ESCOLA NACIONAL DE SAÚDE PÚBLICA
Fundação Osvaldo Cruz
DESFLUORETAÇÃO PARCIAL DAS ÁGUAS DE POÇOS: UMA
APLICAÇÃO DO MÉTODO DE ANÁLISE HIERÁRQUICA (MAH)
Luís Francisco Campos
Dissertação apresentada como parte dos
requisitos para a obtenção do grau de
Mestre em Saúde Pública
Orientador: Prof. Dr. Marcelo Motta Veiga
BRASÍLIA
Abril / 2005
Luís Francisco campos
DESFLUORETAÇÃO PARCIAL DAS ÁGUAS DE POÇOS: UMA
APLICAÇÃO DO MÉTODO DE ANÁLISE HIERÁRQUICA
Esta dissertação foi julgada e aprovada para a obtenção do grau de Mestre em
Saúde Pública no Programa de Pós-Graduação da Escola Nacional de Saúde
Pública da Fundação Oswaldo Cruz, do Ministério da Saúde.
Rio de Janeiro, 29 de abril de 2005.
Prof. Dr. Carlos Machado Freitas
Coordenador do Programa
Prof. Dr. Marcelo Motta Veiga
Orientador
Prof. Dr. Odir Clécio da Cruz Roque
ENSP
Prof. Dr. Dalton Marcondes Silva
ENSP
Prof. Dr. Adacto Benedicto Ottoni
UERJ
II
DEDICATÓRIA
À minha esposa, Denise, pelo apoio constante, aos meus filhos Leandro e
Leonardo, dois grandes talentos e, à minha mãe, uma guerreira ferrenha que partiu
antes do final deste exercício.
III
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar agradeço ao Menino Jesus de Praga pela saúde que
sempre me proporcionou para enfrentar novos desafios. Em segundo lugar, quero
agradecer aos meus pais, que me fizeram vir a este Planeta maravilhoso. Em
terceiro lugar, quero, sinceramente, agradecer ao meu orientador Prof. Dr.
Marcelo Motta Veiga, pela paciência, colaboração e dedicação proporcionandome conhecimentos imprescindíveis.
Quero agradecer também ao meu irmão Antônio Fábio Campos de Araújo,
que sempre me apoiou em todos meus planos. Um agradecimento especial à
equipe da biblioteca da FUNASA, especialmente à Claudete Rulli Costa e Raquel
Machado Santos, que sempre de forma atenciosa buscaram bibliografias; à
Gioconda Valdigem Padrenosso Bengaly/CESTEH/ENSP e Vanessa Lemos dos
Santos/COORDENAÇÃO DE PESQUISA/DSSA/ENSP, pela atenção dispensada
e ao meu colega de trabalho Engo Flávio Marcos Passos Júnior pela ajuda na
formatação do texto.
Finalmente, agradeço às seguintes pessoas que Deus colocou no meu
caminho e que de forma direta ou indireta colaboraram na realização do presente
trabalho: bioquímico Amauri Caiafa Duarte, irmãos geólogos Helton e Hélbio
Pereira, biólogos Gilmar Issas Gallo, Júlio César Freitas, bacharel em história
Carlos Machado de Freitas, médica Maria do Carmo Leal, engenheiros Adacto
Benedicto Ottoni, Dalton Marcondes Silva, Odir Clécio da Cruz Roque, Francisco
Meira, Rosana Lima Viana, Diógenes Otero Braga, Raulmar Rodrigues de Freitas,
Edmilson Mamede Trindade, Francisco Mendes, José Ribeiro, Álvaro Silva,
Renan Lopes e aos amigos João Batista de Sousa e Francisco Moura Couras.
IV
“A objetividade é o consenso da subjetividade”.
(Saaty, 1991).
“O perigo não é a decisão errada; é a decisão plausível, porém incompleta”.
(Dructer, 1967).
“Diga-me, ouço; mostre-me, vejo; envolva-me, participo”.
(Aswathanarayana, 1995).
V
RESUMO
A Portaria nº 518, de 25 de março de 2004, do Ministério da Saúde,
estabelece os Procedimentos e Responsabilidades Relativas ao Controle e
Vigilância da Qualidade da Água para Consumo Humano e seu Padrão de
Potabilidade. O Valor Máximo Permitido(VMP) para a concentração de íons
fluoreto deve observar a legislação específica respeitando o VMP da Tabela (1,5
mg/l).
No Brasil, diversas regiões apresentam águas subterrâneas com
concentração natural de fluoretos superior ao VMP, contribuindo para o
agravamento da saúde daqueles que as consomem podendo acarretar a fluorose
dentária.
Este estudo foi baseado na revisão de literatura de alternativas (processos,
técnicas) de desfluoretação, sobre as quais se procurou construir um modelo de
decisão para a escolha de uma delas, visando o tratamento da água obtida de
manancial subterrâneo, quando única fonte hídrica, em comunidades em zonas
rurais, cuja análise química apresenta concentração natural de íons fluoreto
superior ao permitido pela legislação vigente.
O modelo de decisão utilizado foi baseado no Método de Análise
Hierárquica (MAH) ou Analytic Hierarchy Process (AHP), que é uma ferramenta
de auxílio à tomada de decisão por múltiplos critérios desenvolvida por Thomas
L. Saaty no final dos anos 70.
Foram considerados os seguintes critérios: (i) características físicoquímicas da água bruta, com ênfase na concentração de íons fluoreto e quantidade
a ser tratada; (ii) características físico-químicas da água tratada com ênfase na
VI
concentração ótima final de íons fluoreto; (iii) custo de implantação, e (iv) custo
de produção e de operação e manutenção.
Das diversas alternativas de desfluoretação analisadas o carvão de osso
(CO) e a alumina ativada (AA) foram considerados como ótimos adsorventes e os
mais utilizados; entretanto, o monitoramento da operação foi considerado bastante
oneroso.
Os resultados da aplicação do Método de Análise Hierárquica (MAH)
permitiram a indicação da osmose reversa (OR) como melhor alternativa para a
redução do excesso natural de íons fluoreto nas águas subterrâneas para consumo
humano.
Palavras Chaves: Poços; Tomada de Decisão; Método de Análise
Hierárquica; Tratamento Avançado da Água; Saúde Pública.
VII
ABSTRACT
PARCIAL DEFLUORIDATION FROM WATERWELLS: AN AHP
APPLICATION
Luís Francisco Campos
The Regulation N. 518, from March 24 of 2004, by the State Department
of Health, settles the Proceedings and Responsibilities Relating to Control and
Surveillance of Water Quality for Human Ingestion and it’s Potability Standard.
The Maximum Contaminant Level (MCL) for the fluoride ion concentration must
fulfil the specific legislation according to the MCL from the Chart (1,5 mg/l).
In Brazil, many regions present underground water with a natural fluoride
concentration higher than the MAV, aggrieving the health of those who drink it,
possibly causing Dental Fluorosis.
This
study
was
based
on
the
revisal
of
defluoridation
alternatives/proceedings/techniques literature, over which was attempted to build
a decision model for the choice of one of them, aiming at the treatment of the
water obtained from underground fountainhead, when it’s the only water source at
rural areas and whose chemical analysis presents a natural fluoride ion
concentration superior than the allowed by the present legislation.
The decision model used was based on the Analytic Hierarchy Process
(AHP), which is a supporting tool to the decision making by multiple criteria,
developed by Thomas L. Saaty at the late 70’s.
The
following
criteria
were
considered:
(i)
physical-chemical
characteristics of raw water, emphasizing the fluoride ion concentration and the
amount to be treated; (ii) physical-chemical characteristics of the treated water,
emphasizing the optimal final fluoride ion concentration; (iii) implementation
expenses; and (iv) production, operation and maintenance expenses.
From the many defluoridation alternatives analyzed, the bone coal and the
activated alumina were considered excellent adsorbents and the most frequently
used. However, the operation monitorament was considered too onerous.
VIII
The results of the application of the Analytic Hierarchy Process (AHP)
enabled the indication of the reverse osmosis as the best alternative for the
reduction of the natural surplus of fluoride ion on underground water for human
use. Reverse Osmosis membranes can be successfully used for the treatment of
underground water to the desired purity water level, as they remove up to 95% of
fluoride present in water and also take care of other ions present in water.
Keywords: Waterwell; Decision Making; Analytic Hierarchy Process; Water
Treatment Advanced; Public Heath.
IX
FOLHA DE APROVAÇÃO
DEDICATÓRIA
AGRADECIMENTOS
EPÍGRAFE
RESUMO
ABSTRACT
LISTA DE SIGLAS
GLOSSÁRIO
LISTA DE TABELAS
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE QUADROS E GRÁFICO
SUMÁRIO
1-INTRODUÇÃO. ............................................................................................... 20
2- REVISÃO DE LITERATURA........................................................................ 23
2.1- A captação de água subterrânea.................................................................... 23
2.2- Presença de fluoretos nas águas subterrâneas............................................... 28
2.3- O flúor.............................................................................................................34
2.4- Riscos à saúde provocados pela ingestão de flúor em excesso.......................35
2.5- Legislação. .................................................................................................... 40
2.6- Métodos de apoio à tomada de decisão multicriterial................................... 41
2.7- Alternativas de desfluoretação parcial.......................................................... 46
3- METODOLOGIA............................................................................................. 56
3.1- Escolha do Método de Análise Hierárquica (MAH). ................................... 56
3.2- Escolha dos Critérios. ................................................................................... 67
3.3- Escolha das Alternativas.................................................................................71
4 – ANÁLISE DAS ALTERNATIVAS ESCOLHIDAS .................................... 73
4.1 – Carvão de osso. ........................................................................................... 73
4.2 – Alumina ativada .......................................................................................... .74
4.3 – Osmose reversa ........................................................................................... 77
5- DISCUSSÃO E APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS ........................... 84
X
5.1- O modelo de decisão ................................................................................... 84
5.2- Aplicação do Método de Análise Hierárquica (MAH)...................................85
6 – CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES FINAIS.........................................95
7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................. 99
APÊNDICE A: Resolução das matrizes..............................................................112
XI
LISTA DE SIGLAS
AA = Alumina ativada
AB(Q) = Características físico-químicas da água bruta com ênfase para a
concentração de íons fluoreto e quantidade de água bruta a ser tratada
ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABO = Associação Brasileira de Odontologia
AHP = Analytic Hierarchy Process
ANVISA = Agência Nacional de Vigilância Sanitária
APHA = American Public Health Association
AT = Características físico-químicas da água tratada com ênfase na concentração
final ótima de íons fluoreto
ATSDR = Agency for Toxic Substances and Disease Registry
AWWA = American Water Works Association
BIS = Bureau Indian Satandards
C(P) OM = Custo de produção e de operação e manutenção
CDC = Centers for Disease Control and Prevention
CETESB = Companhia Estadual de Tecnologia em Saneamento Básico
CI = Custo de implantação
CO = Carvão de osso
CPRM = Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais
EC = Expert Choise
EDR = Eletrodiálise Reversa
EI = Ionização
EPA = Environmental Protetion Agency
ETA = Estação de Tratamento de Água
IC = Índice de Consistência
ICOH = Intercountry Centre for Oral Health
IPEN = Instituto de Pesquisa de Energia Nuclear
MAH = Método de Análise Hierárquica
MCL = Maximum Contaminant Level
MF = Microfiltração
MME = Ministério das Minas e Energia
MS = Ministério da Saúde
NEERI = National Environmetal Engineering Research Indian
NF = Nanofiltração
OMS = Organização Mundial de Saúde
OR = Osmose Reversa
PDLIS = Programa de Desenvolvimento Local Integrado e Sustentável
PGAGEM = Programa de Geologia Ambiental e Geologia Médica
RC = Razão de Consistência
RTP = Relatório Técnico Preliminar
SNVA = Sistema Nacional de Vigilância Ambiental em Saúde
THM = Trihalometano
UF = Ultrafiltração
UNICEF = United Nations Children’s Fund
USDOI = Unitated States Department Of Interior
USPHS = United States Public Health Service
VMP = Valor Máximo Permitido
XII
WEDC = Water Engineering Development Center
WHO = World Health Organization
WPCF = Water Pollution Control Federation
XIII
GLOSSÁRIO
ÁGUA BRUTA: água de uma fonte de abastecimento, antes de receber qualquer
tratamento; ou, água proveniente de um manancial, antes de receber tratamento,
ou, água de alimentação da Estação de Tratamento.
ÁGUA DOCE: água com salinidade inferior a 0,50 %.
ÁGUA MINERAL NATURAL: água obtida diretamente de fontes naturais ou
artificialmente captadas de origem subterrânea, caracterizada pelo conteúdo
definido e constante e sais minerais e pela presença de oligoelementos e outros
constituintes.
ÁGUA NATURAL: água obtida diretamente de fontes naturais ou artificialmente
captadas, de origem subterrânea, caracterizada pelo conteúdo definido e constante
de sais minerais (composição iônica), e pela presença de oligoelementos e outros
constituintes, mas em níveis inferiores aos mínimos estabelecidos para água
mineral natural.
ÁGUA SALOBRA: água com salinidade entre 0,5 % e 30 %.
ÁGUA SUBTERRÂNEA: é a que está armazenada ou retida na subsuperfície; ou
então, é a água que preenche totalmente os poros e fraturas das rochas e
sedimentos não consolidados.
ÁGUA POTÁVEL: é o tipo ideal para o consumo (beber e cozinhar); é fresca e
sem impureza. É, também, aquela cuja qualidade a torna adequada ao consumo
humano (Portaria nº 518/2004 - Ministério da Saúde – Padrão de Potabilidade);
ou, é a água que, sem necessidade de tratamento adicional, é inócua do ponto de
vista fisiológico e organolético e apta ao consumo humano.
ALÚMEN: [ Do lat. alumen, por via erudita]. S.M. Quim.- 1. V. alume [ Pl.
alumens e (p. us. no Brasil alúmenes]( Dicionário Aurélio).
ALUME: [ Do lat. alumen, por via semi-erudita]. S.M. Quim. – 1. (Qualquer
sulfato duplo de um metal trivalente) alumínio, cromo, ferro e de um metal
alcalino ou de amônio, alúmen (Dicionário Aurélio).
ALUMINA ATIVADA: é um material preparado a partir do Al2O3.nH2O, em que
n pode ser 1 a 3. A área superficial varia entre 200 a 400 m2/g. É usada para
remover compostos oxigenados e mercaptanas de correntes de hidrocarbonetos e
fluoretos de água (Heinsolhn e Kabel, 1999 apud Martins, 2004). Para
XIV
(Karthikeyan e Shunmunga, 1999) é um material poroso com uma superfície
constituída de grande atividade química obtida da desidratação do Al2O3 em uma
temperatura de 300 a 600 o C.
AQÜÍFERO: é toda formação geológica em que a água pode ser armazenada e
que possua permeabilidade suficiente para permitir que esta se movimente. Para
ser um aqüífero uma rocha (aqüífero cristalino) ou sedimento (aqüífero
sedimentar) tem que ter porosidade suficiente para armazenar água em quantidade
e qualidade suficientes, e que estes poros ou espaços vazios tenham dimensões
que permitam a água movimentar-se, sob a ação do gradiente hidráulico,
possibilitando a sua explotação (viabilidade técnica e econômica).
LENÇOL FREÁTICO: é o nível superior da água subterrânea sujeita,
naturalmente, à pressão atmosférica.
POÇO ARTESIANO: é a denominação de determinados poços tubulares
profundos ou não, que têm o comportamento piezométrico semelhante ao poço
perfurado em Artois, cidade da França, quando pela primeira vez se registrou um
poço jorrante, isto é, ao ser atingindo o aqüífero transbordou acima da boca do
poço. É, também, aquele poço perfurado em aqüíferos artesiano ou confinado. O
fenômeno do artesianismo é uma característica do aqüífero e não do poço. Um
poço perfurado a máquina, num aqüífero livre, deve ser chamado de poço
profundo ou poço tubular profundo, para se diferenciar dos poços rasos escavados
manualmente. As companhias perfuradoras de poços têm usado erradamente o
termo "poço artesiano" para todo e qualquer poço perfurado através de máquinas.
POÇO TUBULAR PROFUNDO: é uma obra especial de engenharia projetada e
construída, visando a explotação de água subterrânea, aberto por máquinas
perfuratrizes, de diâmetro raramente superior a 60cm, vertical, de profundidades
variáveis, podendo atingir até 2.600m, de grande rendimento para a produção de
água, podendo ser totalmente ou parcialmente revestidos, dependendo das
condições da litologia local. O Projeto de Construção de Poços Tubulares
Profundos é regido pelas NB – 588: Projeto de poço para captação de água
subterrânea e NB – 1290: Construção de poço para captação de água subterrânea
da ABNT.
XV
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Concentração de íons fluoreto na água de poços na depressão
central do Estado do Rio Grande do Sul.................................................... p.33
Tabela 2: Concentração de íons fluoreto na água de poços em vários
municípios do Estado de São Paulo.......................................................... p.33
Tabela 3: Ingestão máxima recomendada de fluoretos............................. p.39
Tabela 4: Concentrações de íons fluoreto na água e seus efeitos nos
dentes e nos ossos...................................................................................... p.39
Tabela 5: Concentração máxima de íons fluoreto na água destinada ao
consumo humano recomendada por diversas Instituições......................... p.40
Tabela 6: Dose aproximada de sulfato de alumínio para a desfluoretação
parcial conforme aplicação da técnica de Nalgonda, Índia....................... p.53
Tabela 7: Índice de Consistência Randômico............................................ p.65
Tabela 8: Limites recomendados para a concentração final ótima de
íons fluoreto nas águas destinadas ao consumo humano........................... p.69
XVI
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Poço Tubular Profundo.............................................................. p.24
Figura 2: Movimento da água no subsolo.................................................. p.25
Figura 3: Reservatórios de água subterrânea............................................. p.26
Figura 4: O ciclo hidrológico..................................................................... p.27
Figura 5: O ciclo das rochas....................................................................... p.29
Figura 6: Distribuição espacial de isoteores de íons fluoreto nas águas de
poços na região de Rio Bonito, RJ...................................................
p.31
Figura 7: Ilustração da ocorrência de fluorose dentária no Planeta........... p.36
Figura 8: Visualização dos diferentes processos de separação por
membranas sintéticas..............................................................................
p.51
Figura 9: Sentido da pressão no processo de osmose reversa (OR)..........
p.78
Figura 10: (a) Fluxograma do processo de dessalinização de água
salobra......................................................................................................... p.80
Figura 11: (b) Fluxograma do processo de dessalinização de água
salobra......................................................................................................... p.80
Figura 12: Estrutura do modelo de decisão construído neste estudo.......... p.85
XVII
LISTA DE QUADROS E GRÁFICO
Quadro 1: Escala de importância proposta por Saaty.................................
p.66
Quadro 2: Custo de implantação de ETA’s de desfluoretação parcial, com
alumina ativada (AA). Ano base 1991........................................................... p.70
Quadro 3: Custo de produção e operação e manutenção de ETA’s de
desfluoretação parcial, com alumina ativada (AA). Ano base, 1991............
p.71
Quadro 4: Comparação de custos das ETA’s de desfluoretação parcial de
Barlett (com AA) e Britton (com CO), nos Estados Unidos da América..
p.76
Quadro 5: Faixa de pressão de operação nos sistema de osmose reversa
(OR)............................................................................................................... p.78
Quadro 6: Produtividade m3/dia das ETA’s de observação, de
desfluoretação parcial de Port Hueneme, Califórnia, USA.
p.81
Quadro 7: Qualidade da água produzida por diferentes sistemas de
dessalinização................................................................................................. p.81
Quadro 8: Custo de operação e manutenção em USD / m3 dos processos de
osmose reversa (OR), nanofiltração (NF) e eletrodiálise reversa (EDR)......
p.82
Quadro 9: Vantagens e Desvantagens do processo de desfluoretação
parcial da água poços utilizando-se carvão de osso (CO).............................. p.86
Quadro 9A: Vantagens e Desvantagens do processo de desfluoretação
parcial da água de poços utilizando-se alumina ativada (AA)....................... p.87
Quadro 9B: Vantagens e Desvantagens do processo de desfluoretação p.88
parcial da água de poços utilizando-se membranas sintéticas no processo
de osmose reversa (OR).................................................................................
Quadro 10: Matriz de comparação paritária entre os critérios (parâmetros,
variáveis)......................................................................................................... p.89
Quadro 11: Matrizes de comparação paritária das alternativas (técnicas,
processos) com cada critério........................................................................... p.91
Quadro 12: Quadro misto com matriz das importâncias relativas (escores,
pesos) das alternativas com cada critério e matriz das importâncias
relativas (escores, pesos) da comparação paritária dos critérios.................... p.93
Quadro 13: Ranqueamento ou classificação final ou autovetores e seus
valores ou escore final.................................................................................... p.94
XVIII
Gráfico 1: Visualização do ranqueamento ou classificação final ou
autovetores com seus valores ou escore final................................................. p.94
XIX
1 - INTRODUÇÃO:
O presente estudo tem como Área de Concentração a Saúde Pública e como
Tema o Abastecimento de Água em pequenas comunidades, cuja captação, única
fonte hídrica, ocorreria através do manancial subterrâneo apresentando teor
natural de íons fluoreto acima de 1,5 mg F-/l, Valor Máximo Permitido (VMP)
pela legislação vigente, ou seja, a Portaria nº 518 / 2004, do Ministério da Saúde,
impondo a necessidade de desfluoretação parcial, que é um tratamento da água,
sob condições especiais, sempre mais oneroso que o tratamento convencional.
O problema é caracterizado pelo fato de comunidades, principalmente em
áreas rurais, estarem sendo abastecidas ou consumindo água com teor natural
elevado de íons fluoreto causando prejuízos à saúde por falta de outra fonte
hídrica ou por falta de tratamento da água.
A importância do tema pode ser observada tendo em vista os seguintes
motivos que justificaram a produção deste estudo:
(i)
Os problemas para a saúde causados pelo excesso de flúor, na água
ingerida,
(ii)
A deficiente divulgação, no Brasil, das experiências existentes sobre a
desfluoretação,
(iii)
Relevantes investimentos do Sistema Único de Saúde no pagamento de
despesas relativas à manutenção da qualidade da Saúde Bucal, com
necessidade orçamentária sempre crescente.
Este estudo tem como objetivo geral fazer uma análise, sob o ponto de vista
gerencial (tomada de decisão), com base na revisão de literatura, das vantagens e
desvantagens das alternativas de desfluoretação parcial da água de poços tubulares
profundos, que apresentam concentração natural de íons fluoreto superior à
permitida pela Portaria nº 518 / 04 do Ministério da Saúde, destinadas ao
20
abastecimento público contribuindo para a estruturação do “Sistema Nacional de
Vigilância Ambiental em Saúde” / SNVA (Medronho et al., 2003).
Os objetivos específicos deste estudo consistem em:
(i) analisar, com base na literatura existente, as alternativas de desfluoretação
aplicadas às águas subterrâneas com alto teor natural de flúor, utilizadas para
consumo humano em pequenas comunidades,
(ii) Relatar os aspectos técnicos e, se possível, os econômicos na aplicação das
alternativas encontradas,
(iii) Subsidiar a análise gerencial para tomada de decisão, considerando as
vantagens e desvantagens das alternativas de desfluoretação, apropriadas à
realidade brasileira,
(iv) Interpretar e avaliar as informações obtidas levando em consideração os riscos
para a saúde pública e a legislação existente sobre os padrões de potabilidade
da água e controle ambiental,
(v) Avaliar o Método de Análise Hierárquica (MAH) como ferramenta de auxílio
à decisão,
(vi) Propor alternativas de solução do problema das pequenas comunidades,
selecionando-se uma alternativa, através do modelo de decisão construído para a
aplicação do Método de Análise Hierárquica.
Os principais resultados que se pretendeu obter foram:
(i) - Definir uma alternativa de desfluoretação parcial da água com vistas à
tomada de decisão,
(ii) – Motivar os gestores do setor saúde, os gestores dos recursos hídricos de
superfície e subterrâneo para a necessidade de estudos hidrogeoquímicos e
geofísicos, otimizando-se a locação de poços e sua correta construção,
21
(iii) – Estimular a participação efetiva das instituições governamentais dos
níveis federal, estadual e municipal, bem como da iniciativa privada no fomento
de atividades de monitoramento, controle e vigilância da qualidade da água para
consumo humano.
Procurou-se, no desenvolvimento deste estudo, aplicar o Método de
Análise Hierárquica (MAH), uma ferramenta de auxílio à tomada de decisão.
Realizou-se uma revisão da literatura registrando-se diversas alternativas de
desfluoretação parcial.
Dentre as alternativas estudadas foram selecionadas: (1) carvão de osso
(CO), também chamado carvão animal, farinha de osso calcinado ou,
simplesmente, farinha de osso; (2) alumina ativada (AA) e (3) osmose reversa
(OR). A seleção foi influenciada pelos critérios/variáveis/parâmetros: (i)
características físico-químicas da água bruta, com ênfase na concentração de íons
fluoreto e quantidade a ser tratada; (ii) características físico-químicas da água
tratada com ênfase na concentração ótima final de íons fluoreto; (iii) custo de
implantação, e (iv) custo de produção e de operação e manutenção.
Verificou-se que os seguintes itens da revisão de literatura auxiliam o
entendimento do problema causado pelo consumo prolongado de água subterrânea
com alta concentração natural de íons fluoreto: (1) captação de água subterrânea;
(2) presença de fluoretos nesta água; (3) o elemento flúor; (4) riscos à saúde e, (5)
legislação. Alguns métodos de apoio à tomada de decisão multicriterial compõem
um item a fim de justificar a escolha do Método de Análise Hierárquica (MAH)
para sua aplicação neste estudo.
A aplicação do MAH permitiu concluir que a utilização de membranas
sintéticas no processo de osmose reversa para a desfluoretação parcial da água
subterrânea, quando única fonte hídrica de abastecimento de pequenas
comunidades, seria a alternativa preferida, com 43 % de preferência, enquanto as
alternativas que utilizam carvão de osso e alumina ativada ficaram muito
próximas entre si, com 28 e 27 %, respectivamente.
22
2 - REVISÃO DA LITERATURA:
2.1-A captação de água subterrânea
Túneis e poços construídos para captação de água subterrânea na Pérsia (atual
Irã) e no Egito, por volta de 800 AC comprovam que as águas subterrâneas eram
aproveitadas pelo homem desde a idade antiga, (Tolman, 1937 apud Feitosa,
2000).
Homero, Tales e Platão, antigos filósofos gregos admitiam a hipótese de que
as nascentes eram formadas por águas do mar conduzidas através de canais
subterrâneos para baixo das montanhas, de onde ascendiam até a superfície depois
de purificadas.
Anaxágoras, 500 a 428 AC reconheceu a importância da chuva para os rios e
também para o armazenamento da água subterrânea, embora não tenha entendido
corretamente a natureza desse armazenamento, (Walton, 1970 apud Feitosa,
2000).
O aumento da população, as demandas da agricultura irrigada e o crescimento
do parque industrial incrementaram a utilização da água subterrânea. No caso das
demandas populacionais em áreas rurais, com moradia pouco dispersa,
predominam a captação através de poços profundos ou, quando possível,
captações em encostas e, quando moradias dispersas, predominam poços rasos,
escavados manualmente, nos quais se utiliza o lençol freático, ou as nascentes ou
minas.
A captação por meio de poços tubulares profundos exige o conhecimento dos
estratos litológicos situados abaixo da superfície dos terrenos, na crosta terrestre e,
para a sua construção, exige a utilização de materiais e equipamentos especiais de
tal forma que a sua seção transversal seja circular com diâmetro muitas vezes
menor que a profundidade.
Na Figura 1, pode-se observar as características de um poço tubular profundo.
23
Figura1: Poço Tubular Profundo, construído com equipamentos, ferramentas,
utensílios e materiais especiais.
Fonte: Sondamar, 2005.
As fontes de água subterrânea e de superfície não estão separadas, o que é
água de superfície em um dado local pode ser água subterrânea em um outro e,
pode, emergir novamente como água de superfície num terceiro ponto.
A
interconexão hidráulica torna isso possível.
As características químicas das águas subterrâneas ou de superfície decorrem
de suas propriedades de dissolver, em maior ou menor grau, quase todas as
substâncias, sendo freqüentemente mencionada como solvente universal. Em face
desta característica todas as águas naturais contêm gases e sais minerais em
solução retirados do ar e do solo.
24
Na Figura 2, podem ser verificaras de forma simplificada, as zonas de
movimentação da água abaixo da superfície do solo e a sua interfase, ora
subterrânea, ora de superfície, através de alimentação desse manancial em período
de estiagem, mostrando a zona de aeração, a zona saturada, a zona de umidade do
solo, a zona intermediária, a franja capilar, o poço para captação do lençol
freático, e o rio ou lago que recebe recarga na estiagem, (Pedrosa e Caetano,
2002).
Figura 2: Zonas de movimentação da água abaixo da superfície do solo.
Fonte: Pedrosa e Caetano, 2002.
A água de chuva, conquanto relativamente pura, arrasta partículas de poeira e
retém gases dissolvidos ao se precipitar. Depois de atingir o solo continua a
dissolver tudo o que lhe é possível do material terroso. O processo de dissolução
prossegue durante todo o tempo em que a água penetra através da superfície e das
formações subsuperficiais recolhendo uma carga crescente de sais minerais.
25
Todavia, a matéria orgânica e as partículas em suspensão, que recolheu
próximas à superfície, são gradualmente removidas ao se infiltrar, até juntar-se às
grandes massas de águas acumuladas abaixo da superfície, formando os
reservatórios de água subterrânea, (Cedestron, 1964), possibilitando desta forma,
o conceito geral de que a qualidade das águas subterrâneas é melhor que a das
superficiais.
A Figura 3, mostra a formação desses reservatórios, onde os poços tubulares
profundos penetrantes nos aqüíferos visam a explotação da água para as diversas
demandas. Nela é possível verificar a possibilidade de ocorrência de poço
jorrante, graças ao substrato litológico sedimentar situado entre duas formações
geológicas confinantes e impermeáveis, (Pedrosa e Caetano, 2002).
Figura 3: Disponibilidade de água subterrânea em aqüíferos sedimentares.
Fonte: Pedrosa e Caetano, 2002.
A água subterrânea deve, também, ser compreendida pelo conceito de ciclo
hidrológico, caracterizado pela contínua circulação da água no Planeta, sendo
26
normalmente, considerado como seu início, a evaporação dos oceanos formando
as nuvens, que se condensam e precipitam de várias formas.
Resumidamente, o ciclo hidrológico é o sistema pelo qual a irradiação solar
faz a água circular do oceano para atmosfera e retornar, superficial e
subterraneamente, ao oceano por diversas vias.
Além da irradiação solar
participam nesse processo os seguintes agentes: a gravidade, a atração molecular e
a capilaridade, dentre outros.
As partes mais importantes do ciclo hidrológico podem ser observadas na
Figura 4, tais como, a evaporação, a precipitação, o escoamento, a infiltração e a
evapotranspiração, (Porto, 1973).
Figura 4: O ciclo hidrológico
Fonte: Porto, 1973 apud Rafaeli, 2000.
Pode-se compreender, desta forma, que os recursos hídricos subterrâneos estão
intimamente relacionados aos recursos hídricos de superfície.
27
Na distribuição dos recursos hídricos existentes no Planeta, muitas vezes
denominado “Planeta Água” observa-se que, 97,3 % desses recursos são águas
salgadas e 2,7 % são águas doces, onde 77,2 % encontram-se em geleiras e
calotas; 22,4 % nos aqüíferos; 0,35 % nos lagos, lagoas e pântanos; 0,04 % na
atmosfera e 0,01 % nos rios, riachos e córregos (Teixeira, 2004).
2.2-
Presença de fluoretos nas águas subterrâneas:
Os íons fluoreto, geralmente, são encontrados nas águas subterrâneas em
pequenas concentrações. A maior concentração natural foi observada em um poço
no Quênia com 2.800 mg F-/ l. Pode derivar da fluorita (CaF2), principal fluoreto
das rochas ígneas ou de algum do considerável número de complexos minerais em
que eles participam, tais como criolita (Na3AlF6), fluorapatita [Ca10(PO4)6F2] e
micas [AB2-3(X, Si)4O10(O,F,)H)2], onde A pode ser K, Na, Ca, Ba, Ce, At; B
pode ser Al, Li, Fe, Zn, Cr, V, Ti, Mn, Mg e, X pode ser Al, Be, B, Fe, que são
cátions trocadores.
Os fluoretos correspondem à cerca de 0,3g/kg da crosta terrestre, (IPCS,
1984).A distribuição do flúor, segundo Fenzel (1986) é na crosta terrestre: rocha
magmática (710 mg/kg), resistatos (220 mg/kg), precipitatos (24 mg/kg),
evaporitos (24 mg/kg); nos oceanos (1,3 mg/kg); nas águas doces (menor que 1
mg/l); na atmosfera, onde na maioria dos casos, pode indicar poluição por gases
industriais.
Os gases vulcânicos e fumarólicos, na maioria dos casos, contêm fluoretos
capazes de serem arrastados para as águas e transportados pelos ventos e chuvas.
As rochas ígneas ou magmáticas são formadas pelo resfriamento e
solidificação do magma, material rochoso fundido, portanto, com mobilidade,
cuja temperatura é, geralmente, de cerca de 700 a 1.200 o C, nas proximidades da
superfície da Terra. Estas rochas têm textura, estrutura e constituintes minerais e
vítreos, que são indicativos de antigas temperaturas elevadas em conseqüência dos
eventos raros e antigos, tais como gigantescas erupções vulcânicas e impactos de
grandes asteróides na superfície da Terra. Juntamente com as rochas metamórficas
e sedimentares as rochas ígneas formam a crosta terrestre e estão em permanente
ciclo, conforme pode ser observado na Figura 5 (Best e Christiansen, 2001).
28
Figura 5: O ciclo das rochas
Fonte: Teixeira et al.,2000.
Estudos hidrogeoquímicos (Silva et al., 2003), sobre concentrações do
flúor em águas subterrâneas e solos têm sido reportados em diversos países
destacando-se: Hem e Roberson [ (a, b) 1969], Nordstrom e Jenne (1977), Hem
(1969, 1970, 1985), nos EUA; Gaciri e Davies (1993), Ashley e Burley (1995),
na África; Handa (1975), Jacks e Brattacharya (1999), na Índia; Ojeda e Goncález
(1998), no México; Yong e Hua (1991), na China; Torres et al. (1994), na
Espanha.
Em solos cálcicos, calcretes e sódicos destacam-se Chabra et al. (1980),
Jacks e Sharma (1995), na Índia; Barbieró e Vliet-Lanoe (1998), na África.
No Brasil, existem muitos estudos hidrogeoquímicos (Silva et al., 2003),
tais como: Giampá e Franco Filho (1982), Gouvêa da Silva et al. (1982), Gouveia
da Silva (1993), Celligoi et al. (1985), Kimmelmanm et al. (1990), Fraga e Lisboa
29
(1990), Fraga (1992), Araújo et al. (1995), Sracek e Hirata (2001), realizados na
Bacia do Paraná nos Estados de São Paulo e Paraná.
No Rio Grande do Sul, diversos pesquisadores estudaram fácies
hidroquímicas, citando as concentrações de flúor em águas subterrâneas, Silva et
al. (2003), dentre eles: Hausman (1960), Martins (1979), Abreu (1981), Lisboa e
Menegotto (1997), Lobo e Bem (1998), Baccar (1998), Bertazzo (1999), e Silva
et al. (2000). Hausman e Martins buscaram interpretar as variações
hidrogeoquímicas associadas à tectônica.
Lobo e Bem (1998), Baccar (1998) e Lobo et al. (2000), buscaram
explicar as ocorrências de flúor acima do VMP, em águas subterrâneas associadas
a um domo salino, hipótese não comprovada até o presente momento.
Silva et al. (2000), buscaram apoio na mineralogia, utilizando técnicas de
petrografia avançada e de geoquímica para avaliarem a concentração de flúor em
poços penetrantes no Sistema Aqüífero Guarani.
Pode-se, ainda, destacar os seguintes estudos hidrogeoquímicos:
Panagoulias e Silva Filho (2003) observam que a ocorrência de fluoretos
em água subterrânea, em áreas de litologia vulcânica, é bem documentada em
todo mundo, mas pouco se conhece em áreas, onde o flúor é de ocorrência
hidrotermal.
Eles concluem que entre os municípios de Tanguá e Rio Bonito, no
Estado do Rio de Janeiro, existe uma área com água subterrânea com
concentrações superiores a 6 mg / l de F-, onde há ocorrência de veios de fluorita
de origem hidrotermal.
A Figura 6, mostra a distribuição de fluoretos na região de Rio Bonito, RJ
com curvas de isoteores (Panagoulias e Silva, 2003).
30
Figura 6: Distribuição das concentrações de flúor em água subterrânea no
município de Rio Bonito, RJ.
Fonte: Panagoulias e Silva, 2003.
Baccar (1998) realizou estudo dos poços da região do vale do rio Pardo,
Rio Grande do Sul, visando caracterizar, delimitar e mapear a qualidade da água
subterrânea, com destaque para a concentração de fluoretos. Durante o período de
dezembro de 1997 a julho de 1998 foram analisadas amostras de água de 361
poços localizados nos municípios de Candelária (21), Pântano Grande (13), Passo
do Sobrado (38), Rio Pardo (18), Santa Cruz do Sul (186), Sinimbu (2),
Sobradinho (13), Venâncio Aires (53) e Vera Cruz (17).
Dentre as variáveis físico-químicas importantes como parâmetros de
potabilidade foram consideradas: fluoretos, turbidez, ferro total, pH, alcalinidade
por bicarbonatos, alcalinidade por carbonatos.
Dos 361 poços, 13,3% apresentaram teor de fluoretos acima dos
parâmetros permitidos pela legislação, 7,5% encontram-se na faixa recomendada e
79,2 % apresentaram concentrações inferiores ao valor mínimo recomendado.
Em áreas rurais dos municípios de Venâncio Aires e Santa Cruz, no Estado
do Rio Grande do Sul, foram construídos poços com até 12 ppm de íons fluoreto.
31
Um estudo da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) mapeou a
fluorose endêmica e suas causas na zona rural do município de São Francisco, no
Norte do Estado de Minas Gerais, onde se observou água subterrânea com até 12
mg F -/ l (Gonçalves, 2003).
Há indícios de ocorrência de concentração natural elevada de flúor em
água de poço tubular profundo na região do município de Unaí, MG.
Vários poços, na bacia hidrográfica do rio Paraná, inclusive os de grande
profundidade no sistema aqüífero Guarani, estão inoperantes por conterem
elevada concentração de flúor, (Almeida, 2003).
Silva et al. (2003) estudaram a ocorrência de 118 poços penetrantes no
sistema aqüífero Guarani, na depressão central gaúcha, que apresentaram
concentrações de íons fluoreto, superiores ao Valor Máximo Permitido (VMP).
Sugerem como principal fonte de fluoretos o processo de intemperização de
minerais oriundos de granitóides durante o processo de caolinização, por meio da
liberação de minerais micáceos, favorecendo a formação diagenética de
argilominerais (ilitas) e mostrando uma associação de concentrações relativas de
flúor, mais elevadas, nas frações finas das rochas sedimentares argilosas,
possivelmente ligadas ao grupo hidroxila.
Sugerem, ainda, que os diques básicos possam ter contribuído para a
concentração relativa de fluoretos ou para o semiconfinamento local do sistema
aqüífero Guarani formando águas de elevadas concentração de forças iônicas.
Na Tabela 1, observa-se que as análises dos parâmetros químicos dos 118
poços estudados apresentaram as seguintes concentrações expressas em mg F-/l e
em percentual, sendo a concentração mínima de 0,9 e a máxima de 10,8.
32
Tabela 1: Concentração de íons fluoreto em poços na depressão central gaúcha.
mg F-/l % poços
<2
50,9
2a4
28
4,1 a 6
14,4
6,1 a 8
4,2
>8
2,5
Fonte: Silva et al., 2003.
Nas águas subterrâneas do interior e da capital do Estado de São Paulo,
(Alchera et al., 1987), as concentrações de fluoreto para diversos poços variam de
2,10 a 17,60 mg/l, conforme pode ser visto na Tabela 2.
Tabela 2: Concentração de Fluoreto em águas subterrâneas no Estado de São
Paulo
Município
Bofete
Presidente Prudente
Anhembi
Teodoro Sampaio
São Paulo
Conchas
Riolândia
Pereiras
Leme
Rio Claro
Pereiras
Jaguariúna
Cosmópolis
Pereiras
Coroados
Piracicaba
Santa Albertina
Queiroz
São Paulo
Campinas
Piracicaba
Pereiras
Areal
Araras
São Paulo
Barretos
Campo Limpo
Taubaté
Colômbia
Itápolis
Cubatão
Rio Claro
Carapicuíba
Nº do Poço
297/06
177/82
273/03
200/06
343/2541
274,05
6/03
298/02
193/02
247/07
298/13
249/36
249/11
298/12
91/11
247/21
13/14
158/07
343/3046
277/60
246/10
298/02
163/82
220/22
343/2659
58/21
302/278
307/01
371/03
140/05
363/10
218/04
342/921
mg/l de F17,60
13,30
10,40
9,20
8,90
8,57
8,20
8,00
7,10
6,60
6,60
6,40
5,60
5,14
5,00
4,90
4,40
4,40
4,40
3,90
3,60
3,20
3,00
2,68
2,60
2,50
2,50
2,50
2,40
2,20
2,20
2,10
2,10
Fonte: Alchera et al.,1989, adaptado.
33
No município de Pilar do Sul, no Estado de São Paulo, há poços com
teores de até 12 mg/l de íons fluoreto, que podem estar sendo usados para
consumo.
2.3- O flúor
No século XVII, o pesquisador e geólogo alemão Georgius Agrícola
mencionou em seus estudos sobre os metais a existência de um mineral que
denominou flúor lápis (pedra fluida) graças à propriedade de fundir-se a
temperaturas relativamente baixas. Esse mineral antes chamado espatoflúor é,
hoje, conhecido como fluorita (CaF2), que constitui a fonte principal de flúor.
Segundo Peçanha (2001), no Brasil, as reservas medidas e indicadas
aprovadas oficialmente e minerações explotando fluorita (51,2% de Ca e 48,8%
de F) são encontradas nos Estados da Bahia, Minas Gerais, Paraná, Rio de Janeiro,
Santa Catarina e São Paulo.
O flúor é um elemento químico, de símbolo F, pertencente ao grupo dos
halogênios ou grupo VII A da Tabela Periódica juntamente com o Cloro, Bromo,
Iodo e Astato.
Descoberto por Carl Wishelm Sheele, em 1971, o gás flúor (F2) foi isolado
pela primeira vez em 1886 por Henri Moisan, por meio da eletrólise do ácido
anídrico em fluoreto de potássio, que é o processo, ainda hoje, empregado
industrialmente na obtenção desse gás.
Encontrado em pequenas quantidades na água do mar, nos ossos, nas
unhas, nos dentes dos animais e em plantas, ocorre na natureza como fluoreto de
cálcio (CaF2), na fluorita, como fluoreto de sódio e alumínio, na criolita
(Na3AlF6), que é extremamente rara.
Apresenta-se como um gás amarelo esverdeado, de odor irritante e
propriedades tóxicas. É o mais eletronegativo dos elementos químicos. Sua
extrema reatividade, que se traduz em forte tendência à formação de compostos,
atribui-se à facilidade com que atrai elétrons ao ser reduzido o tamanho dos seus
34
átomos. Combina-se com todos elementos químicos, exceto com o hélio, o
argônio e o criptônio. A manipulação de alguns compostos com flúor é
problemática, já que substâncias como madeira, vidro e amianto são prontamente
corroídos pelo ácido fluorídrico (HF), por exemplo.
Seus derivados inorgânicos mais comuns são o fluoreto de sódio (NaF) e
ácido flúor silícico, utilizados como preventivo das cáries dentárias; os fluoretos
de sódio e hidrogênio (NaHF2), de potássio (KF), de prata (AgF2), de boro (BF3),
de antimônio (SbF6) e de enxofre (SF6), entre outros e como combustível nuclear
(UF2).
Dentre seus compostos orgânicos, destacam-se os freons, entre os quais o
freon-12 ou dicloro-diflúormetano (CF2Cl2), que é um gás refrigerante não tóxico,
utilizado na maioria dos refrigeradores domésticos.
A administração tópica de fluoreto e a fluoretação da água são eficazes na
prevenção da cárie dentária, a primeira por recomendação médica e a segunda por
recomendação legal.
As propriedades químicas e físicas do flúor são: (1) número atômico 9, (2)
peso atômico 18,9984,
(3) ponto de fusão 53,53 K (-219o C), (4) ponto de
ebulição 85,03 K (-188o C), (5) densidade a 25o C, CNPT 1,696 kg/cm3, (6)
estado de oxidação - 1, (7) energia de ionização 1.680 kJ/mol, (8) raio atômico 71
pm, (9) eletronegatividade 2,98/3,98 e, (10) configuração eletrônica 2-7 ou
1s22s22p5.
2.4- Riscos à saúde provocados pela ingestão de flúor em excesso:
Normalmente, os efeitos à exposição a qualquer substância perigosa
dependem da dosagem, da duração, da forma de exposição, das condições
genéticas, dos hábitos do indivíduo exposto e da presença de outras substâncias
químicas (ATSDR, 2001).
Os métodos mais utilizados para a determinação dos íons fluoreto na água
são: eletrodo e colorimétrico (SMEWW, 1998).
35
O flúor, o mais eletronegativo de todos os elementos, tem propriedades
fisiológicas de grande interesse em relação à saúde do homem e ao seu bem-estar.
Baixo teor de íons fluoreto inibe ou estimula os processos enzimáticos.
A participação do flúor, nos processos normais de mineralização dos
tecidos rígidos dos seres humanos e de animais, é altamente evidente. A ingestão
prolongada de teor adequado de fluoretos estabiliza o sistema esquelético através
do desenvolvimento dos cristais de apatita, diminuindo a sua solubilidade.
Entretanto, teor elevado, além da fluorose dentária e esquelética, pode ser
responsável pelos seguintes efeitos maléficos: fluorose nos tecidos não rígidos,
tais como pele e nervos; distúrbios gastro-intestinais; problemas no sistema
nervoso; distúrbios urinários; problemas de infertilidade e aborto em mulheres;
distúrbios cerebrais em crianças e problemas socioeconômicos como na Índia,
Tailândia, Paquistão, China (Mariappan, 2001).
Na Figura 7, observa-se a ocorrência de fluorose endêmica ao redor do
mundo (UNICEF, 2004 e Iruretagoyena, 2003).
Figura 7: Ocorrência de fluorose endêmica ao redor do mundo
Fonte: UNICEF, 2004 e Iruretagoyena, 2003.
36
No Brasil, a fluorose dentária não é uma doença de notificação
compulsória. Entretanto, dezenas de adolescentes encontram-se em estágio
avançado da fluorose dentária causando danos psicológicos irreparáveis.
Cangussu et al. (2002) concluíram que a fluorose dentária constitui um
problema importante de saúde pública no País e observaram que ela é endêmica,
apresentado-se na forma severa, nas regiões onde há anomalia hidroquímica
geogênica.
Os graus de fluorose dentária são definidos conforme classificação de
Dean (1943) em branda, suave e severa e, fotografias de pessoas com fluorose
dentária e esquelética são apresentadas no trabalho publicado por Ayetas (2003).
Após a classificação de Dean, os pesquisadores Thylstrup e Fejerskv a
melhoraram considerando o aspecto da aparência clínica da fluorose dentária,
através de um índice denominado Índice TF (Amarante e Merci, 2002).
Os seres vivos constituem-se dos elementos contidos em sua alimentação.
Para os seres humanos são essenciais como macronutrientes: Cálcio, Cloro,
Magnésio, Fósforo, Potássio, Sódio, Enxofre, Oxigênio, Hidrogênio e Nitrogênio
e, como micronutrientes: Arsênio, Cobalto, Cromo, Cobre, Ferro, Manganês,
Molibidênio, Selênio, Vanádio, Zinco, Flúor, Iodo e Silício. Há séculos foi dito:
“Tudo é venenoso, nada é venenoso; é questão de dosagem”. Especificamente,
quanto aos elementos micronutrientes, sua assimilação em excesso pode ser fatal
(Scarpelli, 2003).
Ao serem liberados pelo intemperismo, os elementos podem ser
recristaliazados em minerais neoformados, adsorvidos em minerais argilosos,
incorporados em óxidos-hidróxidos de ferro e manganês, precipitados como
carbonatos ou postos em solução. Quando solubilizados ou passam ao solo e são
levados às águas subterrâneas ou são transportados pela drenagem. No solo,
podem ser assimilados pelas raízes de plantas entrando na cadeia alimentar.
Também entram na cadeia alimentar, quando carreados em solução pela drenagem
e assimilados pelos animais aquáticos, podendo, ainda, ser assimilados pelos
demais seres vivos por inalação ou por contato dermal.
37
De modo geral, o solo, as águas correntes e as plantas refletem a
composição das rochas do substrato. Essa relação é muito usada em pesquisa
mineral para a descoberta de jazidas.
O elemento flúor, em quantidade adequada, é considerado benéfico à
saúde humana, principalmente em crianças, promovendo o endurecimento da
matriz mineral dos dentes e esqueleto, e tem se mostrado como agente químico
mais eficiente na prevenção da cárie dentária, daí sua adição nos sistemas de
abastecimentos públicos de água ser uma prática bastante difundida.
O risco de fluorose não depende somente da quantidade de fluoreto
ingerido, mas também, do aspecto nutricional do indivíduo como, por exemplo, a
ingestão de vitamina D e proteínas, além de outros fatores. As quantidades
máximas permitidas são estabelecidas em função da idade, do peso e das
condições climáticas da região de fixação da comunidade.
Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS), o teor ótimo de íons
fluoreto na água potável varia de 0,7 a 1,2 mg/l, em função das médias de
temperaturas máximas diárias observadas num período mínimo de um ano
(Zimbres, 2000).
A concentração de 4,0 mg/l de F- não causaria risco de fluorose
esquelética, uma situação clínica também conhecida como ósteofluorose, segundo
estudos de Lalumandier e Jones (1999).
A ingestão normal diária de flúor fica entre 0,05 e 0,07 mg/kg de peso
corpóreo/dia (Agneli, 2003). O que significa dizer, grosso modo, que uma pessoa
de 60 kg de peso poderá ingerir em média 3,6 mg/dia. Ao tomar 2 litros de água
por dia, com concentração de 1,5 mg F-/l estaria consumindo 3,0 mg/dia,
portanto, abaixo da média citada, porém, sem considerar as outras fontes de flúor,
tais como, alimentos e produtos fluoretados.
Segundo Panagoulias e Silva (2003), 70% da ingestão normal de flúor
ocorreriam através da água.
Hileman (1988) apud Charbell (1990), cita que, a ingestão em média de 20
mg/dia, durante 5 anos ou mais, poderia provocar a fluorose esquelética. Doses
de 2 a 5 mg/dia podem levar ao estágio pré-clínico, e posteriormente ao clínico da
fluorose dentária.
38
Na Tabela 3, pode ser observada a ingestão recomendada para diversas
faixas etárias, em trabalho promovido pela UNICEF, na Índia (Jaffery et al.1998).
Tabela 3: Ingestão diária máxima recomendada de fluoreto
Grupo Etário
Bebês
Crianças
Adultos
Fluoreto (mg F(a)
0 – 6 meses
0,1 – 1,0
6 meses - 1 0,2 – 1,0
ano
1 – 3 anos
0,5 – 1,5
4 – 11 anos
1,0 – 2,5
1,5 – 4,0
/(dia)
(b)
0,7
0,9
1,3
2,2
10,0
Fonte: (a) Jaffery et al., 1998; (b) NAP, 2004.
A Tabela 4 mostra as concentrações de flúor na água de beber e os
respectivos efeitos sobre os dentes e os ossos, conforme adaptação de Cury
(1993). A intensidade dos efeitos pode ser interpretada da seguinte forma: (-) =
sem efeito; (+) = efeito fraco; (++) = efeito pouco forte; (+++) = efeito forte e,
(++++) = efeito muito forte e, (+++++) = efeito absoluto.
Tabela 4: Concentrações do flúor na água de beber e intensidades do desfecho nos
dentes e ossos.
Flúor na água (mg F-/l)
Fluorose
Fluorose Óssea
Dental
0,2
0,7
+
1,4
++
2,1
+++
2,8
++++
5,6
+++++
+
Fonte: Cury, 1993, apud Pereira e Oliveira, 1998, adaptado.
As quantidades estimadas de fluoretos regulamentadas para ingestão diária
sob segurança não são precisas e variam entre os países.
39
Na Tabela 5, pode ser verificado o Valor Máximo Permitido/VMP, em mg
-
F / l, recomendado por várias Instituições.
Tabela 5: Concentração máxima dos íons fluoreto na água permitida por
várias Instituições.
INSTITUIÇAO
mg/l de FAgência de Proteção Ambiental, Estados Unidos da América.
Serviços de Saúde Pública, Estados Unidos da América.
Departamento Indiano de Padronização/BIS.
Organização Mundial da Saúde.
Ministério da Saúde, Brasil.
4,0
1,5
1,0
1,5
1,5
Fontes: EPA, USPHS, OMS, BIS, Portaria nº 518 / 04.
2.5 - Legislação
O Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), Brasil (1986) por
meio da Resolução nº 20, de 18/06/86, classifica as águas em doces, salobras e
salinas, visando o controle de seus níveis de qualidade em todo País. Segundo
seus usos preponderantes, estabelece padrões para as águas destinadas ao
abastecimento doméstico, considerando os fluoretos, na concentração máxima de
1,4 mg F-/l como substâncias potencialmente prejudiciais.
A Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), Brasil (2000),
através da Resolução nº 54 de 15/06/2000, dispõe sobre o Regulamento Técnico
para fixação de Identidade e Qualidade de Água Mineral Natural e Água Natural
definindo em seu item 9 (ROTULAGEM), subitem 2 que:
- devem constar, obrigatoriamente, no rótulo, de forma clara, destacada e
precisa, as seguintes declarações:
a) “Contém Fluoreto”, quando o produto contiver mais que 1 mg F-/ l;
b) “Não indicado para lactantes ou crianças com até sete anos de idade”, quando o
produto contiver mais que 2 mg F-/l de fluoreto.
c) “Fluoreto acima de 2 mg /l, para consumo diário, não é recomendável”.
40
A Lei 6.050, de 24 de maio de 1974, Brasil (1974), dispõe sobre a
fluoretação em sistemas de abastecimento público de água citando em seu Art. 1º,
§ Único:
- a regulamentação, de que trata este artigo, disciplinará a aplicação de
fluoretação, tendo em vista, entre outras condições específicas, o teor natural de
flúor já existente e a necessária viabilidade econômico-financeira da medida.
A Portaria nº 613/89, publicada no Boletim de Serviço do Ministério da
Saúde (BSMS / DA) nº 26 de 30/06/ 89, Brasil, (1989), aprova a Política Nacional
de Saúde Bucal, classifica a Cárie Dental como Dano I, e exige para o seu
controle, o uso concomitante de fluoretos em dosagens adequadas, por ingestão e
por via tópica.
O método indicado de ingestão é a fluoretação da água para consumo
público, enquanto que, o uso tópico de géis e soluções uma ou duas vezes ao ano,
ou de bochechos semanais ou quinzenais para crianças de 6 a 12 anos, constituem
as práticas que mais se adaptam às condições nacionais.
A Portaria nº 518 de 25/03/04, Brasil (2004), estabelece os procedimentos
e responsabilidades relativas ao controle e vigilância da qualidade da água para
consumo humano e seu padrão de potabilidade. Em seu Artigo 14 apresenta a
tabela com o padrão de substâncias químicas inorgânicas, que representam risco à
saúde, definindo um Valor Máximo Permitido (VMP) para o fluoreto igual a 1,5
mg/l.
Neste particular, cita que os valores recomendados para a concentração de
íons fluoreto devem observar a legislação específica vigente relativa à fluoretação
da água, em qualquer caso, devendo ser respeitado o VMP tabelado.
2.6-Métodos de apoio à tomada de decisão multicriterial
As decisões nos diversos setores da sociedade vinham sendo tomadas
tradicionalmente com base em apenas um ou dois critérios, geralmente, o
financeiro e/ou econômico, através de técnicas monocriteriais por meio de
pesquisa operacional.
41
Nessas técnicas não é simples levar em consideração a presença de fatores
subjetivos, sejam eles quantificáveis ou não, conduzindo muitas vezes à escolha
de uma alternativa que não seria a mais adequada para atender às prioridades
sócio-econômicas essenciais da comunidade.
Apesar da aparente inércia dos tomadores de decisão no início do século,
de acordo com Zeleny (1982) citada por Rabbani, S. J. R. e Rabbani, S. R. (1996),
apud Lucena (2004), tem-se experimentado, nos últimos anos, um período de
transformações nos padrões e valores de tal forma que a idéia de maximização
está perdendo terreno, onde o “mais” não é necessariamente o “melhor”.
Na década de 70, as pressões para reduzir os gastos dos governos e a busca
pela preservação dos recursos naturais, cada vez mais escassos, levaram os
planejadores a procurar incluir no processo de decisão, tanto fatores tangíveis
(valores definidos monetariamente) como intangíveis (qualidade ambiental, saúde,
realização pessoal, entre outros) no intuito de tomar uma decisão mais racional em
resposta às exigências da sociedade moderna. A partir dessas necessidades o
pensamento multicriterial de apoio à tomada de decisão começou a crescer e a
tomar forma.
De acordo com Bana (1993), apud Schmidt (1995) e Lucena (2004), no
início dos anos 70, uma nova fase do processo de apoio à decisão começou a se
organizar na comunidade científica, antes dispersa, interessada pelo domínio do
multicritério, a partir da Conferência de Outubro de 1972, na Universidade de
Carolina do Sul, organizada por James L. Cochrane e Milana Zeleny.
Segundo Rabbani & Rabbani (1996), houve um avanço substancial dos
Métodos de Apoio à Tomada de Decisão Multicriterial, que se baseiam nas
técnicas desenvolvidas pelas Teorias de Decisão nas seguintes ciências:
Administração (Teoria da Utilidade e do Processo de Análise Hierárquica),
Economia (Otimalidade de Pareto, Função do Bem-Estar Social), Estatística
(Regressão Multivariada, Análise de Discrepância) e Psicometria (Medidas de
Percepção).
De acordo com Saaty (1997) as Teorias como da Utilidade e do Processo
de Análise Hierárquica seriam algumas das poucas metodologias de decisão
42
multicriterial existentes, havendo outras, que o autor considera uma variação das
mencionadas.
Atualmente, há uma forte tendência para se esclarecer a opinião dos
tomadores de decisão em todos os níveis do processo de planejamento nas
organizações, quanto à importância da utilização de múltiplos critérios na análise
de problemas complexos.
O objetivo da tomada de decisão multicriterial é identificar e selecionar o
melhor curso de ação, quando se depara com problemas de decisão complexa, que
envolve fatores múltiplos e, até certo ponto, conflitantes.
Essa forma de encarar o processo de tomada de decisão permite a
consideração de diversos fatores relevantes, que possibilitam uma análise mais
detalhada das vantagens e desvantagens das alternativas possíveis para a solução
do problema.
Ainda, segundo Saaty (1997), um modelo de tomada de decisão
multicriterial para traduzir eficientemente um sistema e conduzir à escolha da
melhor alternativa, deve ser de construção simples, adaptável tanto a grupos
quanto aos indivíduos; natural à intuição do pesquisador e ao pensamento geral;
encorajar a formação de compromisso e do consenso e não exigir especialização
excessiva para comunicar e administrar.
Além destas características, a tomada de decisão multicriterial pressupõe o
conhecimento de algumas informações como: pessoas e grupos envolvidos;
objetivos e políticas; restrições; impactos; tempo-horizonte; influências e outros
detalhes do problema a ser solucionado, como por exemplo, o conjunto de
alternativas, cuja escolha da melhor entre elas é o principal objetivo da tomada de
decisão.
Lucena (2004) cita os seguintes métodos com seus respectivos resumos:
(i) Critério dos Pontos: Permite levar em consideração a rentabilidade do
empreendimento e os principais fatores significativos, como os objetivos do
projeto e seus principais impactos, sejam eles positivos ou negativos. Sua
aplicação é dividida em três etapas.
Na primeira são identificados todos os fatores significativos do problema
em questão. A etapa seguinte é composta da ponderação dos fatores segundo uma
43
escala de valores e, finalmente, passa-se à etapa de montagem das tabelas, nas
quais estão representados os pesos dos fatores, além da pontuação atribuída a cada
alternativa considerada em relação a cada fator.
(ii) Métodos ELECTRE (Elimination Et Choix Traduisant la Realité):
Desenvolvidos por Roy (1985). São em número de quatro e são considerados
como métodos de subclassificação, baseados em classificação binária, onde,
pressupondo-se o conhecimento das preferências do tomador de decisão e a
qualidade da avaliação, pode-se admitir que uma ação “a” é tão boa, melhor ou
pior que outra “b”. Tais métodos permitem a inclusão da incompatibilidade em
seu modelo.
(iii) Método AHP (Analytic Hierarchy Process) ou Método de Análise
Hierárquica (MAH): Idealizado no Saaty no final de década de 70, tem como
base, a representação de um problema complexo por meio de uma estruturação
hierárquica objetivando priorizar os fatores na análise das diversas alternativas.
Segue quatro etapas básicas: 1: estruturação hierárquica; 2: comparação paritária
dos parâmetros em cada nível da estrutura; 3: princípio de priorização e 4:
sintetização de prioridades.
(iv) Método ANP (Analytic Network Process) ou Processo de Análise em
Rede: É também idealizado por Saaty (1997), que o apresenta como um método
com uma estrutura mais abrangente e efetuada, tal como o AHP, em quatro
passos: 1: estabelecimento de uma hierarquia de controle; 2: julgamento dos
elementos ou comparação por pares; 3: sintetização dos resultados e 4: análise de
sensibilidade dos resultados. Portanto, tal como o método anterior, o objetivo do
ANP é priorizar as alternativas de forma a apontar a melhor.
Salomon e Montevechi (2004) realizaram um trabalho para justificar a
utilização do Método de Análise Hierárquica, proposto por Saaty, comparando-o
com os seguintes métodos similares: 1: Método de Análise em Redes/ANP,
também desenvolvido por Saaty; 2: Abordagem de Decisão Fuzzy/FDA (Fuzzy
Decision Approach), baseada em conjuntos Fuzzy e proposta por Liang e Wang
(1992); 3: MACBETH (Measuring Attractiveness by a Categorical Based
Evaluation Technique) proposto por Bana e Vasnick (1994); 4: TOPSIS
44
(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) desenvolvido por
Hwang e Yoon (1981).
Eles concluíram que o Analytic Hierarchy Process (AHP) ou Método de
Análise Hierárquica (MAH) não seria um método de tomada de decisão por
múltiplos critérios inferior a nenhum desses métodos, quando comparados.
Bossu et al. (2000) estudaram os seguintes métodos de tomada de decisão
multicritério: 1: AHP ou Método da Análise Hierárquica; 2: ELECTRE
(Elimination Et Choix Traduisant de la Realité); 3: MACBETH (Measuring
Attractiveness by a Categorical Based Evaluation Technique); 4: PATTERN
(Planning Assistent Through Technical Evaluation Of Relevance Numbers),
surgido em 1963 e desenvolvido pela Honeywell Corporation; 5: PROBE
(Preference Robustness Evaluation); 6: UT/MAUT (Utility Theory/Multiatribute
ou Teoria da Utilidade ou Teoria das Preferências e 7: MATS-PC (Multi Attribute
Trade Offs System – Personbal Computer), que é um software empregado para
auxiliar na avaliação de projetos).
Eles concluíram que cada método de apoio à tomada de decisão
multicriterial possui particularidades que o diferencia dos demais e este é o fator
que torna a ciência da tomada de decisão extremamente complexa. Mais
importante do que construir um modelo de decisão, quando tantos já existem, é
obter conhecimento em relação à postura que se deve adotar como facilitador de
um processo decisório, cuja experiência é o principal quesito, independente do
método utilizado.
Schmidt (1995) realizou estudos sobre os métodos AHP e MACBETH
informando que ambos os métodos se baseiam em dois princípios básicos:
estruturação e avaliação, que ajudarão o tomador de decisão a analisar e sintetizar
as informações.
O AHP caracteriza-se pela capacidade de analisar o problema de tomada
de decisão através da construção de níveis hierárquicos e comparação par-a-par
dos níveis de hierarquia.
O MACBETH é um método interativo, que auxilia a construção de uma
escala cardinal. As preferências são determinadas de forma semântica e, a seguir,
45
através de programação linear são transformadas numa escala de valores
numéricos.
Esta revisão de literatura influenciou na escolha do MAH (ou AHP) como
ferramenta a ser aplicada no presente estudo.
2.7- Alternativas de desfluoretação parcial
Os processos de remoção parcial de fluoretos das águas com alto teor de
íons fluoreto são normalmente denominados de desfluoretação. Entretanto,
também são encontradas na literatura outras denominações, tais como
defluoretação, desfluoração, desfluoração ou, simplesmente, redução/remoção de
fluoretos.
A fluorose dentária causada pela ingestão prolongada e em excesso de íons
fluoreto nas águas em sistemas públicos de abastecimento de água, nos anos 30,
fez com que vários pesquisadores intensificassem seus estudos na tentativa de
descobrir novas alternativas e materiais para a remoção de fluoreto em
concentrações abaixo de 20 mg/l.
Com base na natureza dos materiais, as técnicas/processos ou alternativas
de desfluoretação podem ser agrupadas nas seguintes categorias: Adsorção, Troca
Iônica, Precipitação, Eletroquímica e Membranas (Mariappan, 2001).
A Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos da América, EPA
(2003), ao rever as Regulamentações Básicas da Água de Beber (NPDWR´s), a
respeito das Tecnologias (Alternativas/Processos) de Tratamento de Água, tendo
em vista os Contaminantes Químicos, informa, em 1986, que as melhores técnicas
de desfluoretação, segundo a alta taxa de remoção de fluoretos, ampla
aplicabilidade e compatibilidade com outros tratamentos complementares seriam:
Alumina Ativada (AA), Osmose Reversa (OR) e outras alternativas técnicas
registradas em relatórios específicos elaborados no período de 1996 a 2002
considerados e inseridos nas NPDWR´s.
Angers (2001) ratifica a informação supra e complementa dizendo que a
Associação Americana dos Serviços de Água (AWWA) considera como
alternativas à alumina ativada (AA) e osmose reversa (OR) as tecnologias ou
métodos da eletrodiálise (ED), eletrodiálise reversa (EDR), carvão de osso (CO) e
destilação.
46
Cita que, tanto o carvão de osso quanto a alumina ativada perdem a
eficiência de adsorção após sucessivos ciclos de regeneração.
A eletrodiálise e a eletrodiálise reversa têm uma seletividade muito
eficiente na remoção de íons, porém não tem a eficiência da osmose reversa na
remoção de bactérias.
Quanto à destilação, esse método tem aplicação para a produção em
pequenos volumes de água por exigir áreas imensas para um pequeno acréscimo
de produção. Porém, pequenos projetos de Destilação têm sido aplicados, com
sucesso, para pequenas demandas no litoral do México.
Thompson e MacGarvey (1953) observaram o uso de resinas trocadoras
aniônicas fortemente básicas na forma de cloreto para a remoção de fluoreto.
Além da retenção de íons fluoreto, outros íons também ficavam retidos, o que
tornava a capacidade de remoção dos íons fluoreto dependente da concentração
total dos ânions. Constatou que a capacidade para a resina Amberlite XE-75 era
de aproximadamente 88g/m³ de resina, quando a razão dos íons fluoreto em
relação aos ânions totais era de 0,05.
Hindin et al. (1968) apud Charbell (1990) empregaram a osmose reversa
(OR) para a remoção de íons fluoreto. Utilizaram membrana de acetato de
celulose e constataram que poderia reduzir os íons fluoreto de 585 mg/l para 1.0
mg/l. Os testes foram realizados em escala muito pequena. Segundo, a companhia
Du Pont, a remoção dos íons fluoreto dependia do pH. Quando este aumenta de
5,5 para 7 ocorria uma remoção de 45 a 90%. O processo de osmose reversa é
recomendado para o tratamento da água em comunidades onde o consumo é
pequeno (apud Charbell, 1990).
Schoeman e MacLeod (1987) mencionaram que nos Estados Unidos
algumas usinas têm empregado alumina ativada para a desfluoretação de águas
subterrâneas com concentrações de íons fluoreto de 2 a 8 mg/l na água bruta.
Savinelli e Black (1958) mostraram que à medida que se aumentava a alcalinidade
da água, diminuía a capacidade de remoção dos íons fluoreto, sugerindo desta
forma, que os hidróxidos e os bicarbonatos presentes na água eram competitivos
com os íons fluoreto no processo de adsorção.
47
Wu e Asce (1978) realizaram um estudo levando em consideração o
controle de alguns fatores como pH, relação da adsorção do fluoreto com o
adsorvente e a cinética de adsorção da desfluoretação da água com alumina
ativada. Concluíram que o pH ótimo para a remoção era 5 e que neste pH a razão
de adsorção era função da proporção da concentração inicial do fluoreto com
relação à quantidade de alumina ativada.
Choi e Chen (1979), apud Charbel (1990), realizaram estudos de remoção
do fluoreto em águas do mar, empregando carvão ativado, bauxita, e alumina
ativada. Os fatores levados em consideração eram: tempo de contato, pH,
salinidade, concentração inicial do fluoreto e interferência de outras espécies
químicas como sílica, cálcio, magnésio, alumínio, ferro e sulfato.
Os carvões ativados experimentados não eram adequados para a remoção
do fluoreto por causa da reduzida faixa do pH ótimo exigido, baixa capacidade de
remoção e dos efeitos da salinidade da água bruta além da interferência de outros
íons e da concentração inicial do fluoreto.
Eles constataram, também, que tanto a bauxita quanto a alumina ativada,
são excelentes para remoção de fluoretos de água de composição variada. A
alumina ativada é mais eficaz do que a bauxita. Porém, a bauxita é de custo mais
baixo que a alumina. A faixa de pH ótimo para a bauxita é de 5,5 a 7,0 enquanto
que para a alumina ativada é de 5,0 a 8,0.
A eficiência na remoção do fluoreto geralmente aumentava, quando se
tinha concentração inicial de fluoreto reduzida. Para atingir uma concentração
final inferior a 1mg/l era necessário uma concentração inicial de fluoreto inferior a
4 mg/l. Outras espécies químicas não interferiam seriamente na remoção do
fluoreto pela alumina ativada.
Apesar da remoção do fluoreto pela alumina ativada ou bauxita depender
de um certo número de parâmetros, o pH da água em tratamento era o fator mais
crítico na determinação da eficiência de remoção.
Liuming et al. (1987) estudaram um novo método para a remoção do
excesso de fluoreto, baseado na eletrólise usando um anodo de alumínio. A
concentração de fluoreto diminuía de 4 a 5 mg/l na água bruta, para 0,5 a 1,0 mg/l
48
na água tratada, sem ocorrer alterações significativas no nível de concentração dos
outros íons.
Min et al. (1984) empregaram osmose reversa, O´Briel (1983) sugeriu três
processos de tratamento para remoção do nitrato e outros seis para a remoção dos
íons fluoreto em águas de abastecimento.
Wu (1979), estudou a remoção do fluoreto com alumina ativada por
alimentação contínua, levando em consideração o efeito do fluxo e tamanho das
partículas. Além da remoção do fluoreto da água bruta, preocupou-se com a
disposição final dos efluentes com alta concentração de fluoretos, na ordem de
algumas dezenas de g/l, liberados pelas usinas ou estações de tratamento.
Alchera et al. (1987) informaram a existência de inúmeros testes utilizados
na remoção de íons fluoreto em águas para o abastecimento público, tais como:
adsorção com carvão de osso; coagulação com sulfato de alumínio; adsorção com
alumina ativada; abrandamento com cal e adsorção com uma longa série de
materiais testados de forma individual e combinados. Estes autores chegaram às
seguintes conclusões:
(i) O processo de troca iônica não é considerado viável para a remoção de íons
fluoreto de águas para abastecimento público;
(ii) Resinas aniônicas de base forte possuem a capacidade de remover íons
fluoreto conjuntamente com todos os outros íons; o custo deste tratamento, porém,
não é compatível com os recursos financeiros de uma pequena comunidade. Os
resultados obtidos por alguns pesquisadores não foram favoráveis;
(iii) O processo de osmose reversa, que emprega membranas semipermeáveis para
separar sólidos dissolvidos da água, pode reduzir o teor de fluoretos;
(iv) A coagulação do sulfato de alumínio é um processo de precipitação química,
onde ensaios experimentais demonstraram um consumo de cerca de 350 mg/l de
sulfato de alumínio para se obter redução do teor de fluoretos de 3,5 mg/l para 1,0
mg/l.
(v) O tratamento com cal somente se torna eficiente para teores elevados de
fluoretos (20 mg/l); tratamento com magnésio resulta um consumo de 70 mg/l de
magnésio para reduzir o nível de fluoretos de 8 mg / l para 1,5 mg/l e de 137 mg/l
de magnésio para reduzir fluoretos de 16 mg/l para 1,5 mg/l.
49
Para Karthikeyen e Sundarraj (1999) os métodos de desfluoretação são
basicamente baseados em algum tipo de reação química com os íons fluoreto
podendo haver troca iônica com ou sem precipitação e, métodos baseados em
processos de adsorção.
A Associação Americana dos Serviços de Água (AWWA, 1951), informa
que o abrandamento da água de Ohio, EUA, com soda e cal, reduzia o teor de íons
fluoretos, pois, presente o magnésio, o hidróxido de magnésio absorvia os íons
fluoreto; o teor de magnésio igual a 23 mg/l reduzia a concentração de fluoreto de
1,5 à concentração desejável de 1,0 mg/l. Esta prática só é recomendável quando o
teor de fluoreto não exceder 3,5 mg/l.
Na natureza, as membranas exercem um papel importante na separação de
sais em solução, tal como na osmose. Nas variações tecnológicas em uso
comercial, as membranas semi-impermeáveis artificiais ou sintéticas têm a mesma
função, mas atuam de maneira diferenciada (Cravo e Cardoso, 1999), como na
osmose reversa (OR), sob pressão, e na eletrodiálise reversa (EDR), sob diferença
de potencial.
Segundo Schneider e Tsutiya (2001), o uso de membranas sintéticas
filtrantes para o tratamento de água pode ser, em certos casos, a solução mais
indicada para o suprimento de água em comunidades. O avanço tecnológico na
fabricação das membranas tem reduzido seu custo de forma significante (70% no
período de 1994-2000).
O conceito de tratamento convencional da água está, a cada dia que passa,
impondo a sua revisão face à insegurança proporcionada pelo sistema poluidor
atual. As operações e processos unitários de coagulação, floculação,
sedimentação, filtração rápida e desinfecção com cloro são, nos dias de hoje,
insuficientes para a remoção da complexa variedade de poluentes existentes, em
muitos mananciais utilizados, constituindo-se, portanto, em sistemas de
tratamento incompatíveis com os níveis de segurança com que devem operar os
sistemas públicos de suprimento de água (Schneider e Tsutiya, 2001).
Sistemas de membranas filtrantes (Microfiltração/MF, Ultrafiltração/UF,
Nanofiltração/NF, Osmose Reversa/OR, Eletrodiálise/ED e Eletroionização/EI)
vêm se mostrando, não apenas como uma tecnologia emergente, para aumentar os
50
níveis de qualidade da água de beber, em função das exigências da legislação
sanitária, mas como solução para substituir com vantagens, diversas operações e
processos unitários de tratamento (Schneider e Tsutiya, 2001).
Água potável com alta qualidade, por exemplo, poderá ser produzida de
mananciais
com
determinadas
características
que
abastecem
a Região
Metropolitana de São Paulo, com o emprego de membranas de MF e UF, sem a
necessidade de coagular, flocular, sedimentar e filtrar. Se, na água bruta,
ocorrerem íons de metais pesados, com tamanhos moleculares inferiores a 1.000
D, membranas de NF poderão ser utilizadas, e de OR, se os íons presentes forem
inferiores a 200 D (Schneider e Tsutiya, 2001).
Na Figura 8, a seguir, podem ser visualizados esses diferentes processos de
separação (Cravo e Cardoso, 1999).
Figura 8: Processos de separação por membranas sintéticas e dimensão relativa de
alguns materiais que podem estar presentes na água.
Fonte: Cravo, 2003; D = Dalton (peso molecular), 1 D = peso de um átomo de
hidrogênio.
51
A NF é uma tecnologia análoga à OR, porém as membranas de NF têm
rejeição, a íons monovalentes, inferior às membranas de OR, isto é, elas removem
uma fração de íons monovalentes menor que aquela removida por OR, sendo mais
indicadas para a remoção de íons divalentes e trivalentes, pesticidas e matéria
orgânica dissolvida na água (Schneider e Tsutiya, 2001).
Desde o início dos anos 60, o Instituto Nacional de Pesquisa em
Engenharia Ambiental (NEERI), em Nagpur, Índia, tem desenvolvido pesquisas
para a redução de fluoretos na água. A primeira unidade deste processo alternativo
de desfluoretação foi desenvolvida na Índia em Nalgonda, em Andha Pradesh, na
cidade de Kathri. Neste processo/tecnologia/alternativa, a água bruta é misturada
de forma adequada à cal e sulfato de alumínio.A dosagem de cal depende da
alcalinidade da água bruta. Se a água bruta tem alcalinidade adequada, a adição de
cal não se faz necessária. A adição de sulfato de alumínio será efetuada após a
adição da cal, misturada/agitada, suavemente, por 10 minutos, quando os flóculos
formados estarão prontos para a decantação. Este processo de formação dos
flóculos e decantação requer cerca de 1 (uma) hora (Susheela, 2002).
Nas áreas rurais, onde as famílias fazem a desfluoretação intradomiciliar,
ele recomenda misturar a água bruta com cal e sulfato de alumínio e deixá-la toda
noite, para na manhã do dia seguinte, o sobrenadante límpido ser transferido para
outro recipiente e usado para consumo com segurança. Nessa alternativa,
denominada Técnica de Nalgonda, além dos íons fluoreto, turbidez, cor, odor,
pesticidas e outras substâncias, também são removidas. A contaminação por
bactérias também é reduzida drasticamente. A adição de cal ou de carbonato de
cálcio garante uma alcalinidade adequada para a efetiva hidrólise do sulfato de
alumínio, que constitui o flóculo formado e, como resultado, o alumínio não
aparece na água tratada, (Susheela, 2002).
Ele cita as seguintes vantagens: pode ser usado tanto para tratamento
intradomiciliar, quanto para suprimento de pequenas comunidades; as operações
podem ser manuais; os produtos químicos são os mesmos utilizados nos processos
convencionais de tratamento de água; é de custo viável; muitos projetos já foram
desenvolvidos pelo NEERI em várias regiões; é flexível, portanto, poderá atender
52
regiões específicas; o desfluoretador atende às exigências do Departamento de
Padronização Indiano/Bureau Indian Standards (BIS), que é o limite de 1 mg/l.
Apesar de muito boa, esta alternativa exige um operador com muita
experiência, devidamente treinado e capacitado; é importante que a dosagem de
sulfato de alumínio e cal sejam determinados depois da avaliação da concentração
do íon fluoreto e da alcalinidade da água bruta, (Susheela, 2002).
A dosagem do sulfato de alumínio deve ser feita de acordo com a Tabela
6.
Tabela 6: Dose aproximada de sulfato de alumínio em mg/l requerida para se
obter água para consumo humano nas condições recomendadas (< 1 mg F-/l) em
função da água bruta de acordo com a variação da alcalinidade e a concentração
do íon fluoreto.
Fluoretos na Água
Bruta (mg/l)
Alcalinidade (mg/l)
125 200 300
400
500 600 800 1000
2
145 220 275
310
350 405 470 520
3
220 300 350
405
510 520 585 765
4
*
400 415
470
560 600 690 935
5
*
*
510
600
690 715 885 1010
6
*
*
610
715
780 935 1065 1210
8
*
*
*
*
990 1120 1300 1430
10
*
*
*
*
*
*
1510 1690
* O tratamento deverá ser realizado após se aumentar a alcalinidade da água
usando-se cal ou carbonato de sódio.
Fonte: Mjengera e Mkongo, 2002.
É obrigatório que essas dosagens sejam constantemente avaliadas em
função da sazonalidade, pois no período chuvoso a alcalinidade será alta, para o
caso de manancial de superfície; o operador deverá estar familiarizado com a
velocidade de mistura/agitação do sulfato de alumínio a fim de garantir que o
produto está adequadamente misturado e, então, certo de poder esperar cerca de 1
(uma) hora para uma satisfatória remoção dos flóculos e sua conseqüente
sedimentação.
Experiências têm demonstrado que se a mistura de sulfato de alumínio é
realizada em crescente velocidade, diminui as possibilidades de formação dos
flóculos e uma grande quantidade de sulfato de alumínio será necessária para a
remoção de fluoreto, causando um residual alto de alumínio na água; a principal
causa de preocupação com esta alternativa ou Tecnologia de Nalgonda, consiste
53
no fato de que se a dosagem de sulfato de alumínio não for segura, há a
possibilidade de excesso do alumínio contaminar a água produzida.
A concentração residual permitida de alumínio é de 0,03 a 0,2 mg/l, na
água potável de acordo com os BIS (o Ministério da Saúde/Brasil recomenda um
VMP de 0,2), visto que concentrações acima deste limite podem ser causa da
doença de Alzheimer.
Os compostos de alumínio são usados para o tratamento da água para
consumo humano em todo planeta.
Devido a esta preocupação, coagulantes alternativos e coagulantes de
reforços estão sendo estudados e recomendados; apesar desta séria desvantagem,
este produto, ainda continua sendo usado para a remoção de fluoretos em diversas
regiões da Índia.
Scheider e Tsutiya (2001) descrevem que os equipamentos que utilizam os
métodos e as técnicas de eletrólise para a remoção de íons, começaram a ser
comercializados na década de 60 e estão implantados, principalmente, nos Estados
Unidos e Japão. O princípio básico de sua aplicação considera que os sais em
solução têm um comportamento iônico e que esses íons são separados através de
membranas eletrodialíticas sob o efeito de uma diferença de potencial. A rápida
acumulação de sais nas superfícies das membranas reduz em muito a
produtividade do sistema. Entretanto, no início dos anos 70, unidades de
eletrodiálise reversa, onde uma reversão periódica da polaridade dos eletrodos
acontece a cada 15 a 20 minutos, evitando a constante necessidade de dosagem de
ácidos e neutralizadores nos canais de alimentação e de rejeito impedindo a
formação de incrustações proporcionadas pela precipitação dos sais insolúveis,
foram comercializadas.
Com a reversão da polaridade são acionadas, simultaneamente, válvulas
para o redirecionamento do fluxo de água nos canais, pois após a reversão da
polaridade, os canais de água tratada se tornam canais de concentrado e viceversa.
Todos os sistemas de grande porte de eletrodiálise utilizados com fins de
engenharia de saúde pública são de eletrodiálise reversa. Como exemplo temos as
ETA´s de Sarasota e Carlton, ambas nos EUA, com capacidade de 45.200 m³/dia.
54
Lindemamn (2004) informa que uma Central de osmose reversa (OR) está
sendo implementada na Arábia Saudita com a capacidade de produção de 1.000
m³/dia, que demandará um sistema de produção de energia de 750 kW e para este
suprimento será implantado um sistema de energia eólica. Sistemas menores de
osmose reversa (OR) com energia solar, através de células fotovoltaicas, estão em
funcionamento com capacidade de produção de 0,8 a 3 m³/dia e potência instalada
de 4,8 kW.
O USDOI (2001), Departamento do Interior dos Estados Unidos, cita as
seguintes vantagens e desvantagens das alternativas, Alumina Ativada (AA) e
Osmose Reversa (OR):
Alumina Ativada: Vantagens: apropriada para remoção de alguns tipos de
algas, produtos químicos orgânicos, pesticidas e THM´s (Trihalometanos).
Alumina Ativada: Desvantagens: pode haver desenvolvimento de bactéria
no leito de contato; o fluxo da água bruta no leito de contato tem que ser
rigorosamente controlado; necessidade de rigoroso controle em todos os aspectos;
o projeto é considerado delicado.
Osmose Reversa: Vantagens: produz água pura, alta eficiência, o processo
está evoluindo para baixas pressões (menor que 100 psi) significando menor
consumo de energia, unidades que ocupam pouco espaço; existência de
membranas para pequenas instalações.
Osmose
Reversa:
Desvantagens:
instalação
e
operação
caras,
monitoramento freqüente das condições da membrana.
O custo de implantação da estação de Osmose Reversa, com capacidade de
cerca de 600.000 galões por dia (2.220 m³/dia), com água bruta de 1.000, 2.500 e
5.000 ppm de Sólidos Totais Dissolvidos/STD é US$650.000, US$800.000, e
US$1.050.000, respectivamente.
55
O custo anual de operação de manutenção de uma estação de OR, nas
mesmas condições anteriores, é de US$400.000, US$450.000 e US$500.000
respectivamente.
3 - METODOLOGIA
3.1- Escolha do Método de Análise Hierárquica (MAH)
O Método de Análise Hierárquica (MAH) é uma ferramenta, que tem
ajudado diversas organizações na tomada de decisões ao redor do mundo.
Thomas L. Saaty (atualmente na Katz Graduate School of Bussines da
Universidade de Pittsburg, EUA), o aplicou, nos anos 70 (quando era professor
na Wharton School of Bussinesss da Universidade da Pennsylvania) em
consultoria de decisões em dezenas de corporações e agências, tais como o
Departamento de Estado Norte-americano, Xerox, Boeing, Merck, General
Eletric, Conoco Oil, e os governos do Canadá, África do Sul, Cingapura,
Indonésia, China, Irã, Argentina, Egito e Kuwait.
A grande aceitação desse método fez com que fosse desenvolvido, em
1983, o software Expert Choice (EC), que a partir de 1990, se transformou numa
organização e estabeleceu uma aliança estratégica e acordo de licença com o
grupo Gartner, que é um dos maiores centros de pesquisas em tecnologia da
informação (TI) do mundo.
Hoje, o EC é usado para alocar mais de US$ 30 bilhões ao ano em
organizações governamentais e comerciais ao redor do mundo.
Essas citações e o fato desse método estar sendo muito praticado em
estudos para a solução de problemas em engenharia de produção e de engenharia
ambiental justificam sua escolha neste estudo.
As organizações necessitam de integração da informação para a tomada de
decisão, especialmente em contextos onde existe uma diversidade de profissionais
atuando em conjunto (Oliveira e Freitas, 2003).
Os gestores públicos, tomadores de decisão, necessitam de mensurações
adequadas para dar suporte aos processos decisórios (Euren, 1998 apud Oliveira e
Freitas, 2003).
Para Medronho et al. (2003), a melhor síntese possível é essencial para a
tomada de decisão.
56
O Método de Análise Hierárquica (MAH) exige uma estruturação do
problema em vários níveis. O nível do OBJETIVO ou META do problema, deste
estudo, é a REMOÇÃO PARCIAL DO ÍON FLURETO; o nível imediatamente
inferior é o nível dos CRITÉRIOS, sendo o terceiro nível o das
ALTERNATIVAS, conforme está apresentado mais adiante no item 3.3, pág 71.
Neste estudo, a aplicação do MAH foi efetuada de acordo com o Apêndice
A, pág. 112. Os julgamentos foram registrados e quantificados em pares, como
elementos numéricos da matriz, seguindo a Escala de Importância ou de
Influência proposta por Saaty no Quadro 1, pág. 66.
a) Método de Análise Hierárquica
Segundo Thomas L. Saaty (1991), quando se pensa, identificam-se
necessidades, metas, objetos; concatenam-se as idéias, suas semelhanças e suas
diferenças. Quando se identifica um objeto, está decompondo-se sua
complexidade; quando se definem semelhanças e diferenças, está sintetizando-se.
Esse é o processo fundamental da percepção: decomposição e síntese, que é o
fundamento do método AHP desenvolvido pelo Prof. Saaty.
Suponha-se que “n” variáveis estejam sendo consideradas por um
pesquisador que tenha por objetivos:
1. Desenvolver um julgamento sobre a importância relativa dessas variáveis;
2. Assegurar que os julgamentos sejam quantificados de modo que permitam uma
interpretação quantitativa dos julgamentos entre todas as variáveis. Este objetivo
depende de um bom conhecimento técnico.
O objetivo é descrever um método de derivação a partir dos julgamentos
quantificados pelo pesquisador, isto é, a partir dos valores relativos associados aos
pares de variáveis, um conjunto de pesos é associado a variáveis individuais, do
modo definido a seguir. Esses pesos refletem os julgamentos quantificados do
pesquisador. Essa abordagem pretende tornar a informação resultante utilizável,
sem omitir as informações contidas nos julgamentos qualitativos.
O conjunto de variáveis, denominadas de critérios, é C1, C2,... Cn. Os
julgamentos quantificados dos pares de critérios Ci, Cj são representados por uma
matriz A, n-por-n, ou seja,
57
A = (aij), (i, j = 1, 2, 3,..., n), onde os elementos aij são definidos pelas seguintes
regras:
Regra 1: Se aij =
, então aji = 1 /
,
0;
Regra 2: Se Ci é julgado como de igual importância relativa a Cj, então aij = aji =1;
e, em particular, aij = 1, para todo i = j.
Assim a matriz A terá a seguinte forma:
A=
 1
 1

 a12
 .
 1
a
 1n
a12
1
.
1
a 2n
... a1n 

... a 2 n 

... . 
... 1 

Sendo os julgamentos registrados e quantificados em pares (Ci, Cj), como
elementos numéricos “aij” na matriz A, o problema agora é designar para “n”
valores C1, C2,..., Cn, um conjunto de pesos numéricos w1, w2,..., wn, que refletem
os julgamentos registrados.
Para tanto, o problema formulado deve ser transformado num problema
matemático.
Esta etapa essencial é a mais trabalhosa em qualquer problema que
requeira a representação de uma situação real em termos de uma estrutura
matemática abstrata. É particularmente complicada no problema deste estudo,
onde a representação envolve um número de transições que não são
imediatamente discerníveis.
Desta forma, parece desejável ao problema deste estudo identificar as
etapas maiores no processo de representação, e tornar cada uma dessas etapas, o
mais explícito possível, a fim de capacitar o interessado potencial a formar o seu
próprio julgamento sobre o significado e o valor do método em relação ao seu
problema ou ao seu objetivo.
A questão maior está ligada ao significado de uma condição formulada
superficialmente na descrição dos objetivos, dos critérios e das alternativas. “O
conjunto de pesos deve refletir os julgamentos quantificados do pesquisador”.
58
Isso impõe a necessidade de descrever, de forma detalhada, como os pesos
“w” devem relacionar-se com os julgamentos paritários, “(Ci, Cj)”, ou “aij” através
de termos aritméticos precisos.
Em outras palavras, trata-se do problema de especificar corretamente as
condições que se deseja impor aos pesos que se procura para definir seus valores
em relação aos julgamentos obtidos.
A descrição desejada deve ser desenvolvida em 3 etapas, partindo-se do
caso especial mais simples para o mais amplo.
Etapa 1:
Supõe-se primeiro que os “julgamentos” sejam meramente o resultado de
medidas físicas precisas. O pesquisador receberá um conjunto de objetos C1, C2,
C3,..., Cn e uma balança de precisão. Para comparar C1 com C2 ele colocará C1
em uma balança e lerá seu peso, por exemplo, w1 = 305 gramas. Então, pesará C2
e encontrará w2 = 244 gramas.
Dividindo, w1, por w2, encontrará 1,25. Seu julgamento terá como
conclusão que C1 é 1,25 vez mais pesado que C2, registrando-o como a12 = 1,25.
Assim, neste caso ideal de medida exata, as relações entre os pesos w1 e
os julgamentos aij são simplesmente dadas por:
wi / wj = aij (para i, j = 1,2, ..., n)
(1-1)
E a matriz A fica assim:
 w1
w
 1
 w2
A =  w1
 ...
w
 n
 w1
w1
w2
w2
w2
...
wn
w2
w1 
wn 

w2 
...
wn 
... ... 
wn 
...

wn 
...
Entretanto, é irreal querer que estas relações signifiquem o caso geral.
Imposições destas relações restritas tornaria insolúvel, na maioria dos casos
práticos, o problema de encontrar “wi” (quando “aij” e “wj” são dados), uma vez
que mesmo medidas físicas nunca são exatas em seu sentido matemático, daí a
necessidade de uma tolerância para desvios; e, ainda, porque em julgamentos
humanos, estes desvios são considerados maiores.
59
Etapa 2:
Para permitir margem de desvios deve-se considerar a linha de ordem “i”
da matriz A.
Os elementos naquela linha são: ai1, ai2, ... , aij, ... ain.
No caso ideal (exato) esses valores são os mesmos das razões:
wi wi
w
w
,
,... i ,... i
w1 w2
wi
wn
Então, no caso ideal, se multiplicar o primeiro elemento daquela linha por “wi”, o
segundo elemento por “w2”, e assim sucessivamente, obter-se-á:
wi
w
w
w
w1 = wi = i w2 = wi ,... i w j = wi ,... i wn = wi
w1
w2
wj
wn
O resultado é uma linha de elementos idênticos,
wi , wi ,...wi
onde, de um modo geral, obter-se-á uma linha de elementos que representaria o
espelhamento estatístico dos valores em torno de “ wi ”. Parece, então, válido
esperar que “ wi ” seja igual à média desses valores. Conseqüentemente, em vez
das relações do caso ideal, wi = a ij w j (i, j = 1,2,..., n) , as relações mais realísticas
para o caso geral assumem a seguinte fórmula, para cada “i” definido:
wi = média de ( a i1 w1 , a i 2 ,...a in wn )
Mais explicitamente:
wi =
1 n
∑ aij w j , onde i = 1, 2,..., n.
n j =1
(1-2)
Embora as relações em (1-2) representem uma flexibilidade substancial
das relações mais restritas em (1-1), ainda permanece a questão: é essa
flexibilidade suficiente para assegurar a existência de soluções? Ou seja, pode-se
assegurar que o problema de encontrar pesos únicos “ wi ” , quando os valores de
“ a ij ” e “wj” são dados, possui solução?
60
Etapa 3:
Procurando-se a resposta para a questão essencialmente matemática
descrita acima, é necessário expressar a equação (1-2) numa outra forma ainda
mais simples. Para tal, é preciso sintetizar a linha de raciocínio que se
desenvolveu até aqui. Ao se procurar um conjunto de condições para os pesos
“ w ” relacionarem-se com os
julgamentos quantificados, considerar-se-á
primeiramente o caso ideal (exato) descrito na Etapa 1 e que gerou a equação (11).
Depois, conclui-se que uma situação real requereria flexibilidade para
desvios dos valores teóricos ideais (exatos), providenciando-se a flexibilidade
para tais desvios na Etapa 2, o que levou à formulação da equação (1-2).
Entretanto, verifica-se que esta condição ainda não é suficientemente realista, isto
é, que atenda ao caso ideal, ou seja, a equação (1-2) ainda, é restrita para assegurar
a existência de um peso “ w ” que venha satisfazê-la. Nota-se que, para estimativas
aceitáveis, “ a ij ” deve ter a tendência de ficar próximo de
wi
e, assim, causar
wj
uma perturbação pequena nesta razão. À medida que o elemento “ a ij ” é
modificado, percebe-se que há uma solução correspondente de (1-2), isto é, “ wi ”e
“ w j ” podem ser modificados para acomodar esta variação em “ a ij ”, partindo-se
do caso ideal, se “ n ” também sofrer modificações. Representa-se esse valor de
“ n ” como “ λ máx ”. Assim, a equação (1-2) se transforma em,
wi =
1
λ máx
n
∑a
ij
w j , i = 1, 2,..., n
(1-3)
j =n
com solução que também será única. Esse é o tão conhecido problema de
autovalor. Em geral, desvios em “ a ij ” podem levar a grandes desvios tanto em
“ λ máx ” como em “ wi ”, para i = 1,2,..., n. Entretanto, este não é o caso para uma
matriz recíproca que satisfaça às regras 1 e 2. Porém, neste caso, a solução é
estável.
a.1) Relação de Consistência: Prioridade como Autovetor
Considere-se os critérios C1 , C 2 , C 3 ,..., C n de algum nível de hierarquia.
61
Quer-se encontrar seus pesos de influência, w1 , w2 , w3 ,..., wn , sobre algum
elemento no próximo nível. A ferramenta básica é a matriz de números,
representando o julgamento de comparações paritárias. Pode-se mostrar por que o
autovetor com o maior autovalor é o escolhido para definir o melhor critério ou
critério prioritário.
Denomina-se a ij o número que indica a importância de C i quando
comparado com C j . A matriz desses números é chamada A, onde A = (a ij ).
Como observado, anteriormente, se aij =
1
, então,
a ji
a matriz A é
recíproca. Se o julgamento for perfeito em todas as comparações, tem-se
a ik = a ij × a jk para qualquer i, j, k , sendo denominada matriz de consistência.
Um caso claro de matriz de consistência é aquele no qual as comparações
são baseadas em medidas exatas, ou seja, os pesos w1 , w2 , w3 ,..., wn já são
conhecidos.
Então:
aij =
wi
,
wj
i, j = 1,2,3,...,n
(2-1)
e, ainda,
a ij × a jk =
wi w j wi
×
=
= a ik
w j wk wk
Também: a ji =
wj
wi
=
1
1
=
.
wi / w j a ij
Analisando este caso com mais detalhes:
A equação da matriz A × x = y , onde x = ( x1 ,..., x n ) e, y = ( y1 ,..., y n ) é
n
uma notação abreviada para o conjunto de equações,
∑a
ij
xi = yi , i,j, = 1,2,..., n.
j =1
62
Agora, observa-se que partindo da equação (2-1), obtém-se: aij .
n
para i,j, = 1,2,..., n e, conseqüentemente,
∑a
j =1
ij
wj
wj
wi
= 1,
1
= n , i = 1,2,...n; ou
wi
n
∑a
ij
w j = nwi , i = 1,...n; o que é equivalente a Aw = nw
(2-2)
j =1
Em teoria matricial, esta fórmula expressa o fato de que w é um autovetor
de A, com autovalor “n”. Quando escrita em sua forma total esta equação fica:
C1
C1
C2
...
Cn
 w1
w
 1
 w2
 w1
 ...
w
 n
 w1
C2
w1
w
w2
w2
...
wn
w2
...
Cn
w1 
wn 

w2 
...
wn 
... ... 
wn 

...
wn 
...
 w1 
w 
2
.  
 ... 
 
 w 
 w1 
w 
= n  2
 ... 
 
 wn 
Em um caso prático, os elementos “ a ij ” são valores baseados não em
medidas exatas, mas em julgamentos subjetivos. Então, os valores dos elementos
“ a ij ” irão desviar-se das razões ideais
wi
e, portanto, a equação (2-2) não mais
wj
será válida. Logo, deve-se levar em consideração dois axiomas da teoria matricial
para o entendimento da questão.
Axioma 1: Se λ1 , λ 2 , λ 3 ,..., λ n são números que satisfazem a equação:
Ax = λx , ou seja, são autovalores da Matriz A, e se, a ij = 1, para todo i, então:
n
∑λ
i
= ni .
i =1
63
Portanto, se (2-2) é válida, então, todos os autovalores são zero, exceto
um, que é “n”. Claramente, então, no caso consistente, “n” será o maior autovalor
da Matriz A.
Axioma 2: A variação dos elementos a ij de uma matriz recíproca positiva
de outra, por pequenos valores, os autovalores também variarão em pequenas
quantidades.
Desta forma, combinando-se estes princípios, encontra-se que, se a
diagonal da matriz A é constituída de elementos iguais a 1, ou seja, de elementos
a ij = a ji = 1 , e se a ela consistente, pequenas variações de “ a ij ” manterão o maior
autovalor “ λ máx ”, próximo de “n”, e os autovalores restantes próximos de zero.
Logo, se A for a matriz de valores comparados paritariamente, a fim de
encontrar o vetor prioridade, deve-se encontrar um vetor “w” que satisfaça a
equação: Aw = λ máx × w . Como é desejável ter uma solução normalizada, altera-se
“ w ” um pouco, fazendo:
n
1
i =1
α
α = ∑ wi = 1 e, substituindo-se “ w ” por
× w assegura-se uma solução única
e também que:
n
∑w
i
=1
i =1
Observa-se que, pequenas variações em a ij implicam uma pequena
variação em λ máx . O desvio deste último a partir de “n” é uma medida de
consistência. Isso permite avaliar a proximidade da escala já desenvolvida e de
uma escala de razões que se quer estimar.
Então, a relação
λ máx − n
n −1
é
= IC
(2-3),
denominada Índice de Consistência ou indicador de proximidade da
consistência.
64
Em geral, se esse número for menor que 0,1 pode-se ficar satisfeito com o
julgamento.
A seguir, calcula-se a Razão de Consistência (RC) obtida pela divisão
IC
, (2 – 4), onde o Índice de Consistência Randômica (ICR) foi pesquisado no
ICR
Laboratório Nacional de Oak Ridge conforme a Tabela 7:
Tabela 7: Índice de Consistência Randômico
n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
ICR
0
0
0,58
0,90
1,12
1,24
1,32
1,41
1,45
Fonte: Saaty, 1991.
a2) Racionalidade do número 9 como limite superior.
Existem várias razões para se estabelecer um limite superior de escala.
(1) As distinções qualitativas são significativas na prática e têm uma
característica de precisão, quando os itens comparados apresentam a mesma
magnitude ou estão próximos com relação à propriedade usada para fazer a
comparação.
(2) Nota-se que a habilidade do ser humano para fazer distinções
qualitativas é bem representada por 5 atributos: igual, fraco, forte, muito forte e
absoluto. Pode-se estabelecer compromissos entre atributos adjacentes quando
uma precisão maior for necessária.
(3) Com a finalidade de reforçar a razão (2), um método prático
freqüentemente usado para avaliar itens tem sido a classificação de estímulos em
uma tricotomia de sentimentos: rejeição, indiferença, aceitação. Para melhorar
esta classificação, cada um desses, ainda poderá ser dividido na tricotomia: baixo,
médio e alto. Yoram Wind, apud Saaty (1991), ressaltou que estudos de marketing
65
conduzidos por Paul Green, mostraram que não são necessários mais do que 7
pontos numa escala para uma distinção entre estímulos.
(4) Limite psicológico de 7 ± 2: em uma comparação simultânea sugere-se
uma escala com 7 ± 2 itens satisfazendo a descrição sob a razão (1). Então, se os
objetos diferirem entre si levemente, precisar-se-á, no máximo, de 9 itens para
distinguir essas diferenças. Miller (1956) apud Triantaphyllou (1995), citam que
experimentos no campo da Psicologia têm mostrado que os seres humanos não
conseguem simultaneamente comparar mais que 7 itens (mais ou menos 2), sendo
esta a principal razão de Saaty ao definir o máximo de 9 itens na escala que
idealizou e apresentada no Quadro 1.
Quadro 1: Escala de Importância proposta por Saaty.
Intensidade de
Importância
1
3
5
7
9
2, 4, 6, 8
Recíprocos dos
valores ou
intensidades acima
de zero
Racionais
Definição
Explicação
Igual importância
As duas variáveis ou critérios ou
alternativas contribuem igualmente para o
objetivo
Importância fraca de A experiência e o julgamento favorecem
uma variável sobre a uma variável ou um critério ou uma
outra
alternativa, fracamente em relação à outra
Importância
essencial
forte
ou A experiência e o julgamento favorecem
uma variável fortemente em relação à
outra
Importância muito forte Uma variável é muito fortemente
favorecida em relação a outra e pode ser
demonstrada na prática
Importância absoluta
A evidência favorece uma variável em
relação à Outra com o mais alto grau de
certeza ou absolutamente.
Valores ou intensidades
intermediárias
entre
valores ou intensidades
adjacentes
Se a variável i recebe
uma intensidade em
comparação com j,
então
j,
tem
a
intensidade recíproca,
quando comparada com
i.
Razões resultantes da
escala
Quando se procura uma condição de
compromisso entre duas definições ou
entre duas valorizações ou intensidades.
Uma designação razoável
Se a consistência tiver de ser forçada para
obter valores numéricos n, para completar
a matriz.
Fonte: Saaty, 1991
66
3.2 – Escolha dos Critérios
Os 4 (quatro) CRITÉRIOS escolhidos para análise e considerados no
desenvolvimento deste estudo estão relacionados a seguir, e se encontram com a
descrição de suas principais características para permitir uma melhor compreensão
da complexidade do problema, cuja sugestão de solução, por meio de um
ranqueamento final, terá como primeiro passo uma comparação entre si e como
segundo passo uma comparação das 3(três) alternativas com cada critério.
Critério 1 – CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DA ÁGUA
BRUTA e a QUANTIDADADE DE ÁGUA A SER TRATADA - [AB(Q)]:
Todos os projetos devem ser precedidos de uma análise completa da água
bruta ou de alimentação da unidade de tratamento.
Os parâmetros que devem ser analisados são os seguintes: temperatura;
pH; condutividade elétrica; concentração de ânions e cátions; outros íons tais
como metais pesados; poluentes orgânicos voláteis ou não, de baixo peso
molecular (organoclorados, hidrocarbonetos, pesticidas); cheiro; cor; gases;
sólidos dissolvidos totais; colóides; turbidez; alcalinidade total, alcalinidade de
carbonatos, dureza total; parâmetros de fouling (colmatação): SDI (Silte Density
Index), MFI (Membrane Fouling Index); demanda bioquímica de oxigênio,
demanda química de oxigênio, carbono orgânico total e carbono orgânico solúvel
(Schneider e Tisutiya, 2001).
A concentração máxima de flúor observada, na revisão da literatura foi de
20 mg/l (Charbel, 1990). Porém predominaram nos estudos teores de 2 a 10 mg/l.
Dentre os parâmetros de qualidade da água bruta predominaram o controle em
torno de 11 (onze) parâmetros: temperatura, pH, alcalinidade total, carbonato,
bicarbonato, dureza total, cálcio, magnésio, cloreto, sulfato e nitrato.
A quantidade de água produzida expressa em m³/dia, reflete a definição do
porte da unidade de tratamento (desfluoretação parcial) referente à demanda
definida no horizonte de projeto e na identificação das empresas especializadas na
fabricação de insumos e de equipamentos.
Para os casos da aplicação de osmose reversa (OR) as menores unidades
disponíveis no mercado deverão ser consideradas, assim como a vida útil das
membranas, específicas e previamente dimensionadas. Para os casos da utilização
67
do carvão de osso (CO) e alumina ativada (AA) são consideradas a vida útil do
meio filtrante e dificuldades de aquisição.
As maiores vazões observadas em estações para a remoção dos íons
fluoreto, em excesso, foram estações de desfluoretação parcial de 400 galões por
minuto, cerca de 1.468 litros por minuto em Cordero (1972), e em NEERI (2003).
Produções em grande escala, não especificamente, para a desfluoretação,
mas para a dessalinização de água salobra e água do mar, foram observadas em
Schneider e Tsutya (2001) e Wright (2004).
No caso de águas subterrâneas provenientes de poços profundos, objeto
deste estudo, pode não ser necessário a análise de todos os parâmetros acima
recomendados, pois elas diferenciam muito das águas de superfície, não estando,
por exemplo, sujeitas a grandes variações na turbidez e à presença de poluentes
orgânicos, sendo bioestáveis, apresentando um grau de pureza que permite a sua
distribuição imediata, se não apresentasse excesso de íons fluoreto acima da
legislação em vigor.
Critério 2 – CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DA ÁGUA
TRATADA COM ÊNFASE NA CONCENTRAÇÃO ÓTIMA FINAL
DESEJADA DOS ÍONS FLUORETO - [(AT)]:
Em geral, as águas subterrâneas captadas através de poços tubulares
profundos têm qualidade superior às águas de superfície. Neste estudo,
considerou-se a necessidade de remoção parcial do íon fluoreto em regiões com
anomalia hidroquímica geogênica, que coloca em risco a saúde dos moradores
naquelas regiões, impondo a necessidade da desfluoretação parcial.
A concentração ótima final desejada deve seguir a legislação específica,
adequada para cada região, de acordo com a média da temperatura máxima local
observada no período mínimo de um ano, obedecendo sempre ao Valor Máximo
Permitido (VMP) recomendado na Portaria nº 518 do Ministério da Saúde.
O Serviço Americano de Saúde Pública (USPHS) recomenda a
concentração ótima final de íon fluoreto para a água de consumo humano de
acordo com a Tabela 8. O Brasil segue esta recomendação por meio da Portaria nº
635/75 do Ministério da Saúde, que regulamenta a Lei nº 6050/74.
68
Tabela 8: Limites recomendados para a concentração ótima final de fluoreto
Temperatura média
Limites para fluoreto (mg/l)
( oC )
Inferior
Ótimo
Superior
10,0 – 12,1
0,9
1,2
1,7
12,2 – 14,6
0,8
1,1
1,5
14,7 - 17,7
0,8
1,0
1,3
17,8 – 21,4
0,7
0,9
1,2
21,5 – 26,2
0,7
0,8
1,0
26,3 – 32,5
0,6
0,7
0,8
Fonte: Brasil, Portaria no 635/75.
O teor final de íons fluoreto, dentre outros parâmetros, é função dos
seguintes fatores:
- no caso da alternativa de carvão de osso (CO) e alumina ativada (AA): do tempo
de contato da água bruta com o leito adsorvente; da granulometria do leito; dos
íons competitivos presentes na água bruta; da temperatura e do pH da água bruta.
- no caso da alternativa de osmose reversa (OR): o tipo de membrana será
definido em função das características da água bruta. Nesse caso, fenômenos
físicos prevalecem sobre os químicos, tendo em vista as condições operacionais
do processo, principalmente a alta pressão de operação.
Critério 3 – CUSTO IMPLANTAÇÃO (CI):
Inclui a aquisição do terreno, investimento em obras, instalações, compra e
armazenamento dos materiais de consumo e aquisição dos equipamentos com
entrega no local.
O Instituto Nacional de Pesquisa em Engenharia Ambiental, de Nagpur,
Índia, NEERI (2003), apresenta no Quadro 2, os custos de implantação, onde
considera as obras civis, instalações e insumos, necessários a uma estação de
desfluoretação parcial com alumina ativada específica (AC Grade 80; tamanho
69
esférico: 2 - 3 mm; área superficial: 250 m2/g, peso específico: 0,80 - 0,85 kg/l;
porosidade: 0,3 - 0,4 cm3/g) sendo a concentração máxima de íons fluoreto (F-) na
água bruta de 5,4 mg/l, a alcalinidade igual a 400mg/l de CaCO3 e o pH 7,6 a
8,5.
Quadro 2: Custos de implantação de estações de desfluoretação parcial à base de
alumina ativada (Ano Base: 1991).
Capacidade
(m³/dia)
10
20
40
Total (Rúpia
Indiana)
579400
618350
650910
Total(USD)
Total (R$)
12.393,36
13,226,50
13,922,96
28.380,80
30.288,68
31.883,58
Fonte: NEERI, 2003.Obs.: (a) 1 INR = 0,02139 USD; (b) 1 USD = 2,8 R$
Critério 4 - CUSTO DE PRODUÇÃO E DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO
- [C(P) (OM)]:
Incluem as despesas com mão de obra, peças de reposição, depreciação;
monitoramento e avaliação; vida útil e regeneração do leito de adsorção; vida útil
da membrana; custo de produção expresso pela razão R$/m³ da água produzida e
consumo de energia elétrica expresso em R$/kWh. Deve-se também considerar as
despesas com empresas especializadas que prestam assistência técnica e
capacitação dos operadores da unidade de tratamento.
O Instituto Nacional de Pesquisa em Engenharia Ambiental, de Nagpur,
Índia, NEERI (2003), apresenta no Quadro 3 os custos de produção e de operação
e manutenção, onde considera a depreciação, o consumo de produtos químicos, a
despesa com pessoal e consumo de energia elétrica necessários a uma estação de
desfluoretação parcial com alumina ativada específica (AC Grade 80; Tamanho
esférico: 2 - 3 mm; área superficial: 250 m2/g, peso específico: 0,80 - 0,85 kg/l;
Porosidade: 0,3 - 0,4 cm3/g) sendo a concentração máxima de íons fluoreto (F-) na
água bruta de 5,4 mg/l, a alcalinidade igual a 400 mg/l de CaCO3 e o pH 7,6 a
8,5.
70
Quadro 3: Custos de produção e de operação e manutenção de estações de várias
capacidades de desfluoretação parcial à base de alumina ativada (Ano Base:
1991).
Capacidade
(m³/dia)
10
20
40
Total(Rúpia
Indiana/m³)
53,20
30,34
18,11
Total (USD/m³)
Total (R$/m³)
1,14
0,65
0,39
3,19
1,82
1,09
Fonte: NEERI, 2003.- Obs. (a) 1 INR = 0,02139 USD; (b) 1 USD = 2,8 R$.
Outras comparações de custos podem ser observadas em Cordero (1972),
Schneider e Tsutiya (2001), em Wright (2204), que descreve as necessidades de
manutenção e de operação de uma estação de 28 milhões de galões por dia (cerca
de 105.980 m³/dia) na cidade de Tampa Bay, Flórida, nos Estados Unidos e
USDOI (2001), já citadas anteriormente na revisão bibliográfica.
3.3- Escolha das Alternativas
A solução para o problema apresentado neste estudo, isto é, a pequena
comunidade não ter outra alternativa, a não ser utilizar o manancial subterrâneo
com água fora dos padrões exigidos para o consumo humano, no que diz respeito
ao alto teor de íons fluoreto, é um desafio e, dos vários processos observados na
literatura, verificou-se-se que, a maioria deles, foram experimentados apenas em
escala de laboratório, poucos foram experimentados em planta piloto, outros
praticados em comunidades de pequeno porte apenas no nível intradomiciliar e,
quando de forma coletiva, a produção visava somente o suprimento de água para
beber e para a preparação dos alimentos.
Observou-se, na revisão da literatura, a utilização de uma grande variação
de materiais ou compostos químicos, cada um caracterizando um processo
(alternativa/técnica), principalmente devido às condições peculiares de cada
situação e muitas vezes não se referia à água subterrânea. Entretanto, todos
refletiam aspectos técnicos e econômicos.
Desta forma, justifica-se a seleção das seguintes alternativas, para o
desenvolvimento do modelo de decisão: carvão de osso (CO), alumina ativada
(AA), osmose reversa (OR).As duas primeiras foram escolhidas por terem sido as
71
mais utilizadas conforme a revisão bibliográfica e, por serem praticadas no nível
domiciliar e no nível coletivo. A osmose reversa (OR), por ser uma tecnologia
nova, de aplicação relativamente recente, com custos em freqüente redução,
devido às descobertas de novas tecnologias, e por ser muito
aplicada em
suprimento de água de beber em pequenas comunidades no Brasil, quando há
necessidade de dessalinização de água salobra.
Atualmente, ainda é bastante onerosa, quando aplicada no nível
intradomiciliar, porém tem seus custos decrescentes à medida que se aumenta a
quantidade de água a ser produzida, água essa de alta qualidade, pois pode reter
outros materiais indesejáveis quando presentes na água, tais como arsênio e
microorganismos patogênicos.
Das alternativas de desfluoretação, pesquisadas na revisão bibliográfica,
foram selecionadas 3 (três): carvão de osso (CO), alumina ativada (AA) e osmose
reversa (OR), por serem as mais significativas para a realidade brasileira e, ainda,
serem as mais citadas, testadas e aplicadas no País e no Exterior, com exceção as
membranas de osmose reversa, das quais não foi obtida nenhuma referência, no
Brasil, de seu uso para a remoção exclusiva de fluoretos em escala industrial.
Em síntese, a justificativa para a escolha destas 3 (três) alternativas levou,
também, em consideração, além dos aspectos citados, os seguintes fatores:
(i) disponibilidade de materiais, equipamentos e assistência técnica,
(ii) vida útil dos equipamentos (osmose reversa), da membrana sintética que é
função da pressão de operação, do fluxo de alimentação, do pH, da concentração
inicial de íons fluoreto e outros íons, das características operacionais (área útil,
temperatura máxima, pH de operação, pH de limpeza, pressão máxima de
operação, rejeição a sílica, rejeição aos sólidos totais dissolvidos, fluxo do
permeado, hidrólise, etc) e dos materiais adsorventes / trocadores ou leitos de
contato, que são função de porosidade, densidade, granulometria, tempo de
retenção, dimensão das células, disposição do leito, expansão dos leitos nos
ciclos, empacotamento da alumina, regeneração, etc),
(iii) recursos humanos necessários na operação e manutenção,
(iv) quantidade de rejeitos produzidos,
(v) cuidados com o manejo de substâncias tóxicas envolvidas no processo,
72
(vi) participação do consumidor.
4 – ANÁLISE DAS ALTERNATIVAS SELECIONADAS.
4.1 - Carvão de osso (CO)
Segundo Susheela (1992), esta técnica foi desenvolvida pela primeira vez,
na Índia, pelo Centro Inter-Regional de Saúde Bucal (ICOH), da Faculdade de
Odontologia/Universidade de Chulalongkoran, Bangkok num trabalho conjunto
com a Organização Mundial de Saúde (WHO). É um método baseado no princípio
da adsorção através do carvão de osso.
A coluna de desfluoretação (comprimento de 75 cm e diâmetro de 9 cm)
tem uma torneira na parte inferior e uma tampa com um pequeno orifício para
entrada de água bruta na parte superior. A coluna é preenchida com 300 g de
carvão vegetal triturado, formando uma camada no fundo para absorção da cor e
do cheiro. Sobre esta camada, é colocada uma camada de 1.000 g de carvão de
osso.
Ainda sobre a camada de carvão de osso prepara-se uma terceira camada
com 200g de seixos para se prevenir contra a flutuação de algum carvão de osso,
cuja granulometria deve ser de 40 a 60 mesh (0,35 a 0,25 mm), após a calcinação
a uma temperatura aproximada de 600º C, durante 20 minutos. Todo este conjunto
constitui o desfluoretador. A água bruta deve ser nela introduzida por gravidade,
por meio de um reservatório apropriado na vazão de 4 l/h. A água desfluoretada,
ou, a água com a concentração do íon fluoreto desejada (concentração ótima final)
é coletada em um recipiente apropriado a partir da torneira instalada no fundo da
coluna do desfluoretador.
O leito de contato (coluna de carvão de osso), de acordo com os autores do
projeto, perde a ação após um a três meses, dependendo dos níveis de
concentração de íon fluoreto na água bruta e da quantidade consumida de água
tratada, devendo ser substituído.
Neste processo, 15 a 20 litros de água devem ser inicialmente passados
através da coluna (desfluoretador) e serem descartados.
No final do processo a água não tem odor, nem cor impeditivos ao
consumo humano.
73
A dúvida que surge neste contexto é, se há o descarte de 15 a 20 litros de
água toda vez para percolar a coluna e eliminar o odor indesejável da água, valerá
a pena usar o carvão de osso?
Esta técnica está implantada em algumas vilas em Nalgonda, Índia,
patrocinada pela Organização Mundial da Saúde.
Inicialmente, há uma repulsão ao uso desta água tratada com carvão de
osso. Uma aceitação mais fácil desta água acontece pela população consumidora
vegetariana.
Como o procedimento para a redução de fluoretos da água é um processo
simples e barato, e como a operação e manutenção não apresentam problema,
talvez uma parte da população poderá aceitar esta água sem hesitação.
Neste caso, esta tecnologia poderá ser difundida em áreas específicas, para
atendimento a pequenas comunidades, mas ela demonstra dúvidas quanto à sua
aceitação de forma generalizada.
A Fundação SESP, atual Fundação Nacional de Saúde (FUNASA)
desenvolveu pesquisa com farinha de osso calcinado, no distrito de Rafael Arruda,
no município de Sobral no Estado do Ceará. Entretanto, esta pesquisa não foi
divulgada (Lima, 1990) e, ainda, vivenciou um problema em Cocal do Sul, no
Estado de Santa Catarina, no final dos anos 80, onde o poço foi abandonado e um
manancial de superfície foi providenciado.
Lima (1990), desenvolveu pesquisa em Rafael Arruda, no Estado do
Ceará, utilizando carvão de osso para a remoção de fluoreto em água bruta com
concentração de 2,5 mg/l. A estação de desfluoretação experimental tinha a
capacidade 75 l/h, e concluiu que somente nas primeiras 92 horas de
funcionamento do leito de contato apresentava bom desempenho e que, o custo do
carvão de osso, aliado às dificuldades de adquirí-lo, eram fatores extremamente
limitantes a uma possível implantação em escala real.
4.2 - Alumina ativada (AA).
Vários pesquisadores (Boruff, 1934; Swope e Hess, 1937) mostraram que
a alumina ativada possui uma capacidade efetiva de remoção do íon fluoreto,
através de demonstrações em pequenas escala. Várias patentes (Adler et al., 1938;
74
Maier, 1950/1951) enfocam processos de remoção desse íon, empregando óxido
de alumínio.
A utilização de alumina ativada para a desfluoretação parcial da água
visando o consumo humano, em escala suficiente para suprimento coletivo
ocorreu em Bartlett, Texas, Estados Unidos da América do Norte, através da
implantação de uma Estação de Tratamento de Água/ETA, que operou
continuamente de 1952 a 1977. A capacidade de troca desta ETA era de 1.560 g
de fluoretos por m³ de alumina ativada, quando a água apresentava um teor de 8
mg/l de F- e essa capacidade era reduzida para 920 g de fluoreto por m³ de
alumina ativada quando a água bruta apresentava um teor de 3 mg/l fluoreto
(Maier, 1961).
Outras ETA´s operando em escala para suprimento coletivo de
comunidades são: Desert Center, Califórnia; Rancho X-9, próximo a Tucson,
Arizona. Uma ETA em Gila Bend, também no Arizona, entrou em operação em
maio de 1978. A capacidade destas ETAs são: Desert Center: 5.680 m³/dia, com
redução do teor de fluoreto de 8 mg/l para 1 mg/l; Rancho: 2.650 m³/dia, com
redução do fluoreto de 5 mg/l para 1 mg/l; Gila Bend: 1ª ETA: 2.840 m³/dia com
redução de 5:1; 2ª ETA: tem capacidade de remoção de 4.520 g de fluoretos por
m³ de alumina ativada e corresponde a cerca de 4 vezes a ETA de Bartlett
(Alvarinho e Martinelli, 2000).
Cordero (1972), apresenta os seguintes comparativos de custos para as
técnicas de carvão animal, sulfato de alumínio e alumina ativada:
1 - Remoção do íon fluoreto com alta dosagem de sulfato de alumínio. US$ 35,00
por mil galões, aproximadamente US$ 0,01/m³ (ano de 1960). Dados obtidos na
ETA piloto de Great Falls, Maryland, USA.
2 - Remoção do íon fluoreto por meio do processo de troca iônica:
2.1 - ETA de Britton, Dakota do Sul: US$ 50,00 por mg, equivalente a US$
0,013/m³, usando como insumo o carvão animal.
2.2 - ETA de Bartlett, Texas: US$ 55,00 por mg, equivalente a US$ 0,015 / m³,
usando como insumo, a alumina ativada.
Apresentou, ainda, o Quadro 4, onde se observa uma comparação de
custos:
75
Quadro 4: Comparação de custos das unidades de Bartlett e Britton, nos Estados Unidos
da América.
Item
Bartlett
Britton
Capacidade* (gpm)
400
300
Redução de F- (ppm)
8 a 0,85
6,7 a 1,5
Volume de água/ciclo (gal)
400.000
400.000
Custo do Equipamento
11.350
12.245 (inclusive insumo)
Insumo (Trocador/Leito de
Alumina ativada
Carvão animal
Custo do Insumo (US$ / libra)
0,20
0,085
Tipo de Tratamento
tanque de contato
filtro a pressão
Volume do insumo (ft³)
500
300
Inauguração
1952
1948
Custo de Operação (US$ / m³)
55 (0,015 / m³)
50 (0,013 / m³)
Custo de ajuste do pH (US$ / m³)
25
25
Contato).
*
Controlando-se o pH a um valor ligeiramente maior que 7,0, aumenta-se a capacidade do
volume de água tratada por ciclo, ao dobro (aproximadamente) diminuindo-se o custo de
tratamento à metade.
Fonte: Cordero,1972.
Charbel (1990) informa que seus experimentos usando microesferas de
alumina (Tecnologia IPEN/Departamento de Engenharia Química) permitiram
concluir que se trata de uma alternativa eficiente para remoção de fluoreto em
águas. A máxima capacidade de troca observa-se somente no primeiro ciclo, isto
é, quando a alumina ativada é usada pela primeira vez. Para a mesma coluna, a
eficiência de remoção de fluoreto cai com o número de ciclos.
Observa-se também que há solubilização da alumina ativada, com a
conseqüente redução do diâmetro das microesferas, especialmente pela eluição
com agentes ácidos, observando-se, finalmente, o empacotamento da alumina
ativada na coluna.
No processo em que se usa NaOH 0,1 M como eluente, praticamente não
se observa a dissolução da alumina ativada , porém, sabe-se que, para a retenção
dos íons fluoreto na presença de outras impurezas este eluente não é eficiente para
76
eluir os cátions retidos juntamente com os ânions fluoreto, provocando o
envenenamento da alumina ativada/adsorvente (leito de contato).
No País, a Companhia de Tecnologia de Saneamento Básico (CETESB) é
a maior detentora de experiência na remoção parcial de fluoretos em águas de
abastecimento para pequenas comunidades, com a utilização de alumina ativada.
A alumina ativada granular CETESB apresentou resultados de retenção de
íons fluoreto comparáveis às microesferas de alumina ativada produzidas pelo
IPEN, com a desvantagem de não permitirem um tratamento com ácido para o
segundo ciclo. A alumina ativada na forma de microesferas comportou-se melhor
nesse aspecto.
Com relação à retenção de íons fluoreto na presença de outras impurezas
pode-se dizer que estas causaram uma diminuição da capacidade de adsorção, a
qual pode ser atribuída à competição iônica.
4.3 - Osmose reversa (OR)
Águas marinhas, águas subterrâneas e águas de superfície que contêm
elevada concentração de sais, principalmente, o cloreto de sódio, são
dessalinizadas com a utilização da osmose reversa (OR) (Schneider e Tsutiya,
2001). Esta tecnologia também pode ser utilizada na desfluoretação parcial das
águas (Cravo e Cardoso,1999).
O princípio operacional desse processo foi desenvolvido no final da
década de 60 e suas aplicações foram iniciadas em meados de 1970. No Brasil a
sua utilização ocorreu a partir de 1986.
A osmose é um fenômeno natural de caráter físico-químico, conhecido há
mais de 200 anos. Nela, quando duas soluções, com diferentes concentrações são
separadas em um mesmo recipiente por uma membrana semipermeável ocorre
espontaneamente a passagem da solução de menor concentração no sentido da
solução de maior concentração até que se estabeleça um ponto de equilíbrio.
O fluxo ocorre porque a solução de menor concentração encontra-se em
um estado de maior energia. Nesse ponto de equilíbrio, a coluna da solução menos
concentrada estará, relativamente, abaixo da coluna do lado da solução mais
concentrada. Essa diferença de altura entre as colunas das soluções é conhecida
como pressão osmótica.
77
Por outro lado, a osmose reversa (OR) ou inversa é um processo induzido,
obtido por intermédio da aplicação mecânica de uma pressão superior à pressão
osmótica do lado da solução mais concentrada fazendo com que ocorra um fluxo
no sentido da solução de menor concentração.
Na Figura 9, pode ser vista uma ilustração para o entendimento do
processo de osmose reversa.
Figura 9: Sentido da pressão na osmose reversa (OR) ou osmose inversa
Fonte: : Mierzwa e Hespanhol, 2004.
.
No Quadro 5, abaixo, observa-se as faixas de pressão de operação das
membranas semipermeáveis sintéticas para os diferentes tipos de água a serem
tratadas.
Quadro 5: Faixa de pressão de operação de sistemas de osmose reversa (RO) para
águas com diferentes níveis de salinidade.
Tipo de Água
Faixa de Salinidade
Rendimento (%) Pressão de Operação
(mg / l SDT*)
(bar)
Marinha
35.000 (oceanos)
30 a 45
50 a 70
37.500 (Mediterrâneo)
42.000 (Mar
50 a 60
90
Vermelho)
45.000 (Golfo Pérsico)
Salobra
Até 10.000
Até 90
5 a 20
*
SDT = Sólidos Dissolvidos Totais
Fonte: Schneider e Tsutiya, 2001.
78
A principal função das membranas de osmose reversa (OR) é a
rejeição/retenção de sais, que depende dos seguintes fatores:
(i)
Temperatura: a rejeição/retenção diminui com o aumento da
temperatura;
(ii)
Pressão: a rejeição/retenção aumenta com o aumento da pressão;
(iii)
pH: a rejeição/retenção é relativamente constante na faixa de pH de
operação da membrana;
(iv)
Concentração de sal: a rejeição/retenção diminui com o aumento da
concentração de sal;
(v)
Rendimento: a rejeição/retenção diminui com o aumento do
rendimento da membrana (Schneider e Tsutiya, 2001).
As maiores Estações de Tratamento de Água (ETA´s) de osmose reversa (OR)
em operação encontram-se na Arábia Saudita, em Medina com a capacidade de
28.000 m³/dia; nos EUA, em Tampa Bay com 110.000 m³/dia e, em Trinidad &
Tobago, com 103.000 m³/ ia (Magara et al., 2000 e Graves et al. 2001).
O desenvolvimento de membranas de osmose reversa (OR), para
tratamento de águas salobras, é uma área de inovação tecnológica extremamente
dinâmica. Até meados da década de 70, era necessário usar membranas de
dessalinização de águas marinhas para o tratamento de águas salobras. Esses
sistemas operavam com pressão de cerca de 27 bares. Atualmente, novas
membranas foram lançadas no mercado para operarem com pressões de 5 a 12
bares para a dessalinização da água salobra.
O ciclo mais recente de inovação tecnológica é a introdução de membranas
com alta resistência ao biofouling (colmatação). Este último ciclo está
viabilizando a aplicação da tecnologia de osmose reversa (OR) para o tratamento
de águas de superfície, em larga escala e a preços competitivos com as tecnologias
convencionais (Gerard et al. 1998; Jenkins e Tanner, 1998; Redondo, 1999;
Mauth et al.,1999; Van Houtte et al.,1999; apud Schneider e Tsutiya, 2001).
A osmose reversa (OR) propicia uma água extremamente pura do ponto de
vista físico, químico e bacteriológico. Retém 95 a 99% dos contaminantes
químicos, praticamente todas as bactérias, fungos, algas e virus, além de reter
79
pirógenos e materiais proteicos de alto peso molecular (Silva et al.,1996). Nas
Figuras 10 e 11, podem ser observados 2 (dois) fluxogramas do processo
operacional normal de uma unidade de dessalinização da água.
Figura 10: Esquema (a) de tratamento da água salobra no processo de osmose
reversa (OR)
Fonte: Cravo e Cardoso,1999.
Figura 11: Esquema (b) de tratamento da água salobra com osmose reversa (OR)
Fonte: Cravo e Cardoso, 1999.
80
Os recentes avanços tecnológicos em osmose reversa (OR) produzem água
de ótima qualidade a custos razoavelmente competitivos, quando comparados aos
processos padronizados (Roque, 1999).
Alguns parâmetros de comparação entre as tecnologias de Osmose
Reversa (OR), Nanofiltração (NF) e Eletrodiálise Reversa (EDR) podem ser
observados no Quadro 6.
Quadro 6: Produtividade em m³ / dia das ETAs instaladas em Port Hueneme,
Califórnia.
ETA Alimentação
Permeado Rejeito
Rendimento
da
Membrana
(%)
Produção
Total
Bypass
(inclui
Rendimento
mistura
Total (%)
com água
de
bypass)
OR
6.950
5.560
1.390
80
2.317
7.877
85
NF
7.027
5.622
1.405
80
1.545
7.166
84
EDR
6.410
5.328
1.081
83
0
5.328
83
Fonte: Reynolds e Leitz, 2001, apud Schneider e Tsutiya, 2001.
O Quadro 7, mostra a qualidade da água produzida por diversos sistemas
de purificação (dessalinização da água salobra).
Quadro 7: Qualidade da água produzida pelos diferentes sistemas de
dessalinização de água salobra avaliados nas ETAs de demonstração de Port
Hueneme, Califórnia.
Parâmetro
*
SDT(mg/l)
Condutividade
( S/cm)
Dureza (mg/l
CaCO3)
Alcalinidade
(mg/l CaCO3)
pH
Cálcio (mg/l)
Magnésio(mg/l)
Sódio (mg/l)
Cloreto (mg/l)
Sulfato (mg/l)
Nitrato(mg/l)
Água
Bruta
1000
1.390
Permeado Permeado
OR
NF
16
40
23
58
Permeado
EDR
370
595
Água produzida
370
595
560
8
16
114
179
220
5
8
148
123
7,2
140
52
94
56
480
20
5,0
nd*
Nd
3
2
2
2
5,6
nd
nd
4
12
2
4
7,2
27
11
67
29
69
8
8,2
46
16
53
25
138
8
nd = não detectável
Fonte: Reynolds e Leitz, 2001, apud Schneider e Tsutiya, 2001.
81
Comparações entre os custos de operação e manutenção dos processos de
osmose reversa (OR), nanofiltração (NF) e eletrodiálise reversa (EDR) podem ser
vistos no Quadro 8.
Quadro 8: Custos de operação e manutenção (US$/m³) de osmose reversa (OR),
nanofiltração (NF) e eletrodiálise reversa (EDR) obtidos nas ETAs de
demonstração de dessalinização de água salobra de Port Hueneme, Califórnia.
Sistema Mão de Energia
PréPósLimpeza
Total
Obra
Tratamento Tratamento Química
OR
0,047
0,012
0,009
0,013
0,0008
0,082
NF
0,047
0,011
0,010
0,013
0,0008
0,082
EDR
0,047
0,084
0,008
0,011
0,0008
0,090
Fonte: Reynolds e Leitz, 2001, apud Schneider e Tsutiya, 2001.
No caso de projetos, ao se optar pelo uso de membranas filtrantes,
Schneider e Tsutiya (2001), sugerem a seguinte seqüência para a tomada de
decisão na definição da escolha da tecnologia mais adequada para a potabilização
das águas:
82
Água de boa
qualidade
Sim
Somente material particulado
a remover
Sim
MF ou NF.
Sim
MF ou UF com carvão ativado ou coagulação.
Sim
NF.
Sim
EDR ou OR.
Não há necessidade de sistema de membrana para
a potabilização.
Não
Não
Contaminantes orgânicos ou
colóides adsorvem com alta
eficiência a carvão ativado ou
podem ser coagulados
Não
Contaminantes são moléculas
orgânicas com peso molecular >
200 D ou íons bivalentes e
trivalentes
Não
Necessidade de remoção de íons
de baixo peso molecular ( < 200
D), mas não é necessário
remover outras partículas ou
moléculas
Não
OR.
83
5 – DISCUSSÃO E APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS
5.1. O modelo de decisão
A escolha da alternativa mais apropriada de desfluoretação parcial de água
subterrânea, para adequar-se às condições de potabilidade, quando o único
problema for a concentração elevada de íons fluoreto, exigiu a estruturação do
problema através da hierarquização dos critérios e alternativas a fim de utilizar o
instrumento de apoio à tomada de decisão multicritério. Neste caso, a ferramenta
utilizada foi o MAH, que tem como resultado final a ordenação das alternativas
determinando qual delas apresenta o maior índice, escore, peso ou importância
final, mesmo com suas limitações e deficiências.
A hierarquia foi definida a partir do objetivo global/meta (Redução Parcial
de íons Fluoreto), tendo como Critérios e Alternativas as variáveis: características
físico-químicas da água bruta, com ênfase na concentração de íons fluoreto e
quantidade a ser tratada/AB(Q); características físico-químicas da água tratada
com ênfase na concentração ótima final de íons fluoreto/AT; custo de
implantação/CI; custo de produção e de operação e manutenção/C(P) OM; o
carvão de osso/CO; a alumina ativada/AA e a osmose reversa/OR,
respectivamente, escolhidas a partir das informações obtidas na literatura
existente.
Somente após a definição dos 4 (quatro) critérios e das 3 (três)
alternativas, foi possível pensar na estruturação do modelo de decisão.
Desta forma, a estrutura do modelo de decisão foi construída seguindo
uma árvore hierárquica e demonstrando o relacionamento entre os diversos
elementos do estudo, ficando clara a dificuldade em se optar por um
projeto/processo/técnica/alternativa
de
desfluoretação
parcial,
sem
uma
metodologia apropriada. Na Figura 12, observa-se a estrutura do modelo de
decisão deste estudo.
84
Figura 12: Estrutura do modelo de decisão deste estudo
DESFLUORETAÇÃO PARCIAL
AB(Q)
AT
CO
CI
AA
C(P) OM
OR
Fonte: Revisão da literatura e experiência do pesquisador
5.2 – Aplicação do método de análise hierárquica / MAH ou AHP
A fim de permitir um melhor entendimento dos PESOS determinados na
Matriz de Julgamento Paritário entre os CRITÉRIOS e das Matrizes de
Julgamentos Paritários das ALTERNATIVAS com cada CRITÉRIO apresenta-se,
nos Quadros 9, 9A e 9B o resumo das principais observações extraídas da revisão
bibliográfica, sobre as vantagens e desvantagens das 3(três) alternativas
escolhidas.
85
Quadro 9:
Síntese das vantagens e desvantagens das alternativas de
desfluoretação parcial da água de beber carvão de osso (CO)
Alternativas
Carvão de
Osso (CO)
Vantagens
Desvantagens
1: Preparação do 1: Carvão preparado sem controle tecnológico
Carvão in loco.
(dificuldade de eliminação total da matéria orgânica,
a granulometria pode ser inadequada; muitas vezes,
2: Baixo Custo de denominado farinha de osso calcinado).
Instalação
2: A aquisição é cara, pois existe apenas um
3:
Ótimo fabricante de Carvão de osso no Brasil.
adsorvente
3: A concentração inicial do flúor e o pH são fatores
que afetam a vida útil do leito de contato.
4: Não existe nenhuma unidade em operação no
Brasil.
5: O adsorvente em condições inadequadas (mal
calcinado) produz cor e gosto na água.
6: Exige controle rigoroso do pH. Normalmente o
pH deve ser abaixado, mas o meio muito ácido é
indesejável.
7: A regeneração do leito de contato é de custo
elevado.
8: Os rejeitos são de difícil manipulação.
9: Apresenta problemas de aceitabilidade por parte
da comunidade ao saber que a água está em contato
com osso (Problemas de Informação).
10: Quanto maior a concentração inicial de fluoreto
na água bruta, maior a freqüência de regeneração do
leito de adsorção e maior a freqüência de
substituição do leito de contato.
11: Manipulação de produtos tóxicos.
12: Exige pessoal especializado para a Operação e
Manutenção.
Fonte: Revisão da Literatura e experiência do pesquisador.
86
Quadro 9A: Síntese das vantagens e desvantagens das alternativas de
desfluoretação parcial da água de beber alumina ativada (AA).
Alternativas
Vantagens
Desvantagens
Alumina
1: Baixo Custo 1: Poucos fabricantes no Brasil.
Ativada (AA) de Instalação.
2: As unidades instaladas no Brasil estão em
2:
Ótimo processos de desativação, devido ao alto custo
adsorvente
de Operação e Manutenção. Diversas estações
foram desativadas nos Estados Unidos da
3:
Avanço América.
tecnológico na
fabricação de 3: Exige controle rigoroso do pH.
AA
com Normalmente, o pH deve ser abaixado, mas o
características meio muito ácido é indesejável.
específicas.
4: É um produto caro no mercado, com
apenas dois fabricantes no Brasil.
5: A regeneração do leito de contato é de
custo elevado.
6: Os rejeitos são de difícil manipulação.
7: Manipulação de produtos tóxicos.
8: Exige pessoal especializado para a
Operação e Manutenção.
Fonte: Revisão da Literatura e experiência do pesquisador.
87
Quadro 9B: Síntese das vantagens e desvantagens das alternativas de
desfluoretação parcial da água de beber osmose reversa (OR).
Alternativas
Osmose
Reversa
(OR)
Vantagens
Desvantagens
1: Existência de energia elétrica nas áreas 1: Custo inicial de
rurais do Brasil.
implantação mais alto
que CO e AA.
2: Membrana com vida útil de 2 anos e preços
decrescentes. Cartuchos com preços também 2: Consumo elevado de
decrescentes.
energia elétrica, devido
à necessidade de pressão
3: Os rejeitos poderão ser reaproveitados em
de operação elevada.
sistemas de fluoretação.
3: Pode impor a
4: Operação, menos complexa, com controle
necessidade
de
instrumentalizado.
blendagem, pois ao
substâncias
5: Existência de diversos fornecedores no rejeitar
também
mercado Brasileiro, o que pode reduzir o Custo indesejáveis,
de Implantação.
rejeita as desejáveis.
6: Tendência de redução dos custos de 4: Falta de padronização
das peças e insumos de
operação e manutenção.
reposição, entre os
7: Existência de experiências com a utilização
fabricantes.
de energia solar.
5: Baixas condições
8: Os pH´s das águas de poços profundos,
econômicas
das
normalmente, têm tendência para serem
comunidades no meio
adequados às membranas.
rural brasileiro.
9: Ao rejeitar o fluoreto, pode rejeitar, também,
6:
Dificuldades
de
outros compostos indesejáveis.
obtenção de estudos
10: Quanto maior a quantidade de água a ser sobre a colmatação das
tratada menores os custos de produção e de membranas, quando se
extrai, água não salobra,
operação e manutenção.
de poço profundo.
11: A água subterrânea, em geral, dispensa o
Exige
pessoal
pré-tratamento,
utilizando-se
apenas
o 7:
especializado para a
cartucho.
Operação
e
12: Produz água com elevada pureza.
Manutenção.
13: Possibilidade da formalização de um
8: Limpeza química
contrato de Assistência Técnica com o
periódica da membrana.
fornecedor da Unidade de Tratamento
Fonte: Revisão da Literatura e experiência do pesquisador.
88
Aplicando a Escala de Importância proposta por Saaty (1991), Quadro 1,
pág 66, observa-se no Quadro 10, que o Critério AB(Q) quando comparado com
os Critérios AT, CI e C(P) OM atribuiu-se os pesos 1/3 (Importância Fraca
Recíproca), 1/2 (Importância Fraca a Igual Recíproca) e, 4 (Importância Forte a
Fraca), respectivamente.
Estas importâncias e as demais, a seguir, foram atribuídas pela experiência
do pesquisador e foram influenciadas pela revisão da literatura. Entretanto,
poderiam ser obtidas, diretamente, a partir de consultas a diversos especialistas da
área considerando-se as médias aritméticas dos pesos atribuídos por eles,
entendendo-se tais médias como o consenso de suas opiniões individuais.
Da mesma forma, o Critério AT quando comparado com os Critérios
AB(Q), CI e C(P) OM atribuiu-se os pesos 3 (Importância Fraca), 2 (Importância
Fraca a Igual) e, 3 (Importância Fraca), respectivamente.
O Critério CI quando comparado com os Critérios AB(Q), AT e C(P)
OM atribuiu-se os pesos 2 (Importância Fraca a Igual), 1/2 (Importância Fraca a
Igual Recíproca) e, 3 (Importância Fraca), respectivamente.
O Critério C(P) OM quando comparado com os Critérios AB(Q), AT e
CI atribuiu-se os pesos 1/4 (Importância Forte a Fraca Recíproca), 1/3
(Importância
Fraca
Recíproca)
e,
3
(Importância
Fraca
Recíproca),
respectivamente.
Estes pesos foram lançados em uma matriz quadrada, 4 x 4, conforme
Quadro 10:
Quadro 10: Matriz de comparação paritária entre os Critérios.
AB(Q)
AT
CI
C(P) OM
AB(Q)
1
3
2
1/4
AT
1/3
1
½
1/3
CI
½
2
1
1/3
C(P) OM
4
3
3
1
A resolução desta matriz, utilizando a planilha Excel, Microsoft 2000,
conforme (Winston e Albrith, 1997) e Apêndice A, gerou os seguintes pesos
89
(autovetores) relativos de importância [AB(Q): 0,2019; AT: 0,4340; CI: 0,2710;
C(P) OM: 0,092], cuja razão de consistência é 0,0839 (Equação 2-4 e Tabela 7,
pág. 65 ou conforme Apêndice A). Esta razão é considerada satisfatória, conforme
demonstração de Saaty (1991), por ser menor que 10%. Conclui-se,
preliminarmente, desta resolução que o autovetor de maior valor (0,4340)
representa o Critério de maior peso ou de maior importância, ou seja, o Critério
AT (Características físicas e químicas da Água Tratada com ênfase na
concentração final ótima de íons fluoreto).
Portanto, independente dos recursos disponíveis (financeiros, humanos e
materiais), não seria aceitável que cidadãos corram o risco de ficar com a saúde
prejudicada por falta de um esforço coletivo na solução do problema, ou seja,
fornecimento de água de beber e cocção dentro dos padrões recomendados pela
Portaria no 518/04, da Secretaria de Vigilância em Saúde do Ministério da Saúde.
Todos os esforços devem ser concentrados no sentido de que as
comunidades que produzam os seus meios de sustento em áreas com água com
alto teor de íons fluoreto, tenham acesso a uma água de boa qualidade. Então, o
produto final (Critério AT) de uma estação de desfluoretação apresenta-se com
43% de predominância/preferência, pois a finalidade precípua de uma estação de
tratamento de água é a produção de água dentro dos padrões de potabilidade.
De maneira análoga aos pesos do Quadro 10 se produz matrizes das
comparações paritárias de cada alternativa, levando-se em consideração suas
vantagens e desvantagens, observadas nos Quadros 9, 9A e 9B, páginas 86 a 88,
respectivamente, com cada critério, conforme o Quadro 11.
90
Quadro 11: Matrizes de comparação paritária das Alternativas com os Critérios.
Critérios/Alternativas
AB(Q)
CO
AA
OR
CO
AA
OR
1
5
7
1/5
1
3
1/7
1/3
1
AT
CO
AA
OR
CO
1
3
5
AA
1/3
1
3
OR
1/5
1/3
1
CI
CO
AA
OR
CO
1
1/3
1/6
AA
3
1
1/5
OR
6
5
1
C(P)OM
CO
AA
OR
CO
1
1/3
1/5
AA
3
1
1/3
OR
5
3
1
Normalmente, reforçando-se as informações citadas acima, os valores de 1
a 9 da escala de importância idealizada por Saaty (1991), poderiam ser obtidos
por questionários ou por debates entre especialistas. Porém, a fim de evitar
preferências e se obter um consenso sobre as características intrínsecas,
quantitativas e qualitativas de cada variável considerada, tendo em vista a
subjetividade inerente e peculiar dos atores e dos demais recursos envolvidos na
solução do problema, mas no caso deste estudo foram
atribuídos por um
especialista da área.
Então, seguindo a metodologia proposta por Saaty em sua Escala de
Importância, conforme apresentada no Quadro 1, pág. 66, as resoluções das
matrizes acima na forma proposta por Winston e Albrigth (1997), apresentadas no
Apêndice A, geraram os seguintes pesos relativos (autovetores) de importância:
91
-
(CO: 0,0737; AA: 0,2828; OR: 0,6433), com razão de consistência de
0,0564, com relação ao Critério AB(Q). Observa-se que a alternativa OR
apresenta-se com a preferência de 64%, apesar da exigência do
conhecimento das características da água bruta para a definição do tipo de
membrana a ser utilizada, observou-se que há diversos parâmetros comuns
necessários às demais alternativas de comparação, AA e CO; entretanto, a
alternativa que produz água de melhor qualidade é a OR, além de ser
efetiva na retenção de outras substâncias e íons indesejáveis, como o
arsênio, que tem correlação com a presença de fluoreto.
-
(CO: 0,1061; AA: 0,2604; OR: 0,6333), com razão de consistência de
0,0333, relativa ao Critério AT. Observa-se, que a alternativa OR, tem
63% de preferência, coerente com a literatura que afirma ser esta a que
produz água de alta pureza.
-
(CO: 0,6269; AA: 0,2923; OR: 0,0806), com razão de consistência de
0,0820 com relação ao Critério CI. Observa-se, que neste caso, a
preferência da OR, tem apenas 8%, mas como já exposto, é a que produz
água de melhor qualidade, e a CO tem a maior preferência, cerca de 63%,
por ser de fato de menor custo de implantação [facilidade de obtenção do
osso, preparação no local (limpeza, calcinação e fragmentação), porém
sem controle tecnológico; custo alto de regeneração; eficiência decrescente
significando vida útil (ciclos) curta do leito de contato, etc; resumindo, de
operação muito difícil e onerosa].
-
(CO: 0,6333; AA: 0,2604; OR: 0,1061), com razão de consistência de
0,0333 com relação ao Critério C(P) OM. Observa-se, de modo análogo,
que a OR tem apenas 10% de preferência, mas como já exposto, é a que
produz água de melhor qualidade. A alternativa CO apresenta cerca de
63%, mas como aduzido da literatura, principalmente, no estudo de
Ayestas (2003), o controle tecnológico inadequado na preparação da
“farinha de osso calcinado”, pode provocar cheiro e cor na água tratada,
além da possível rejeição por parte dos consumidores ao saber que a água
para se beber e cozinhar é proveniente do contato com osso de animal.
92
Essas razões de consistências calculadas podem ser consideradas
aceitáveis, o que significa dizer que os julgamentos estão adequados ou
consistentes, já que Saaty (1991), em suas pesquisas considerou como limite
máximo o valor 0,10.
Para obter o ranqueamento final multiplica-se a matriz formada pelas
importâncias relativas (autovetores, escores) obtidas do julgamento paritário
das alternativas com cada critério, pela matriz formada pelas importâncias
relativas (autovetores, pesos) resultantes do julgamento paritário dos critérios,
formando um quadro misto de critérios, alternativas e pesos, de acordo com o
Quadro 12.
Quadro 12: Quadro misto com matriz das Importâncias/Escores/Pesos das
Alternativas versus Critérios com a. matriz de Importâncias/ Escores/ Pesos
dos Critérios.
Alter/Crit.
AB(Q)
AT
CI
C(P)OM
Pesos
CO
0,0737
0,1061
0,6269
0,6333
0,2019
AA
0,2828
0,2604
0,2923
0,2604
OR
0,6433
0,6333
0,0806
0,1061
.
0,4340
0,2710
0,0929
O resultado da multiplicação das matrizes acima mostra um autovetor que
caracteriza o ranqueamento final e pode ser visto no Quadro 13 e no Apêndice A.
Conforme já exposto, os resultados parciais e finais foram obtidos segundo
Winston e Albright (1997) observados no Apêndice A. Os resultados finais
podem ser vistos no Quadro 13, onde a Desfluoretação Parcial da Água pelo
processo de osmose reversa (OR) apresentou-se como melhor alternativa de
tratamento. Os processos que utilizam alumina ativada (AA) e carvão de osso
(CO) ficaram muito próximos entre si.
93
Os resultados da valorização (escores, ranqueamentos, priorização,
classificação) final de cada alternativa foram obtidos através da multiplicação
matricial dos índices de preferência (escores) das alternativas frente aos critérios
com os níveis de importância (pesos) de cada um dos critérios (pesos), resultandose os autovetores, onde se vê o de maior valor, referente à alternativa osmose
reversa (OR). Cada passo destes cálculos pode ser visto no Apêndice A.
Quadro 13: Ranqueamento final das alternativas de Desfluoretação Parcial das
águas subterrâneas com alta concentração natural de íons fluoreto, após aplicação
do MAH.
Alternativas
Carvão de Osso/CO
Alumina Ativada/AA
Osmose Reversa/OR
Pesos
0,2897
0,2736
0,4365
Fontes: Revisão de Literatura, Modelo de Decisão e aplicação do MAH para a
seleção de alternativa de desfluoretação parcial das águas de poços tubulares
profundos.
Este raqueamento final pode também ser visualizado no Gráfico 1.
Gráfico 1:Observa-se a preferência final dentre as alternativas estudadas.
0,5
0,4365
0,45
0,4
0,35
0,3
0,2897
0,2736
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
CO
AA
OR
Ordenadas: Valorização Final; Abcissas: CO = carvão de osso; AA =
alumina ativada e OR = osmose reversa.
Fontes: Revisão de Literatura, Modelo de Decisão e aplicação do MAH para a
seleção de alternativa de desfluoretação parcial das águas de poços tubulares
profundos.
94
6) CONLUSÕES E RECOMENDAÇÕES FINAIS
O Modelo de Decisão construído seguiu as orientações de Saaty, que
adverte que ele deve ser de construção simples, adaptável tanto a grupos quanto a
indivíduos, natural à intuição do pesquisador e ao pensamento geral, encorajando
a formação de compromisso e do consenso e não exigindo especialização
excessiva para comunicar e administrar, permitindo que o Método de Análise
Hierárquica (MAH) seja uma ferramenta de apoio à tomada de decisão quando a
solução de um problema apresenta-se complexa.
A aplicação do MAH apresenta a utilização de membranas sintéticas pelo
processo de osmose reversa como a melhor alternativa para a rejeição dos íons
fluoreto, com 43% de preferência, embora com custo de implantação mais
elevado, mas com tendência de redução devido às inovações tecnológicas,
enquanto que, as alternativas utilizando a alumina ativada e o carvão de osso,
ficaram muito próximas entre si, com 27 e 28%, respectivamente.
Verificou-se uma carência na literatura, tanto internacional, quanto
nacional de informações detalhadas, principalmente, quanto aos aspectos de custo,
os quais, na maioria dos casos, encontram-se mencionados de forma genérica e
muitas vezes de forma apenas qualitativa como alto e baixo. Houve dificuldade de
obtenção de informações detalhadas de projetos completos utilizando uma das três
alternativas escolhidas. Estes projetos deveriam estar implantados e em operação
em pequenas comunidades e em escala industrial. A falta dessas informações
impediu a realização de uma análise pormenorizada de custos e benefícios.
Identificaram-se duas regiões no País com anomalia hidroquímica
geogênica e fluorose dentária endêmica: São Francisco, MG e Itambaracá, PR,
validando a hipótese inicial.
Observou-se que, no Brasil, existem comunidades sob o risco de fluorose
dentária, face à possibilidade de ingestão prolongada de água subterrânea com
teor natural de íons fluoreto acima do VMP em áreas dos Estados do Rio Grande
do Sul, Santa Catarina, Paraná, São Paulo, Minas Gerais, Rio de Janeiro, Ceará e
Espírito Santo. Outras áreas poderão surgir em função do crescimento
populacional e da ampliação do monitoramento e controle da qualidade de água
para consumo humano.
95
Sugere-se um esforço coletivo, com a participação efetiva da Associação
Brasileira de Odontologia (ABO), para a realização de estudos epidemiológicos
longitudinais visando medidas de vigilância à saúde bucal por meio do
monitoramento da tendência da prevalência e severidade deste agravo à saúde,
principalmente, nas áreas com alto teor natural de íons fluoreto presentes nas
fontes hídricas.
Sabe-se, que a presença de íons fluoreto nos alimentos é essencial para o
ser humano, principalmente, para a formação dos tecidos rígidos e, na água
potável é adicionado para a prevenção da cárie dentária, constituindo-se em um
assunto polêmico, pois se discute muito em que concentrações o fluoreto não
causaria efeitos colaterais.
Em Hileman (1988), apud Charbell (1990) e Jaffery et al. (1998), pode-se
observar esse fato, pois se o fluoreto for ingerido em média de 20g ao dia, durante
cerca de 20 anos, poderia provocar a fluorose esquelética. Doses de 2 a 5 mg/l ao
dia podem levar ao estágio pré-clinico e, posteriormente, ao clínico. A situação é
mais complexa do que parece, uma vez que o risco da fluorose não depende
somente da quantidade de íons fluoreto ingerido, mas também, do estado
nutricional do indivíduo, como por exemplo, da ingestão de vitamina D, proteína,
cálcio, magnésio e de outros fatores.
Parece ser um resultado satisfatório o fato de que a FUNASA, após a
apresentação desta proposta de estudo, em setembro 2003, ter incluído no seu
Edital de Pesquisa, em dezembro de 2003, o financiamento de pesquisa relativa a
desfluoretação da água subterrânea, tendo um projeto de pesquisa aprovado no
primeiro semestre de 2004, que se encontra em andamento.
A Universidade Federal de Minas Gerais/UFMG, através dos Institutos de
Geociências e de Odontologia, juntamente com o PGAGEM/CPRM/MME, vem
realizando estudos de extensão universitária no sentido de otimizarem a locação
de poços tubulares no município de São Francisco, a fim de evitar a captação de
aqüífero com alto teor natural de fluoretos. Estes estudos são de importância
relevante, pois a explotação de aqüíferos devem sempre ser precedida da
eficiência, efetividade e eficácia. Necessário se faz, portanto, a realização de
96
estudos hidroquímicos de caráter hidrogeológico, para a otimização de locação de
poços tubulares profundos e sua correta construção.
As populações em algumas zonas rurais são submetidas à ingestão
de doses elevadas de flúor, onde na maioria dos casos usam água sem tratamento,
diretamente de poços, sem o devido acompanhamento de análises químicas da
água.
A princípio, a diluição seria a melhor alternativa para a redução do teor de
íons fluoreto presente na água do poço, entretanto, como destacado no presente
estudo, foi considerado o fato da comunidade não ter outra fonte hídrica para o
seu suprimento. Estudos para a captação e armazenamento de águas meteóricas
poderiam ser levados a efeito em novas pesquisas complementares.
O imediato abandono do poço, cuja água apresenta alto teor de íons
fluoreto e a construção de outro nas proximidades, seria uma atividade de risco,
tendo em vista a inexistência de conhecimento hidrogeoquímico em escala que dê
certeza de sucesso, isto é, novo poço com água adequada ao consumo humano.
Necessita-se de estudos no sentido de implantar um Consórcio
Intermunicipal, como conseqüência dos PDLIS’s, visando a solução do problema
em regiões com anomalias hidroquímicas geogênicas. Uma Unidade de Remoção
Parcial de Íon Fluoreto ou de Desfluoretação poderá ser construída em um
município em localização geográfica estratégica, obtendo-se água de um poço
com vazão suficiente para atender todas as comunidades, que receberiam a água,
parcialmente desfluoretada, envasada, em vasilhames adequados, tal como já
existe no mercado das águas minerais, visando atender às necessidades de bebida
e de preparo dos alimentos. Para isto, a comunidade deverá estar devidamente
informada e conscientizada para saber utilizar a água de forma racional, além de
participar nas despesas envolvidas.
Deve-se conduzir estudos complementares no sentido de verificar a
possibilidade da utilização do rejeito ou concentrado de fluoreto, de ETA´s de
Desfluoretação, pelo processo de osmose reversa, em sistemas de abastecimento
de água que necessitam de fluoretação.
O Ministério da Saúde apresenta o número e porcentagem de indivíduos,
segundo graus de fluorose, idade e macroregião do Brasil no Relatório do Projeto
97
Saúde Bucal 2003, denominado de “Condições de Saúde Bucal da População
Brasileira 2002-2003/Resultados Principais”. Observa-se que foram registrados
apenas 78 casos de fluorose severa. As áreas foram escolhidas por sorteio; então,
parece que não foram priorizadas as áreas rurais com anomalia hidroquímica
geogênica ou com fluorose endêmica.
O programa do Governo Federal “Brasil Sorridente” investirá até o ano de
2006, cerca de R$1,5 bilhão em Saúde Bucal. Em 2002, foram investidos R$56
milhões e, em 2003, R$83 milhões. Em 2004, programou-se investir R$166
milhões. Demonstra-se, então, um custo sempre crescente com a Saúde Bucal.
Recomendam-se estudos complementares no sentido de se verificar a
viabilidade de automação do processo de beneficiamento da água objetivando a
redução dos custos de produção e de operação e manutenção/(P) OM, quando são
utilizados como meio adsorvente o carvão de osso (CO) e a alumina ativada
(AA).
O monitoramento da qualidade das águas nas bacias hidrográficas é de
fundamental importância para que atividades antrópicas poluidoras não sejam
fontes de recarga de aqüíferos.
A Fundação Nacional de Saúde prioriza suas ações em comunidades
marginalizadas tais como, quilombolas, indígenas, etc, através de projetos
especiais. As comunidades rurais com fluorose dentária endêmica poderiam ser
incluídas nestas prioridades tendo em vista os riscos à saúde.
Um Relatório Técnico Preliminar (RTP) detalhado sobre os mananciais
existentes deve ser procedido, informando a distância e o custo de transporte da
água, objetivando justificar o poço tubular profundo, cuja água possui elevado
teor natural de íons fluoreto, caracterizando-o como única fonte hídrica da
comunidade, antes da decisão de se investir em osmose reversa (OR), que é o
tratamento de água recomendado como produto do presente estudo.
Por fim, todos os métodos de tomada de decisão têm as suas
particularidades ficando evidente, portanto, a necessidade de se ampliar o número
de especialistas em tomada de decisão no setor público a fim de aprimorar a
qualidade das decisões.
98
7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
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Rio Grande do Sul. Dissertação de Mestrado, IPH/UFRGS, 69p, 1981, apud Silva
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Hydrogen Fluorine And Fluorides. – Fact sheet with FAQ’s, Division of
Toxicology, USPHS, Atlanta, GA, USA, 2001.
ADLER, H., KLEIN, G., LINDSAY, F. K. - Removal of fluorides from potable
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WU, Y. C., ASCE, M. – Activaded alumina removes fluoride íons from water. –
Water Sewage Works, 125(6): 76-82, 1978.
110
YONG, L.,HUA, Z.W. – Environmental Characteristic of Regional Groundwater
in Relation to Fluoride in Poisoning, North China. – Environmental Geology
Water Sci., Vol. 18, #3, p.3-10, 1991.
111
APÊNDICE A
Passos para o cálculo das matrizes
Obtenção do peso 0,2019, como exemplo, do Quadro 10:
1: Somar todas as colunas da matriz.
2: Normalizar a matriz.
3: Obter a média de primeira linha.
Assim:
Soma:
1 + 3 + 2 + 1 / 4 = 6,25
1 / 3 + 1 + 1 / 2 + 1 / 3 = 2,1616
1 / 2 + 2 + 1 + 1 / 3 = 3,8333
4 + 3 + 3 + 1 = 11
Matriz Normalizada:
1 / 6,25 = 0,16
3 / 6,25 = 0,48
2 / 6,25 = 0,32
( 1 / 4 ) / 6,25 = 0,04
(1 / 3) / 2,1616 = 0,1542
1 / 2,1616 = 0,4626
(1 / 2) / 2,1616 = 0,2313
(1 / 3) / 2,1616 = 0,1542
(1 / 2) / 3,8333 = 0,1304
2 / 3,8333 = 0,5217
1 / 3,8333 = 0,2609
(1 / 3) / 3,8333 = 0,0870
4 /11 = 0,36,36
3 /11 = 0,2727
3 / 11 = 0,2727
1 / 11 = 0,910
112
Cálculo do autovetor do exemplo: média aritmética de cada linha da matriz
formada pelos cálculos acima.
(0,16 + 0,1542 + 0,1304 + 0,3636) / 4 = 0,2020
Resolução das matrizes do MAH na planilha Microsoft excel.
Passo 1
Entrada dos dados: entrar os valores das matrizes de julgamento nas células
B5:E8, B12:D14, B18:D20, B24:D26 e B30:D32. (Observar que haverá
necessidade de dar entrada de valores fracionários tal como 1 / 7 em alguma
célula. Para isso a célula deverá ser formatada com a opção Fração).
Passo 2
Matriz Normalizada: calcula-se a matriz normalizada para o primeiro julgamento
paritário nas células G5:J8. Isso pode ser feito rapidamente da seguinte forma:
inicia-se com o cursor na célula G5, arraste o cursor de tal forma que as células
G5J8 estejam destacadas. A seguir, digite a fórmula
=B5/SOM(B$5:B$8)
e pressione Control-Enter (ambas as teclas ao mesmo tempo). Isso é um jeito
rápido de copiar e colar.
Passo 3
Pesos dos Critérios: Nas células L5:L8 calcula-se os pesos de cada objetivo. Isso
pode ser feito rapidamente. Inicie com a cursor na célula L5, ilumine as células
L5:L8. Logo, digite a fórmula
=MEDIA(G5:J5)
e, pressione Control-Enter.
Passo 4
Escores das alternativas com cada critério: repita os mesmos procedimentos dos
passos 2 e 3 das matrizes de julgamento para obter as matrizes normalizadas na
coluna G até a coluna I e os escores na coluna L.
Passo 5
Todos os escores das alternativas: nas células B37:E39 forma-se uma matriz dos
escores das alternativas com os critérios. Para se obter todos os escores nas células
113
L12:L14 acerca das células B37:B39, por exemplo, ilumine as células B37:B39 e
digite a fórmula
=L12
e, digite Contol-Enter. Faça do mesmo modo para os outros três escores na coluna
L. Então para obter todas os escores das alternativas com cada critério, ilumine as
células G37:G39, digite a fórmula
=MMULT(B:37:E39,L5:L8)
e, pressione Control-Shift-Enter. (Lembrar que Control-Shift-Enter é usado para
entrar uma função matricial. Em contraste, Control-Enter é equivalente para
copiar uma fórmula para as células iluminadas).
Calculando o Índice de Consistência: os seguintes passos são importantes para a
primeira matriz de julgamento. Os demais são realizados da mesma forma.
Passo 1
Multiplicação da matriz de julgamento com os pesos ou escores: calcule o produto
da primeira matriz de julgamento dos critérios os pesos (vetores) nas células
M5:M8 por meio da seleção/iluminação dessas células e, digitando
-MMULT(B5:E8,L5:L8)
e, pressione Control-Shift-Enter
Passo 2
Razões: Na célula N5 calcule a razão de duas células à sua esquerda com a
fórmula
=M5/L5
e, a copie para as células N6:N8.
Passo 3
Índice de Consistência: calcula-se o índice de consistência IC na célula N9 com a
fórmula
=(MEDIA(N5:N8)-4)/3
Então, na célula P9 calcula-se a razão IC / IR (para n = 4) com a fórmula
=N9/.90
(O valor 0,90, índice randômico, encontra-se na Tabela 7, pág. 65. Para as outras
quatro matrizes de julgamento, usa-se n = 3 e IR = 0,58. A razão IC / IR
114
denominada razão de consistência deverá ser menor que 0,10. Caso contrário novo
julgamento deverá ser realizado). A planilha abaixo mostra resolução das
matrizes.
115
Matriz de Comparação Paritária entre os Critérios
AB (Q)
AT
CI
C(P) OM
AB (Q)
1
1/3
1/2
4
AT
3
1
2
3
CI
2
1/2
1
3
C(P) OM
1/4
1/3
1/3
1
Matriz Normalizada
Matriz de Comparação Paritária das Alternativas com AB (Q)
CO
AA
OR
CO
1
1/5
1/7
AA
5
1
1/3
OR
7
3
1
Matriz Normalizada
Matriz de Comparação Paritária das Alternativas com AT
CO
AA
OR
CO
1
1/3
1/5
AA
3
1
1/3
OR
5
3
1
Matriz Normalizada
Matriz de Comparação Paritária das Alternativas com CI
CO
AA
OR
CO
1
3
6
AA
1/3
1
5
OR
1/6
1/5
1
Matriz Normalizada
Matriz de Comparação Paritária das Alternativas com o C(P) OM
CO
AA
OR
CO
1
3
5
AA
1/3
1
3
OR
1/5
1/3
1
Matriz Normalizada
Determinação da Melhor Alternativa
Matriz de Escores
AB (Q)
AT
CO
0,0737721 0,1061563
AA
0,282839
0,260498
OR
0,6433889 0,6333457
0,16
0,48
0,32
0,04
0,0769231
0,3846154
0,5384615
0,1111111
0,3333333
0,5555556
0,6666667
0,2222222
0,1111111
0,6521739
0,2173913
0,1304348
0,1538462
0,4615385
0,2307692
0,1538462
0,047619
0,2380952
0,7142857
0,0769231
0,2307692
0,6923077
0,7142857
0,2380952
0,047619
0,6923077
0,2307692
0,0769231
0,1304348
0,5217391
0,2608696
0,0869565
0,3636364
0,2727273
0,2727273
0,0909091
Pesos
Produto
Razão
0,2019793
0,4340012
0,2710915
0,0929279
0,8539039
1,8609061
1,1708346
0,3784537
IC
4,2276798
4,2877899
4,3189644
4,0725499
0,075582
IC/IR
0,08398
0,2222526
0,8661625
2,0083107
IC
3,0126916
3,0623869
3,121457
0,0327559
IC/IR
0,0564757
0,3196581
0,7900822
1,9456212
IC
3,0112019
3,0329688
3,0719734
0,0193573
IC/IR
0,0333747
1,9880952
0,9047619
0,2436508
IC
3,1708861
3,0950226
3,0196721
0,0475968
IC/IR
0,0820635
1,9456212
0,7900822
0,3196581
IC
3,0719734
3,0329688
3,0112019
0,0193573
IC/IR
0,0333747
Escores
0,0967742
0,2258065
0,6774194
0,0737721
0,282839
0,6433889
Escores
0,1304348
0,2173913
0,6521739
0,1061563
0,260498
0,6333457
Escores
0,5
0,4166667
0,0833333
0,6269841
0,292328
0,0806878
Escores
0,5555556
0,3333333
0,1111111
0,6333457
0,260498
0,1061563
Escore Final
CI
0,6269841
0,292328
0,0806878
C(P) OM
0,63334572
0,260497956
0,106156324
0,289798
0,2736393
0,4365627
Fontes: Winston e Albright,1997
e Saaty, 1991.
117