O USO DE MODELAGEM MATEMÁTICA DE QUALIDADE DE ÁGUA NO CONTROLE DE CLORO RESIDUAL EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO

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1 O USO DE MODELAGEM MATEMÁTICA DE QUALIDADE DE ÁGUA NO CONTROLE DE CLORO RESIDUAL EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO Jair Casagrande (1) Engenheiro da Civil (UFES, 1973), com ênfase em Engenharia Ambiental, Mestre em Engenharia Ambiental (UFES, 1997), Prof. do Departamento de Hidráulica e Saneamento do Centro Tecnológico da UFES e Engenheiro da Cia Espírito Santense de Saneamento - CESAN. Robson Sarmento Engenheiro Civil (Escola Politécnica da UFES, 1969), Master of Science COPPE/UFRJ , Ph.D - Doctor of Philosophy Manchester University - Inglaterra Professor do Departamento de Hidráulica e Saneamento - Centro Tecnológico da UFES e Prof. do Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental da UFES. Endereço (1) : Rua Francisco Rubim, 26, apto Bento Ferreira - Vitória - ES - CEP: Brasil - Tel.: jaircasa@npd.ufes.br. RESUMO O gerenciamento e o controle da qualidade da água que é distribuída à população é tarefa cada vez mais importante para se promover a qualidade de vida e a saúde da população. Este trabalho apresenta uma análise crítica dos procedimentos oficiais atualmente prescritos para o tema - Portaria 36 do Ministério da Saúde, a pesquisa de campo efetuada para a validação do modelo matemático utilizado e os resultados obtidos, os quais comprovam a pertinência da aplicação de sistemas de gerenciamento que se baseiam em simulação da concentração espacial e temporal de constituinte químico indicador de qualidade de água em sistemas de distribuição. PALAVRAS-CHAVE: Distribuição de água, Controle de Qualidade, Qualidade de água, Cloração, Modelagem Matemática de Qualidade. INTRODUÇÃO Em um sistema de abastecimento de água, a rede de distribuição representa uma ligação vital entre a estação de tratamento de água e o ponto de entrega aos consumidores. Muito frequentemente, a rede de tubulações é antiga, complexa, pouco conhecida e de difícil gerenciamento. Isso faz com que muitos esforços que são feitos na ETA para se obter um efluente com características físico-química e bacteriológica adequadas ao consumo humano, se tornem em vão devido a deterioração da qualidade de água ao longo da rede, em função das 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1342

2 complexas transformações físicas, químicas e bacteriológicas que ocorrem no trajeto da água ao longo da rede. Essas transformações são ocasionadas, basicamente, por:? fontes (inserções) descontroladas e/ ou clandestinas;? interconexões indevidas por rompimento de tubulações, sub-pressões, operações de manutenção inadequadas, etc.;? falhas em equipamentos;? decaimento do residual de desinfetante devido a ocorrência de longos períodos de residência da água na rede;? ressurgimento de bactérias;? corrosão nas tubulações;? formação de subprodutos da desinfecção pelo cloro;? decaimento natural da concentração de cloro devido a reações químicas diversas. Apesar dos esforços que são realizados pelas entidades devidamente organizadas que operam os sistemas públicos de abastecimento de água no Brasil, mesmo atendendo a legislação em vigor, não se pode afirmar a segurança absoluta da qualidade da água, haja vista que as análises são efetuadas em alguns pontos distribuídos ao longo da rede e com uma determinada frequência. Consequentemente, presume-se que em algum ponto da rede, a água está sujeita a uma contaminação e mesmo naqueles pontos que são monitorados, no intervalo de tempo entre as amostragens. A partir da última década, as autoridades norte americanas responsáveis pelo setor nos Estados Unidos, vêm concentrando estudos e pesquisas no campo do conhecimento comportamental da água em sistemas públicos de distribuição, em relação ao aspecto da qualidade química e bacteriológica. Tal preocupação tem motivado uma série de pesquisas voltadas para a questão, em especial nos setores da EPA (Environmental Protecion Agency), órgão de controle ambiental americano (Rosmann et al, 1993). Atualmente no Brasil, de acordo com a Portaria 36, de 19/01/90, do Ministério da Saúde, os procedimentos preconizados indicam a diferença entre a frequência mínima de amostragens na entrada do sistema de distribuição (saída da ETA), e na rede especificamente. De acordo com a tabela III da citada portaria, no que se refere ao cloro residual, o número mínimo exigido de amostras da água tratada, efluente da ETA, é de 1 amostra diária e para a rede de distribuição, 1 amostra semanal, para o caso de população atendida de até 5000 habitantes, o mesmo acontecendo com análise bacteriológica, sendo que para esta, deverá haver o mínimo de 5 amostras mensais. Como se observa, a ênfase do controle no que diz respeito ao abastecimento de água potável, está direcionada para o resultado do processo de tratamento, ou seja : a qualidade da água efluente das estações de tratamento, já que a freqüência de amostragens para a verificação do parâmetro de qualidade nesse ponto (cloro residual) é bem maior em relação à que é utilizada na rede de distribuição, principalmente nos sistemas de menor porte. Este trabalho tem por objetivo apresentar os resultados da pesquisa de utilização de uma ferramenta de gerenciamento e controle da qualidade de água em sistemas de distribuição, baseada em modelagem matemática desenvolvida pela EPA. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1343

3 Tal ferramenta proporciona simulação temporal e espacial do desinfetante utilizado na grande maioria dos sistemas públicos de abastecimento de água que é o Cloro e seus derivados, já que a presença dos mesmos na água, sob determinadas condições, é indicativo de qualidade bacteriológica da mesma. METODOLOGIA A pesquisa em questão foi desenvolvida seguindo os seguintes tópicos:? Estudo do estado da arte relativo à questão da modelagem para o acompanhamento de qualidade de água em sistemas de distribuição, com acompanhamento do trajeto e concentração do constituinte químico traçador da qualidade de água;? Aplicação do modelo matemático/computacional desenvolvido pela EPA, denominado EPANET, em um campo experimental, no caso o sistema de abastecimento de água da localidade de JUCU - Viana - ES - Brasil ;? Análise e discussão dos resultados e validação do modelo para o caso brasileiro HISTÓRICO O primeiro registro da aplicação de modelagem matemática para o acompanhamento de constituinte químico em um sistema público de abastecimento de água foi apresentado por Liou & Kroon (1987). Nessa ocasião, foi desenvolvido um algoritmo para modelagem de propagação de substâncias transportadas pela água por advecção ao longo da rede, no tempo e no espaço, assumindo que, no caso de substância não conservativa, como o Cloro, o decaimento se dá de acordo com uma equação de primeira ordem, da forma:?? C t?? kc ou C? C e kt 1 0 (1) A simulação hidráulica na determinação dos parâmetros hidrodinâmicos da rede, foi feita utilizando-se o programa LIQVARS, de Stoner Associates Inc., Carlisle, Pa (1983). Males et al (1988), apresentaram resultado de pesquisa realizada no sistema de North Penn Water Authority, Lansdale, Pensylvania, USA, ocasião em que foi utilizado o modelo desenvolvido pela EPA para a predição da mistura de substâncias em um sistema de distribuição. O programa utilizado para a simulação hidráulica foi o KENTUCKY (KYPIPE) e o estudo foi elaborado fazendo-se a simulação no estado estacionário. O constituinte monitorado foi a concentração de Trihalometanos e registrou-se a importância fundamental da calibração hidráulica para a precisão dos resultados do controle da qualidade. Grayman et al (1988) demonstraram a aplicação do modelo testado por Males et al (1988), comparando valores simulados e calculados pelo modelo, com as condições variando com o tempo e no espaço, utilizando também como elemento de controle a concentração de Trihalometanos. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1344

4 Clark & Coyle (1990), desenvolveram também pesquisas no sistema de North Penn Water Authority, concluindo pela constatação de grandes variações temporais e espaciais da qualidade da água no sistema de distribuição. Ou autores desenvolveram e empregaram também programas para aplicação em computadores pessoais, já que até então havia a necessidade de se utilizar grandes computadores no caso de sistemas de maior porte. Clark et al, (1993), constataram a grande variação da concentração de Cloro com o tempo, invalidando a caracterização da qualidade da água pela simples verificação de parâmetros em um determinado ponto da rede. Chamam a atenção para a importância da postura dos administradores dos serviços com o problema, ressaltando também a influência marcante do reservatório de distribuição na questão da qualidade da água, bem como o conflito natural entre a necessidade de reserva de água para garantir o abastecimento e o prejuízo que isso implica na da qualidade da água. Este trabalho enfoca a validade da modelagem matemática na otimização da dosagem de cloro, evitando-se excesso de dosagem e suas consequência s para a saúde humana, bem como a subdosagem, com resultados indesejáveis quanto à efetividade da desinfecção. Rosmann et al, (1994), apresentaram estudos efetuados na área do South Central Connecticut Regional Water Authority, com a aplicação da equação da conservação de massa no processo de advecção/difusão do cloro em redes de distribuição, segundo a seguinte expressão:?? C t? C u K C K f?????? x R C Cw b??, onde : (2) C = concentração de Cloro na massa de água t = tempo u - velocidade média na tubulação x = extensão do trecho K b = taxa de decaimento na massa de água Kf= coeficiente de transferência de massa Rh= raio hidráulico C w = Concentração de Cloro na parede da tubulação h Para a solução do sistema de equações envolvido, os autores utilizaram a técnica de discretização denominada DVEM - Discrete Volume Element Method, desenvolvido por Rosmann et al (1993). Para a simulação de concentrações, foi utilizado o modelo do EPANET (Rosmann et al, 1994), o qual também serviu de base para a pesquisa efetuada no sistema JUCU, objeto desta apresentação. EPANET incorpora o modelo de simulação hidráulica desenvolvido na Universidade de Kentuck denominado KYPIPE, juntamente com o DVEM, antes mencionado, constituindo-se estado da arte em modelagem básica de simulação de qualidade de água em sistemas de distribuição (Clark et al, 1994). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1345

5 PESQUISA DE CAMPO / RESULTADOS Utilizou-se como campo experimental o Sistema de Abastecimento de Água da localidade de JUCU, situada no município de Viana - ES - Brasil, composto de captação em poço tubular profundo, bomba submersa, adutora de água bruta, estação de tratamento completa e reservatório de distribuição. A capacidade de produção do sistema é de aproximadamente 490 m 3 /dia, com vazão instantânea de 8,50 l/s e tempo de funcionamento de 16 horas/dia. A calibração hidráulica e a determinação das condições hidrodinâmicas do sistema é condição fundamental para a aplicação do modelo e sua precisão. Dessa forma, o trabalho de pesquisa foi dividido basicamente em 2 etapas, sendo primeiramente pesquisado o aspecto físico, operacional e hidráulico do sistema e em seguida, de posse de todas as informações e dados de entrada do modelo, partiu-se para a verificação do tema qualidade, utilizando-se como indicador o residual de cloro total. O detalhamento das etapas consta do seguinte: a) Situação física da rede de distribuição Identificação dos trechos, nós, coordenadas, extensões, cotas e esquema de funcionamento b) Demandas médias nos nós Determinação da demanda média (padrão) em 4 setores de abastecimento distintos (fig. 1), no período de 30 dias corridos, visando também a determinação do coeficiente de distribuição linear específico para cada setor (l/s.m) e consequentemente as demandas médias para cada nó. Para isso, foram instalados 4 hidrômetros Voltman Verticais em pontos determinados da rede, os quais forneceram as leituras diárias dos volumes demandados para cada setor. Essa campanha de campo, realizada do dia 09/08/96 ao dia 10/09/96 teve como resultado os seguintes valores : Tabela 1: Consumo médio por setores e coeficientes de distribuição. Setor Cons. Médio (m 3 /dia) Porc. (%) Cd (l/s.m) , , , , Todos , Na determinação desses valores, foram expurgados os valores obtidos em 5 dias, ocasião em que foram registrados problemas operacionais no sistema, tais como vazamentos na rede e paralisações da operação para manutenção. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1346

6 c) Condições hidrodinâmicas da rede Foram selecionados 5 pontos da rede de distribuição, conforme indicado na FIGURA 4.1 e a pesquisa de campo foi realizada nos dias 05 e 06/09/96, com medição horária, durante 24 horas, dos valores de vazões e pressões, sendo que no nó 30 foi instalado somente o registrador de pressão contínuo. Tal campanha resultou na verificação das vazões médias horárias por setor, coeficiente de variação horária (K2), demanda relativa entre setores, variação da cota piezométrica na saída do reservatório e nas pressões contínuas durante 24 horas nos 5 pontos selecionados. Como ficou constatado na campanha anterior que ocorre uma grande variação na demanda de água de um dia para o outro, motivado por condições operacionais, dia da semana, condições meteorológicas e outras, o valor do consumo total registrado no dia da pesquisa, que foi de 288 m 3 /dia, situou-se pouco acima da média de 30 dias, porém, as demandas relativas entre os setores guardaram praticamente as mesmas relações. Os coeficientes de variações horárias (K 2 ) registrados foram de K 2 = 0,27 (extremo inferior) e K 2 = 1,85 (extremo superior), demonstrando que no período noturno entre 22:00 horas, até às 06:00 horas da manhã, a demanda é bastante reduzida, o que era de se esperar pelas características sócio-econômicas do local, com predominância de residências unifamiliares de padrão popular. Quanto às pressões, verificou-se uma baixa variação com o tempo, explicado pelo fato de que a rede está superdimensionada para a demanda atual, implicando em baixas velocidades, além do fato de que nos intervalos de maior demanda, a acréscimo de perda de carga é compensado pelo aumento do nível de água no reservatório. d) Coeficiente de variação horária da fonte (concentração de Cloro) na saída do reservatório. Duas campanhas de verificação foram realizadas, uma nos dias 06-06/09/96 e a outra nos dias /96, podendo-se constatar que havia uma grande variação da concentração de Cloro no ponto inicial da rede (Nó 1), devido ao procedimento operacional utilizado na estação de tratamento. Na primeira campanha, os extremos ficaram entre 0,2 mg/l e 0,80 mg/l de Cloro residual total e o mesmo ocorrendo na segunda. Os valores obtidos na pesquisa dos dias 23-24/09 foram utilizados como coeficientes multiplicadores da concentração padrão na fonte, os quais são dados de entrada no modelo e) Campanha de determinação de Cloro residual total e coeficientes de variações horárias Além da saída do reservatório, foram monitorados durante 24 horas, em intervalos aproximados de 1 hora, os valores do Cloro residual total em 4 pontos da rede de distribuição, sendo o nó 6 mais próximo do reservatório, o nó 46 em posição intermediária e os nós 30 e o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1347

7 em pontos mais distantes. Utilizou-se para a medição de campo o aparelho comparador com escala variando de 0,2 mg/l a 3,0 mg/l, tendo como reagente a Ortotolidina. Tais medições tiveram por objetivo a determinação da concentração real nos pontos citados, visando a calibração e modelo e a análise comparativa entre os valores calculados e os observados, conforme pode-se visualizar nos gráficos das figuras 1 a o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1348

8 Figura 1: Cloro residual medido versus concent. calculadas pelo modelo - Nó 6. Cloro residual ( mg/l ) 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Intervalos de Medição ( t1=10:30 hs) Medid. Calc Figura 2: Cloro residual medido versus concent. Calc. pelo modelo - Nó 46. Cloro Residual : Valores Medidos vs Valores Calculados - Nó 46 Cloro residual ( mg/l) 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Intervalos de Medição ( t1=10:30 Hs ) Medid. Calc Figura 3: Cloro residual medido versus conc. calc. pelo modelo - Nó 30. Cloro residual ( mg/l 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Intervalos de Medição ( t1=10:30 Hs ) Medid. Calc 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1349

9 Figura 4: Cloro residual medido versus conc. calculadas pelo mode lo - Nó 38. 0,70 Cloro residual ( mg/l ) 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Intervalos de Medições ( t1=10:30 Hs ) Medid. Calc No mesmo dia e instante em que foi feita a campanha de medição do Cloro residual na saída do reservatório e nos 4 pontos da rede, registrou-se também os volumes horários distribuídos, para se determinar o padrão operacional hidráulico do sistema, obtendo-se a vazão média do dia, as vazões médias horárias e suas variações no intervalo de tempo. Os coeficientes de variação horária (K 2 ) assim determinados, que tiveram uma variação entre 1,86 a 0,07, foram utilizados como dados de entrada para o processamento dos cálculos pelo programa e a vazão média e respectivas demandas nos nós foram consideradas como a média padrão do sistema (255 m 3 /dia), visto que foram registrados 2 vazamentos que interferiram no consumo global, os quais foram considerados como vazão de ponta nos locais de suas ocorrências. CONCLUSÕES Os modelos de simulação de qualidade de água em sistemas de distribuição, considerando o regime não permanente, necessitam de um conhecimento apurado das condições hidrodinâmicas da rede, o que foi uma grande preocupação do presente estudo, haja vista que o comportamento do residual de Cloro, espacial e temporalmente é bastante sensível às variações operacionais do sistema, conforme também demonstrado na pesquisa realizada por Clark et al, (1988). O procedimento operacional da ETA no que concerne ao ponto de dosagem, que no caso de JUCU, é no início do processo de tratamento (pré-cloração), as variações das dosagens e no nível de água do reservatório, exercem grande influência nas concentrações finais ao longo da rede. No caso presente, a constatação da validade do modelo hidráulico é demonstrada pelo comparativo entre as pressões calculadas e as pressões medidas, conforme se observa nos gráficos das figuras 5, 6 e 7. Pode ser feita tal afirmação pelo fato de que a pressão em 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1350

10 qualquer ponto reflete o comportamento hidráulico do sistema, pois é função de grandezas como velocidade, coeficiente de rugosidade, dentro outras. Com relação aos resultados comparativos entre os valores calculados e os medidos de concentração de Cloro residual total, indicados nas figuras 1 a 4, conclusão é a de que o modelo matemático responde aos objetivos desejados, apesar de algumas diferenças verificadas, pois a importância do modelo está no fato de apresentar uma aproximação dos resultados de tendências no tempo e em qualquer ponto alvo de verificação. Figura 5: Pressões medidas versus pressões calculadas pelo modelo - Nó 6. 38,00 37,00 Pressão (m.c.a) 36,00 35,00 34,00 33,00 32,00 NÓ 6 CAL NÓ 6 MED. 31,00 30,00 09:30 11:30 13:30 15:30 17:30 19:30 21:30 23:30 01:30 03:30 05:30 07:30 Horário de Medição Figura 6: Pressões medidas versus pressões calculadas pelo modelo - Nó ,00 37,00 Pressão ( m.c.a) 36,00 35,00 34,00 33,00 32,00 CAL MED. 31,00 30,00 09:30 11:30 13:30 15:30 17:30 19:30 21:30 23:30 01:30 03:30 05:30 07:30 Horários de Medições 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1351

11 Figura 7: Pressões medidas versus pressões calculadas pelo modelo - Nó 30. Pressão : Valores medidos vs Valores calculados - Nó 30 37,00 36,00 Pressão (m.c.a.) 35,00 34,00 33,00 32,00 31,00 NÓ 30 CAL NÓ 30 MED. 30,00 29,00 09:30 11:30 13:30 15:30 17:30 19:30 21:30 23:30 01:30 03:30 05:30 07:30 Horários de Medições Conclui-se então que o modelo é uma ferramenta gerencial de grande importância para o controle e a manutenção da qualidade da água distribuída à população, trazendo também à tona, a necessidade de se desenvolver os procedimentos adequados de projeto e operação dos sistemas de abastecimento de água, com como o conhecimento da dinâmica de funcionamento dos mesmos. Dessa forma, a ferramenta em questão, sob o aspecto da promoção da qualidade da água distribuída, oferece as seguintes aplicações práticas.? otimização do controle da qualidade da água;? prognosticação de problemas de degradação da qualidade da água;? adequação de programas de amostragem da qualidade da água;? otimização do processo de desinfecção da água;? avaliação de aspectos relativos à qualidade da água de redes de distribuição e de reservatórios, em projetos de melhorias e ampliações;? avaliação de alternativas operacionais e estratégias de controle para manutenção e melhoramentos da qualidade da água em sistemas de distribuição;? otimização de custos de desinfecção da água;? otimização de dosagens e pontos de aplicação;? controle de super ou sub-dosagens de produtos químicos;? controle de fontes de contaminação da água. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1352

12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CLARK, R. M., COYLE, J. A Measuring and Modeling variations in distributions systems water quality. J. AWWA. 82(Aug.).46. (1990). 2.., GRAYMAN, W.M., MALES, R. M., HESS., A, F., Modeling contaminant propagation in drinking water distribution systems. J. Env. Eng., ASCE, 119(2), (1993). 3..?.?., Contaminant propagation in distribution systems J. Env. Eng., ASCE. 114(4), (1988). 4.., GRAYMAN, M. W., GOODRICH, J. A, DEININGER, A R., SKOV, K. Measuring and modeling chlorine propagation in water distribution systems. J. Water Res. Planning and Management, 120 (6), Nov/Dec, GRAYMAN, W. M., CLARK, R. M., MALES, R. M., Modeling distribution systems water quality : dynamic approach. J. Water Res. Plng. And Mgmt., ASCE, 114(3), , (1988). 6. LIOU, C. P., KROON, J. R., Modeling the propagation of waterborne substances in distribution networks. J. AWWA., 79(11), (1987). 7. MALES, R. M., GRAYMAN, W. M., CLARK, R. M., Modeling water quality in distribution systems., Jornal WRP and Mgmt., 114 (2)., March, ROSMANN, L. A, CLARK, R. M., GRAYMAN, W. M., Modeling chlorine residuals in drinking water distribution systems. Journal Env. Eng., ASCE., 120(4) , BOULOS, P. F., ALTMAN, T., Discrete Volume-Element Method for Network Water-Quality Models., Journal Water Res. Planning and Mannagement., 119(5), Sep/Oct, , EPANET USERS MANUAL. US. Environmental Protection Agency. (1994). 11. MINISTÉRIO DA SAÚDE., Portaria nº 36, de 19/01/90. Estabelece normas e o padrão de potabilidade da água destinada ao consumo humano. Diário Oficial da União., Brasília, p , o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1353