CONTROLE ESTATÍSTICO DE PROCESSO NA REDE PÚBLICA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA

CONTROLE ESTATÍSTICO DE PROCESSO NA REDE PÚBLICA DE

ABASTECIMENTO DE ÁGUA

Rejane Helena Ribeiro da Costa (*)

Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC. Florianópolis, SC, Brasil.

Engenheira Civil, Dra. em Tratamento e Qualidade das Águas, INSA, Toulouse, França. Professora Titular, UFSC, Brasil.

Waldir Medri

Universidade Estadual de Londrina, UEL. Londrina, Pr, Brasil. Denise Maria dos Santos

Engenheira Sanitarista , Florianópolis, SC, Brasil.

(*) UFSC, CTC, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Campus Universitário, Trindade. Florianópolis, SC, 88010-970, Brasil. Tel.:+55(48)331-9597 – Fax: +55(48)331-9770. e-mail: rejane@ens.ufsc.br

RESUMO

A água, para ser servida aos usuários dos sistemas públicos de abastecimento, deve estar totalmente isenta de poluentes químicos e biológicos, já que a saúde da população está intrinsecamente ligada à qualidade da água que ela consome. As características da água na rede de distribuição podem sofrer alterações na qualidade, tanto ao longo da rede como ao longo do tempo, mesmo que essa água tenha saído dos seus respectivos sistemas produtores-distribuidores com todos os parâmetros qualitativos dentro das faixas de valores aceitáveis. Dessa forma, o objetivo deste trabalho é apresentar um plano mensal de amostragem da água, com base em critérios estatísticos e pontos estratégicos que sejam representativos do sistema de abastecimento a ser avaliado, de forma a maximizar a capacidade de detecção de contaminações por coliformes que eventualmente possam ocorrer ao longo da rede de distribuição.

Palavras Chave: Amostragem, controle estatístico, qualidade da água, rede de distribuição.

INTRODUÇÃO

As redes de distribuição estão sujeitas a ocorrências capazes de comprometer a qualidade de suas águas, mesmo que essas tenham saído de seus sistemas produtores com todos os parâmetros qualitativos dentro das faixas de valores específicos. Daí a importância e a necessidade de um controle constante e eficaz sobre o sistema distribuidor, já que as empresas de abastecimento público de água têm a responsabilidade de manter um controle preventivo sob vigilância permanente, da potabilidade da água, desde o sistema de distribuição até as ligações domiciliares. Ao longo da rede podem ocorrer inúmeros fatores que contribuem para contaminação da água, como interrupções momentâneas no sistema de abastecimento, gerando pressões negativas na rede; além de vazamentos e rompimentos que podem provocar deteriorações bruscas na qualidade, pela infiltração de agentes poluidores com desprendimento de incrustações, com conseqüente alteração de seu padrão tanto bacteriológico, como estético e organoléptico. O Sistema distribuidor é dinâmico, onde o produto final do processo de transformação não guarda em prateleiras os resultados de aprovação ou desaprovação junto aos padrões de qualidade exigida. No caso da rede de distribuição, quando se coleta uma amostra de água para análise, essa água já se deslocou em relação ao ponto de controle, ou seja, quando se avalia a qualidade da água, esta já está sendo consumida.

As pessoas exigem cada vez mais água em qualidade e quantidade adequadas, o que implica em desenvolvimento de novas e melhores tecnologias de tratamento e distribuição da água e no aperfeiçoamento do controle da eficácia

destas atividades, o que traduz num bom critério de amostragem dessa água. Assim, é importante e necessário que o controle da potabilidade da água não se restrinja, apenas, às saídas das ETA’s e aos reservatórios de distribuição, mas que forneça cobertura total para monitoramento dos pontos e dos setores da rede de distribuição que serão cadastrados para amostragem (Santos, 2002).

Um dos fatores de maior responsabilidade é a entrega do produto ao consumidor dentro das características e qualidade exigidas pela Portaria 36/GM de 19 de janeiro de 1990 ou Portaria no

_{1469, de 29 de dezembro de 2000,}

do Ministério da Saúde. Estas Portarias estabelecem os VMPs – Valores Máximos Permissíveis dos parâmetros de qualidade da água tratada na saída do sistema distribuidor de água até o cavalete (hidrômetro), ponto de entrega do produto ao consumidor. Essas Portarias indicam o número mínimo de amostras mensais a serem coletadas para o controle da água de sistemas de abastecimento, para fins de análises microbiológicas em função da população abastecida. Porém, Vasconcelos et al. (2000) argumentam que essas Portarias não dão orientações sobre a localização dos pontos de amostragem.

Neste trabalho desenvolveu-se uma sistemática para monitoramento do controle da qualidade da bacteriologia e do cloro residual livre da água, na rede de distribuição, com base em critérios estatísticos e pontos estratégicos, a fim de manter um controle permanente da potabilidade da água. Para tal utilizou-se o Controle Estatístico de Processo (CEP), o qual tem por objetivo medir a grandeza das variações, verificando se são suficientemente pequenas para fornecer resultados aceitáveis.

METODOLOGIA

O sistema de amostragem desenvolvido nesse trabalho é uma técnica que o sanitarista poderá dispor para efetuar um controle com rigor do sistema distribuidor, desde que os pontos escolhidos para a coleta sejam representativos do sistema. Esses pontos foram estabelecidos segundo experiência do setor de coleta de amostras e estão diretamente relacionados com os locais onde existe maior probabilidade de contaminação, tais como: pontos de baixa pressão, pontos de baixo cloro residual, pontos de má circulação de água, pontos de ponta de rede, pontos de alta turbidez, pontos onde não há rede de esgoto, etc.; locais onde há maior responsabilidade social, tais como: escolas, hospitais, postos de saúde, creches, etc.; além de outros locais, a fim de ter uma cobertura total da rede de distribuição (Medri e Costa, 2001).

O conjunto de pontos significativos indica que se nenhum apresentar contaminação, então nenhum ponto da rede está contaminado e, se pelo menos, um desses pontos apresentar contaminação, então pelo menos um trecho da rede está contaminada. Laugier et al. (1999) argumentam que a qualidade da água no sistema de distribuição é supostamente homogênea, com cada amostragem representando a qualidade da mesma para todo o sistema. Assim, dado um trecho da rede, no qual a qualidade bacteriológica da água e a freqüência de amostragem em diversos pontos podem ser consideradas constantes, conclui-se, por meio deles, ter um conhecimento aproximado, porém confiável, do estado de potabilidade da água nessa rede como um todo.

A área de estudo escolhida foi o Bairro Colônia Santana, situado no município de São José, SC, Brasil. Este foi adotoado por ser de tamnho relativamente pequeno, ideal para um trabalho experimental, e apresentar um sistema de abastecimento singular com reservatórios de distribuição, residências, estabelecimentos comerciais, hospital, posto de saúde, escolas, creches, etc. O período de monitoramento foi de junho a novembro de 2001. É importante ressaltar que neste trabalho a definição desses pontos se baseia em critérios empíricos, podendo ser adaptada a novas situações, a depender da experiência de que vier a utilizar os conceitos aqui propostos. Por outro lado, a localização desses pontos é dinâmico, passíveis a mudanças. Por exemplo, um ponto que hoje é final de rede, pode amanhã não ser, ou um ponto onde hoje não tem rede de esgoto, amanhã pode ter, etc.

Uma vez estabelecidas as conceituações e as classificações fundamentais do plano de amostragem, torna-se necessário construir um modelo operacional. A amostragem poderá ser diária, duas vezes por semana, ou semanal, dependendo do número de habitantes da cidade (tamanho da população que o sistema abastece) e do nível de qualidade da água detectado.

O índice de qualidade é utilizado como importante ferramenta para os técnicos de operação de sistemas de abastecimento de água, pois mostra claramente a eficiência e tendência dos principais parâmetros de rotina no controle da qualidade da água, tais como, bacteriologia, cloro residual livre, turbidez, pH, cor, etc.

Cartas de Controle

O tratamento estatístico é embasado na distribuição normal dos resultados de análises laboratoriais verificados na rede de distribuição de água. Esse tratamento estatístico pode ser feito através das cartas de controle, as quais tem por objetivo em avisar que existem anomalias em algum local na rede de distribuição de água, o que pode dar origem a água contaminada. Ou seja, as cartas de controle permitem saber, em determinado instante, se um local está ou não sob controle estatístico. Tais cartas de controle baseiam-se na inspeção adequada a cada caso, podendo ser classificadas por variáveis e por atributos. Cartas de controle por variáveis são baseadas na distribuição normal, enquanto cartas por atributos são baseadas na distribuição binomial.

Neste trabalho usa-se somente as cartas de controle por variáveis, as quais realizam mensurações das características do nível de qualidade de atendimento da água, do processo de distribuição, em algum local representativo da rede de distribuição que sofre variações contínuas. São de três tipos: da média (

x

), do desvio-padrão (s) e da amplitude (R) e são sempre utilizados aos pares (valor médio e dispersão).

Cartas de Controle Por Variáveis

As cartas de controle por variáveis da média (

x

), do desvio-padrão (s) e da amplitude (R) são baseados no intervalo de 3s, de modo que os limites de controle são dados por uma função da média e de alguma medida de dispersão. Na prática, porém, os parâmetros: média e desvio-padrão populacional são desconhecidos. Neste caso, faz-se necessário calcular suas estimativas.

Estimativa da média

Do estudo da teoria da amostragem, fica claro que a melhor estimativa de média populacional é a média das médias de suas amostras representativas, isto é:

)

(

1

2 1

x

x

k

x

k

x

=

+

+

_L

+

, onde

x

1 é a média da primeira amostra;

x

2a da segunda amostra e

assim por diante.

Estimativa do desvio-padrão

O cálculo da estimativa do desvio-padrão pode basear-se em dois métodos:

a) Primeiro método: estimativa do desvio-padrão por meio do desvio-padrão (s) das amostras. Este método de

estimar o desvio-padrão baseia-se na obtenção da média dos desvios padrão das amostras, utiliza-se a seguinte equação:

)

(

1

2 1

s

s

k

s

k

s

=

+

+

L

+

, onde s1 é o desvio-padrão da primeira amostra; s2 o da segunda

amostra e assim por diante.

Os limites de controle baseados em (s) são, portanto:

s

A

x

LIC

s

A

x

LSC

x

LM

.

.

1 1

−

=

+

=

=

Onde: LM = Linha Média; LSC = Limite Superior de Controle; e LIC = Limite Inferior de Controle.

Os valores de (A1) em função do tamanho (n) da amostra estão tabelados. Recomenda-se utilizar este método para

amostras com n > 10.

b) Segundo método: estimativa do desvio-padrão com base na amplitude (R) das amostras. Define-se amplitude

como sendo a diferença entre o maior e o menor valor de um conjunto de dados, calculada pela amplitude média:

)

(

1

2 1

R

R

k

R

k

R

=

+

+

_L

+

, onde R1 é a amplitude da primeira amostra; R2 o da segunda

Os limites de controle baseados em (R) são, portanto:

R

A

x

LIC

R

A

x

LSC

x

LM

.

.

2 2

−

=

+

=

=

Os valores de (A2) em função do tamanho (n) da amostra estão tabelados.

Assim, se os responsáveis pelo controle de qualidade da rede de distribuição de água desejam saber quando as mudanças dos resultados bacteriológicos decorrem da variação estatística inerente ao processo, e quando são consideradas significativas, é nesse ponto que as cartas de controle se mostram úteis, especialmente quando existe um grande número de dados.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os resultados obtidos ao longo de período de estudo, para os parâmetros Turbidez, Cor, Coliformes Fecais e Cloro Residual Livre, nos diversos pontos de amostragem, estão apresentados nas Tabelas 1 e 2.

Tabela 1 – Valores observados de Turbidez (UT) e Cor (uH), nos diversos pontos de amostragem. MESES

LOCAL DE

COLETA Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro

TUR COR TUR COR TUR COR TUR COR TUR COR TUR COR

Colégio Estadual 7 9 1 2 5 6 1 3 6 13 6 11

Saída R1 3 4 1 2 2 4 2 3 7 13 4 7

Saída R2 3 7 1 3 3 6 1 3 9 14 4 8

Centro Ed. Infantil 5 5 2 3 2 4 1 2 8 11 3 10

I.P.Q. Hospital 3 5 1 2 2 5 2 3 9 14 5 10 Posto de Saúde 4 5 2 3 3 5 1 2 8 14 4 8 Ponta de Rede 1 2 4 1 3 3 6 1 2 7 13 4 4 Ponta de Rede 2 6 7 1 2 2 5 1 2 7 13 4 4 Ponta de Rede 3 7 11 1 2 3 5 3 5 11 11 4 4 Ponta de Rede 4 6 10 3 4 4 6 1 2 8 15 8 13

Tabela 2 – Resultados para Coliformes Fecais-CF (NMP/100ml) e Cloro Residual Livre-CRL (mg/l), nos pontos de amostragem.

MESES LOCAL DE

COLETA Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro

CF CRL CF CRL CF CRL CF CRL CF CRL CF CRL

Colégio Estadual 1,1 0,6 1 1,5 1 0,8 2,2 0,8 2,2 0,3 1 0,1

Saída R1 1 0,4 1 1 1 1 1 1 2,2 0,1 1 0,1

Saída R2 1 1,5 1,1 1,5 1 1,5 1 1,5 2,2 0,2 1 0,1

Centro Ed. Infantil 1 0,3 1 1,5 1 0,8 1 0,8 3,6 0,1 1 0,1

I.P.Q. Hospital 1 1,5 1 2 1,1 1,5 1 1,5 3,6 0,2 1 0,1 Posto de Saúde 1 0,6 1 1,5 1,1 1 1 1 3,6 0,4 1,1 0,1 Ponta de Rede 1 1 0,6 1 0,6 1 0,8 1 0,8 1,1 0,1 1 0 Ponta de Rede 2 1 0,3 1 1,5 1 0,6 1 0,6 3,6 0,1 1 0 Ponta de Rede 3 1 0,1 1 1,5 1 0,8 1 1 1,1 0,1 1 0 Ponta de Rede 4 1,1 0,3 1 1,6 2,2 0,6 1,1 0,6 2,2 0,1 1,1 0,1 Média (

x

) 1,02 0,62 1,01 1,41 1,13 0,94 1,13 0,96 2,54 0,17 1,02 0,07 Desvio-padrão (s) 0,042 0,492 0,032 0,369 0,377 0,324 0,377 0,320 1,006 0,106 0,042 0,048 Amplitude (R) 0,1 1,4 0,1 1,4 1,2 0,9 1,2 0,9 2,5 0,3 0,1 0,1

Nota-se através da Tabela 1, no mês de outubro, que os valores de turbidez e cor estiveram bem elevados , com turbidez acima do estabelecido pelos Padrões de Potabilidade (VMP= 5 uT) e a cor próxima aos máximo

estabelecido (VMP=15 uH). Na Tabela 2, para esse mesmos mês, observa-se que a concentração média do cloro residual livre foi de 0,106 mg/l, favorecendo a ocorrência de coliformes. Os Padrões de Potabilidade recomendam teor mínimo de cloro residual livre de 0,5 mg/l, sendo obrigatório a manutenção, no mínimo, de 0,2 mg/l em qualquer ponto da rede de distribuição. Pesquisas realizadas por Shembri e Ennes (1997), nas instalações prediais, mostram que a manutenção do teor mínimo de cloro residual livre de 0,2 mg/l não assegura ausência de coliformes. Vasconcelos et al. (2000) comentam que se existirem nós na rede com valores inferiores ao valor mínimo (0,2 mg/l) de CRL, então esses nós são candidatos naturais à amostragem na rede, de forma que possa se monitorar esse importante parâmetro de qualidade.

A Figura 1 apresenta o “Box-plot” das concentrações de coliformes fecais (CF) e do cloro residual livre (CRL), no qual pode ser observados os três valores das medidas de tendência central, bem como os quartis inferiores e superiores, e as amplitudes totais, isto é, os valores mínimos e máximos.

Min-Max 25%-75% Median value Box & Whisker Plot

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 CF CRL

Figura 1 – Concentração de CF e CRL na rede de distribuição.

Os CF apresentam valores mínimos de 1 NMP/100ml e máximos de 3,6 NMP/100ml. No entanto, 75% dos dados amostrados concentram-se entre 1 e 1,1 NMP/100ml. Já o CRL apresenta valores mínimos de 0 mg/l e máximos de 2 mg/l, sendo que 75% dos dados amostrados estão entre 0 e 1 mg/l e 50% deles estão entre 0,1 e 1 mg/l.

Se os responsáveis pelo controle da rede de distribuição de água desejam saber quando as mudanças dos resultados bacteriológicos decorrem da variação estatística inerente ao processo e quando são consideradas significativas, aí nesse ponto as cartas de controle se mostram úteis, especialmente quando existe um grande número de dados. Nas inspeções por amostragem mensais, realizadas no período de monitoramento deste trabalho, extraiu-se amostra de tamanho constante igual a 10 (dez) por mês, nos diversos locais da rede, conforme mostra a Tabela 2. As cartas de controle dos pares média/desvio-padrão e média/amplitude para os Coliformes Fecais são apresentadas nas Figuras 2 e 3. a) Média/desvio-padrão

x

LM

=

= 1,308

s

A

x

LSC

=

+

₁

.

= 1,308 + 1,028 x 0,313 = 1,630

s

A

x

LIC

=

−

1

.

= 1,308 - 1,028 x 0,313 = 0,986

Figura 2 – Relação entre os meses amostrados e CF médio (NMP/100ml). b) Média/amplitude

x

LM

=

= 1,308

R

A

x

LSC

=

+

₂

.

= 1,308 + 0,308 x 0,87 = 1,576

R

A

x

LIC

=

−

2

.

= 1,308 - 0,308 x 0,313 = 1,040

Figura 3 – Relação entre os meses amostrados e CF médio (NMP/100ml).

Em todas as amostragens e em todos os pontos cadastrados verificou-se a presença de contaminação. Porém, nessas cartas de controle, verifica-se que o mês de outubro está fora de controle estatístico e apresenta uma qualidade inadequada de água, com uma porcentagem de contaminação acima do estabelecido nas Portaria 36/GM de 19 de janeiro de 1990 e Portaria no _{1469, de 29 de dezembro de 2000, do Ministério da Saúde.}

As cartas de controle dos pares média/desvio-padrão e média/amplitude para os Cloro Residual livre são mostradas nas Figuras 4 e 5. Estudos realizados por Clark et al. (1993), constataram a grande variação de concentração de cloro na rede de distribuição com o tempo, invalidando a caracterização da qualidade da água pela simples verificação de parâmetros em apenas alguns pontos de coleta fixos. As cartas de controle são de grande importância, pois verificam onde e/ou quando as concentrações se tornam anormais, isto é, as alterações nas características do nível de qualidade de atendimento da água tornam-se sensíveis.

a) Média/desvio-padrão

x

LM

=

= 0,695

s

A

x

LSC

=

+

₁

.

= 0,695 + 1,028 x 0,276 = 0,979 0,5 1 1,5 2 2,5 3

0 Jun Jul Ago Set Out Nov

amostras média (x) LSC LM LIC 0,5 1 1,5 2 2,5 3

0 Jun Jul Ago Set Out Nov

amostras

média (x) LSC LM

s

A

x

LIC

=

−

1

.

= 0,695 - 1,028 x 0,276 = 0,411

Figura 4 – Relação entre os meses amostrados e concentração média de CRL (mg/L). b) Média/amplitude

x

LM

=

= 0,695

R

A

x

LSC

=

+

₂

.

= 0,6958 + 0,308 x 0,833= 0,952

R

A

x

LIC

=

−

2

.

= 0,695 - 0,308 x 0,313 = 0,483

Figura 5 – Relação entre os meses amostrados e concentração média de CRL (mg/L).

Nas Figuras 4 e 5 (média/desvio-padrão e média/amplitude), como vários pontos caíram fora da região de normalidade, o processo de cloração para o sistema de abastecimento de água está fora de controle estatístico. Além disso, nos meses de outubro e novembro, o cloro residual está abaixo do valor mínimo de 0,2 mg/l, estabelecido pela Portaria 36/GM ou Portaria no _{1469, propiciando uma qualidade de água inadequada, isto é, sujeita a contaminação.}

Através das cartas de controle, nota-se uma relação inversa existente, porém não significativa, entre a ocorrência de coliformes com a concentração de cloro residual livre, isto é, à medida que diminui a concentração de CRL, o número deCF (NMP/100ml) aumenta.

CONCLUSÕES

Neste trabalho foi proposto um plano mensal de amostragem que atendesse aos objetivos propostos no sentido de prevenir e manter a rede de abastecimento de água sob controle bacteriológico. Assim, pode-se concluir que: 0 0,5 1 1,5 2

0 Jun Jul Ago Set Out Nov

amostras média (x) LSC LIC LM 0 0,5 1 1,5 2

0 Jun Jul Ago Set Out Nov

amostras

média (x)

LSC LIC LM

• É importante que os responsáveis pelo cadastramento dos pontos de coleta, tenham em mente as características dinâmicas da rede de distribuição, para que os locais sejam estabelecidos de maneira a cobrir toda a rede e com critérios técnicos.

• Sempre que constatar que a amostra coletada está fora do padrão de potabilidade, realizar uma nova coleta no mesmo ponto que apresentou a contaminação e em alguns pontos adjacentes (lado esquerdo, lado direito e em frente ao ponto original, desde que abastecidos pela mesma rede de água).

• Quando for coletar amostras para exames bacteriológicos, deve-se, também, realizar medições, no mesmo ponto, de outros parâmetros relevantes para o controle da qualidade da água, tais como: cloro residual livre, turbidez , cor e pH.

• O monitoramento da rede de distribuição de água deve ser acompanhado através do Controle Estatístico de Processo, isto é, através das Cartas de Controle.

• Uma coleta pura e simples de amostras em redes de abastecimento não leva sempre a resultados favoráveis e nem estabelece uma diretriz para investigação sanitária.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Clark, R. M., Grayman, W. M., Males, R. M., Hess., A, F. (1993) Modeling contaminant propagation in drinking water distribution systems. J. Envir. Eng. ASCE, vol. 119, 2, 349-364.

Laugier, C., Lang, G., Mary, V., Parent, E. (1999) Modélisation d’une politique d’autocontrôle sur un réseau d’eau potable. Rev. Sci. Eau, no.9, 201-217.

Medri, W., Costa, R. H. R. (2001) Modelo probabilístico de amostragem para controle da qualidade bacteriológica da água em redes de distribuição. Revista Engenharia Sanitária. ABES,.vol.6, 4, 100-107.

Ministério da Saúde (1990). Normas e Padrão de Potabilidade de Águas Destinadas ao Consumo Humano, Portaria 36/GM de 19/01/1990, Brasil.

Ministério da Saúde (2000). Normas de Qualidade de Água Para o Consumo Humano, Portaria 1469 de 20/12/2000, Brasil.

Santos, D.M. (2002) Diagnóstico da Qualidade da Água na Rede de Distribuição de Água no Bairro Colônia

Santana, São José, SC. Trabalho de Conclusão de Curso, Engenharia Sanitária-Ambiental, UFSC.40pp.

Schembri, M., C., C., Ennes, Y., M. (1997) Deterioração da qualidade da água distribuída: o caso de Belo Horizonte.

Anais do 19o_{. Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Foz do Iguaçu/Pr, 1157-1169.}

Vasconcelos Neto, J. G., Koide, S., Brandão, C. C. S. (2000) Metodologia para seleção de pontos de amostragem de água em redes de distribuição. Memoria Técnicas XXVII Congreso Interamericano de Ingenieria Sanitaria y Ambiental, Porto Alegre,1-10.