saúde define que após a desinfecção, a água
deve conter um teor mínimo de cloro residual livre de 0,5 mg/L, sendo obrigatória a
manutenção de, no mínimo, 0,2 mg/L em qualquer ponto da rede de distribuição,
recomendando-se que a cloração seja realizada em pH inferior a 8,0 e tempo de contato
mínimo de 30 minutos, e ainda recomenda que o teor máximo de cloro residual livre, em
qualquer ponto do sistema de abastecimento, seja de 2,0 mg/L.
Apesar do que a norma estabelece como parâmetros para a potabilidade da água, tem-se por
vezes uma realidade tão pouco parecida com o desejado, acarretando ao consumidor final
(população) receber uma água ora sem o mínimo de teor de cloro residual ora extrapolando o
valor máximo permitido pela norma.
Em ambas as situações têm prejuízo o consumidor, seja pela falta o que pode ocorrer desta
água tornar-se veículo de doenças, ou pelo excesso, visto que são agentes oxidantes
extremamente fortes capazes de gerar subprodutos que mesmo em pequenas porções podem
acarretar ações danosas à saúde dos usuários desta água.
Dessa forma, o processo de desinfecção da água possui, basicamente, duas funções: uma
corretiva e outra preventiva. Como caráter corretivo tem a finalidade de eliminar organismos
patogênicos que possam estar na água, tais como: fungos, bactérias, protozoários e/ou vírus. O
seu caráter preventivo está no fato de manter ao longo da rede distribuição certo percentual do
desinfetante a fim de preservar o consumidor final de alguma espécie de contaminação da
rede no trajeto da água das ETAs até o mesmo, garantindo assim a qualidade deste bem.
(HELLER & PÁDUA, 2006)
E é exatamente neste caráter preventivo que pode se dar as maiores contribuições na questão
de eficiência energética uma vez que o desconhecimento do percentual correto de cloro ao
longo da rede gera descompasso no controle ativo de pressões uma vez que o conjunto motorbomba pode estar injetando água na rede a uma pressão e vazão desproporcionais, bem como,
dificulta a identificação e combate de vazamentos no sistema que poderiam ser detectados
pelos decaimentos do percentual de concentração de cloro nos diversos trechos da rede.
3. Metodologia de trabalho e modelagem estatística
Até o presente momento, percebe-se que a falta de modelos estatísticos ou rotinas
computacionais confiáveis, que permitam analisar a dispersão de cloro ao longo da rede, gera
desperdícios energéticos desnecessários além de dificuldades na definição da quantidade de
cloro a injetar na rede.
O estudo e a modelagem dos principais parâmetros que definem a qualidade da água, mais
especificamente o cloro, é, portanto, uma necessidade vital no processo de economia de
energia.
Dessa forma, quando se fala em modelo matemático, deve-se entender como uma abstração
da realidade na tentativa de esclarecê-la conceitualmente.
Estes modelos constituem-se de equações matemáticas, formadas por variáveis mensuradas tal
como se apresentam em meio à realidade, assim como buscam estabelecer, ou melhor,
traduzir o grau de correlação existente entre as mesmas. (SPERLING, 2007)
A determinação das variáveis foi baseada nas características mais importantes que
influenciam no processo de dispersão do cloro e serão levantadas, à princípio, em todos os
trechos de tubulação de uma micro-rede fechada de abastecimento de água. As variáveis
serão:
 Vazão (Q): Variável quantitativa independente que mede o volume por unidade de
tempo que se escoa através de determinada seção transversal de uma tubulação.
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
Pressão (P): Variável quantitativa independente que mede em cada trecho da
tubulação a força normal (perpendicular à área) exercida por unidade de área.

Temperatura (T): Variável quantitativa independente que mede a temperatura do ar
nos diversos trechos de tubulação.

Dureza (D): Variável quantitativa independente que verifica a concentração de íons de
determinados minerais dissolvidos na água.

Turbidez (Tb): Variável quantitativa independente que mede a presença de material
fino em suspensão na água.

pH : Variável quantitativa independente que verifica o potencial que a água tem de
provocar danos (corrosão, incrustações) nas tubulações.

Tubulação – tipo (Tt): Variável proxy independente associada ao coeficiente de
Hazen-Williams que difere de acordo com o tipo de tubulação utilizada.

Tubulação - comprimento (Tc): Variável quantitativa independente que mede os
trechos de tubulação entre nós.

Tubulação – idade (Ti): Variável quantitativa independente que define o tempo de
utilização da tubulação do sistema.

Infiltrações/Vazamentos (I): Variável dicotômica independente que assume valor 1
ou 2 dependendo de se encontrar, ou não, problemas de infiltrações/vazamentos nos
trechos de rede.

Concentração de cloro - início do trecho (Cci): Variável quantitativa independente
que mede o percentual de cloro existente no início de cada trecho de tubulação.

Concentração de cloro - final do trecho (Ccf): Variável quantitativa dependente que
mede o percentual de cloro existente no final de cada trecho de tubulação.
Observa-se que a partir do levantamento das variáveis descritas acima, define-se, através
de modelos de regressão linear múltipla, as equações que explicarão como se dá o
processo de dispersão do cloro nas redes de forma mais precisa onde:
Ccf  f (Q, P, T , D, Tb, pH , Tt, Tc, Ti, I , Cci )
As equações geradas serão analisadas utilizando-se testes de significância que permitirão
avaliar a confiabilidade do modelo. Os testes serão:
 Distribuição de Fisher-Snedecor: Mais conhecida como distribuição F de Fisher, ela
mede a razão entre duas distribuições chi quadrado independentes. Quando ambas as
distribuições apresentam variâncias iguais e, portanto, baixa correlação, o F é igual
a 1. Assim, quanto maior o valor de F, melhor o desempenho do modelo gerado.
 Coeficiente de Correlação: Em estatística descritiva, o coeficiente de correlação
Pearson, ou simplesmente de r de Pearson, mede o grau da correlação entre duas
variáveis de escala métrica. Essa variável, normalmente representado por “r” assume
apenas valores entre -1e 1. Quanto mais próximos de 1 e -1, maior será a correlação
existente.
 Normalidade: A curva de distribuição normal permite a verificação dos resíduos
gerados pelo modelo.
 Homocedasticidade: Permite verificar se há pontos no histograma de resíduos que
tendem à disposição aleatória, ou seja, sem padrão definido explícito.
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 Desvio Médio Absoluto (DAM): Analisa-se os erros do modelo, que serão
mensuradas a partir dos desvios médios absolutos gerados da diferença entre os
valores reais medidos na rede e os valores gerados pelos modelos de previsão.
Com os modelos estatísticos devidamente crivados pelos testes de significância, parte-se para
a simulação dos mesmos em outras micro-redes fechadas de abastecimento de água que
permitirão verificar a confiabilidade do produto gerado e a necessidade de novos ajustes nas
equações de regressão calculadas.
Com o processo de dispersão do cloro bem definido nos modelos gerados, parte-se para a fase
mais importante do processo que consiste na criação de cenários econômico-financeiros que
permitam:
 verificar que ações dos gestores públicos serão mais viáveis para a garantia dos teores
de cloragem nas redes de abastecimento e, consequentemente, da qualidade da água
fornecida à população. Um exemplo claro disto é verificar se para uma determinada
rede é mais viável a troca da tubulação existente ou o aumento da quantidade de cloro
a ser injetada no início da rede;
 auxiliar na otimização dos parâmetros de utilização dos equipamentos, notadamente
conjuntos motor-bomba e controle de velocidade e pressão de água na rede, visando
uma maior eficiência energética do sistema.
4. Conclusões e ações futuras
O presente trabalho teve o propósito de mostrar que ações de melhoria nos sistemas de
saneamento podem contribuir na melhoria da eficiência energética de empresas do setor.
No caso em questão, a melhor compreensão do processo de dispersão do cloro nas redes de
abastecimento poderá gerar ganhos de eficiência nos equipamentos de controle do consumo e,
consequentemente, economizando energia.
Foram definidas as variáveis que mais influenciam na modelagem das equações de regressão
correlacional do cloro, bem como, os testes de significância que deverão ser analisados no
desenvolvimento da pesquisa.
O próximo passo deve ser a coleta dos dados de uma micro-rede fechada de abastecimento de
água que serão significativos na geração dos modelos.
Serão levantados os dados da rede de um conjunto habitacional onde serão coletadas as
variáveis descritas no decorrer do artigo.
Em seguida, deve-se partir para a definição dos modelos estatísticos determinísticos de
regressão linear múltipla que permitirão, através da utilização de software específico, a
representação computacional das equações que, em tese, deverão explicar o processo de
dispersão do cloro ao longo da rede de abastecimento.
Após os testes de calibração, validação e confiabilidade do modelo, parte-se para o
desenvolvimento de processos decisórios e estudos de viabilidade econômico-financeira que
apontarão as ações necessárias para contribuir na melhoria da eficiência energética das
empresas de saneamento.
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