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EIXO TEMÁTICO: ( ) Bacias Hidrográficas, Planejamento e Gestão dos Recursos Hídricos ( ) Biodiversidade e Unidades de Conservação ( ) Campo, Agronegócio e as Práticas Sustentáveis ( ) Cidade, Arquitetura e Sustentabilidade ( ) Educação Ambiental ( ) Geotecnologias Aplicadas à Análise Ambiental ( ) Gestão dos Resíduos Sólidos ( ) Gestão e Preservação do Patrimônio Arquitetônico, Cultural e Paisagístico ( ) Mudanças Climáticas (X) Novas Tecnologias Sustentáveis ( ) Paisagem, Ecologia Urbana e o Planejamento Ambiental ( ) Saúde, Saneamento e Ambiente ( ) Turismo e o Desenvolvimento Local
.
Estudo dos Métodos de Dessalinização de Águas Subterrâneas: Proposta Mais Adequada para Abastecimento de Populações Difusas do Semiárido
Brasileiro
Analysis of the Groundwater Desalination Methods for Supplying Diffuse Populations of the Brazilian Semi-Arid
Análisis de los Métodos de Desalinización de Aguas Subterráneas para Abastecimiento
de Poblaciones Difusas del Semiárido Brasileño
Juliana Ferreira Bezerra Mocock Mestranda em Engenharia Civil, UPE, Brasil
Clarissa Nogueira Pessôa
Engenheira Civil, Brasil. [email protected]
Emilia Rahnemay Kohlman Rabbani
Professora Associada, UPE, Brasil [email protected]
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RESUMO O semiárido do Brasil tem um histórico de desafios e resistência aos fatores climáticos naturais, sobretudo no tocante à escassez de recursos hídricos. Em algumas áreas, a adoção de poços tornou-se a principal alternativa utilizada para o abastecimento de água em nível domiciliar e, dependendo da gravidade, em nível municipal. Nesse viés, o processo de dessalinização pode ser implantado para que se obtenha uma água propícia ao consumo humano. Este trabalho teve como objetivo identificar qual tipo de dessalinizador é o mais indicado a ser utilizado na região do semiárido brasileiro para fins de abastecimento. Através de uma compilação de várias pesquisas bibliográficas disponíveis em bases de dados nacionais e internacionais sobre a dessalinização e os tipos de dessalinizadores, considerando as vantagens e desvantagens, foi possível perceber qual o mais adequado para uso na região do semiárido. Os resultados mostraram que o método mais indicado para a região ainda é o da osmose reversa. PALAVRAS-CHAVE: Dessalinização, Dessalinizador, Osmose, Semiárido Brasileiro. ABSTRACT The Brazilian semi-arid region has a history of challenges and resistance to natural climatic factors, especially in relation to the scarcity of water resources. In some areas, the adoption of wells has become the main alternative used for water supply at the household level and, depending on gravity, at the municipal level. In this context, the desalination process can be implemented to obtain water adequate to human consumption. This work aimed to identify which type of desalinator is the most suitable to be used in the Brazilian semi-arid region for the purposes of supply. Through a compilation of several bibliographic researches available in national and international databases on desalination and the types of desalinators, considering the advantages and disadvantages, it was possible to conclude which one is the most suitable for use in the semi-arid region. The results showed that the best method for the region is still reverse osmosis. KEYWORDS: Desalination, Desalinator, Osmosis, Brazilian Semi-Arid. RESUMEN El semiárido de Brasil tiene un historial de desafíos y resistencia a los factores climáticos naturales, sobre todo en lo que se refiere a la escasez de recursos hídricos. En algunas áreas, la adopción de pozos se ha convertido en la principal alternativa utilizada para el abastecimiento de agua a nivel domiciliar y, dependiendo de la gravedad, a nivel municipal. En ese escenario, el proceso de desalinización puede ser implantado para que se obtenga agua propicia al consumo humano. Este trabajo tuvo como objetivo identificar qué tipo de desalinizador es el más indicado a ser utilizado en la región del semiárido brasileño para fines de abastecimiento. A través de una compilación de varias investigaciones bibliográficas disponibles en bases de datos nacionales e internacionales sobre la desalinización y los tipos de desalinizadores, considerando las ventajas y desventajas, fue posible percibir cuál es el más adecuado para su uso en la región del semiárido. Los resultados mostraron que el método más indicado para la región sigue siendo el de la ósmosis inversa. PALAVRAS CLABE: Desalinización, Desalinizador, Osmosis, Semiárido brasileño.
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1. INTRODUÇÃO
A crise hídrica no Brasil sempre foi uma realidade. Contudo, nos últimos anos, observa-se um
agravamento deste cenário devido ao crescimento populacional aliado a uma maior frequência
dos períodos de estiagem. Unindo-se a este fator, boa parte da água é utilizada sem
racionalidade, desde o âmbito domiciliar, industrial e agrícola. Além disso, há altos níveis de
perdas que ocorrem durante a distribuição dela pelas concessionárias. Para se ter uma ideia,
no Brasil, em 2013 esse índice chegou a 37%, contra 20% na Inglaterra, 7% na Alemanha e
apenas 3% no Japão, como mostra Figura 1.
Figura 1. Perdas na distribuição de água e índice por país.
Fonte: ASTA, 2015.
No semiárido brasileiro, a falta de água para o consumo humano deve-se a fatores naturais:
baixo índice pluviométrico, temperaturas médias elevadas e irregularidade espacial e temporal
na distribuição das chuvas (ROCHA, 2008). Uma alternativa encontrada para driblar a carência
hídrica e abastecer pequenas comunidades na região foi a perfuração de poços para
exploração de águas subterrâneas. Entretanto, muitas vezes a água encontrada nesses poços é
imprópria para o consumo humano devido a problemas de salinidade. É neste contexto que
entram os métodos de dessalinização.
Aprende-se desde cedo nas aulas de geografia na escola que a Terra é formada por apenas 30%
de terra firme, enquanto que os 70% de água representam um volume de 1,4 bilhão de km3.
Desse volume, cerca de 98% está nos oceanos e mares, em forma de agua salgada
(CHANDRASHEKARA & YADAV, 2017), o que implica em inadequação para o consumo humano.
Dos 2% restantes, 20% se apresentam em aguas subterrâneas, 79% estão armazenados em
calotas polares e geleiras, e apenas 1% está disponível para consumo pelos quase 8 bilhões de
habitantes do mundo. Dadas a escassez de água disponível para o consumo e o e a demanda
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cada vez maior por esse recurso, alternativas de reduzir seu o uso bem como de transformar a
água salgada em potável vem sido discutidas.
A dessalinização consiste na remoção de minerais de um ambiente. Os processos de
dessalinização visam ao tratamento da água para torná-la potável. Os dessalinizadores têm
sido adotados com cada vez mais frequência haja vista que as medidas convencionais, tais
como construção de cisternas e açudes, não têm sido suficientes para suprir o consumo
humano durante o período da estiagem. Diante disso, esse trabalho tem por objetivo analisar
os métodos de dessalinização empregados de modo a identificar o mais adequado para
abastecimento de populações difusas do semiárido brasileiro.
2. METODOLOGIA
Este trabalho foi um estudo de uma compilação de várias pesquisas bibliográficas nacionais e
internacionais disponíveis em bases de dados sobre a dessalinização e os tipos de
dessalinizadores. Consideraram-se as vantagens e desvantagens, com o objetivo de identificar
qual o método de dessalinização mais indicado a ser utilizado na região do semiárido brasileiro.
3. RESULTADOS
A água do mar possui aproximadamente 35 kg/m³ de sal solubilizado que precisaria ser
reduzido para aproximadamente 1 kg/m³ para ser aproveitada como água doce. A humanidade
usa técnicas de dessalinização de águas há milhares de anos. Freire, Marco e Martins (2015),
apontam que há evidencias do uso durante o império greco-romano, onde os navegadores
usavam evaporação e condensação da água do mar para consumo em suas viagens, e que essa
civilização também usava filtros de barro como forma de reter o sal. O Quadro 1 mostra a
evolução da pesquisa sobre dessalinização, resultante da pesquisa bibliográfica.
Mesmo assim, a capacidade de dessalinização da humanidade ainda não foi capaz de comparar
a feita pela natureza. Os mesmos autores afirmam que, através do ciclo da água do planeta, o
conjunto oceanos/sol se constitui na maior usina de dessalinização que opera na planeta:
quando o sol esquenta a água dos mares, ele provoca a sua evaporação.
A aplicação desses processos não está restrita a apenas água dos mares e oceanos, mas
também de fontes salobras. Nessas fontes, as águas têm concentrações de sal entre a doce e a
dos mares. Isto pode acontecer em reservatórios subterrâneos em região semiáridas, por
exemplo. Os tópicos abaixo mostram os dois subgrupos nos quais pode-se dividir a
dessalinização: processos térmicos e processos de membrana.
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Quadro 1. Desenvolvimento dos processos de dessalinização.
PERÍODO DESCRIÇÃO
SÉCULO XVIII Primeira publicação sobre dessalinização por um químico árabe (FREIRE, MARCO &
MARTINS, 2015).
1840 Primeiro uso da Destilação de Múltiplos Efeitos (SANTOS, 2005).
1884 Fabricação do primeiro evaporador (SANTOS, 2005).
FINAL DO SÉCULO XIX Primeiro evaporador por compressão mecânica de vapor (SANTOS, 2005).
DÉCADA DE 1940
Com a Segunda Guerra Mundial, desenvolvem-se processos devido à necessidade
de fornecer água para soldados que se encontravam em zonas áridas (FREIRE,
MARCO & MARTINS, 2015).
1953 Primeiras experiências com membranas (SANTOS, 2005).
1959 Demostra-se forma prática para a osmose reversa (FREIRE, MARCO & MARTINS,
2015).
DÉCADA DE 1960 Surgimento das primeiras unidades comerciais (FREIRE, MARCO & MARTINS, 2015).
DÉCADA DE 1970 Processos com membranas para tratamento comercial (FREIRE, MARCO &
MARTINS, 2015).
1987 Petrobrás inicia seu programa de dessalinização da água do mar (SANTOS, 2005).
2015 - Presente Mais 17.000 plantas de dessalinização em 150 países (FREIRE, MARCO & MARTINS,
2015).
3.1 Dessalinização térmica
Nesse modelo, a água é evaporada e, em seguida, sofre condensação. Essa técnica pode ser
usada em conjunto com vários tipos de coletores solares, como placa plana e tubo evacuado
(CHANDRASHEKARA & YADAV, 2017). Entre alguns dos processos de dessalinização térmica
estão a destilação de múltiplos estágios (MSF), a destilação de múltiplos efeitos (MED) e a
destilação compressão de vapor (VC).
Nessa categoria, também se encontra a Destilação Solar (SD), Como mostra a Figura 2, na SD, a
água é armazenada em tanques de material transparente. A luz solar atravessa o material do
recipiente e a água é aquecida e, então, evaporada. Ao condensar-se na parte interna do vidro,
a água escorre e recolhida num compartimento.
O processo MSF (Figura 3) envolve o aquecimento da salmoura seguido de destilação em flash
de múltiplos estágios e posterior recuperação de calor. Assim, essa técnica tem três seções
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importantes: aquecedor de salmoura, seções de rejeição de calor e recuperação de calor
(BANDI, UPPALURI & KUMAR, 2016). Esse método tem sido usado por muitos anos e agora é o
maior setor da indústria de dessalinização sendo responsável por mais de 56% do total de água
doce produzida pelas tecnologias de dessalinização (TAYYEBI & ALISHIRI, 2014).
Figura 2. Esquema do processo de destilação solar.
Fonte: MARINHO et al., 2014.
Figura 3. Processo MSF.
Fonte: SANTOS, 2005.
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De acordo com Dastgerdi, Whittaker e Chua (2016), o processo MED (Figura 4) inclui um
conjunto de estágios (efeitos), um condensador e subsistemas para recolher a água de
alimentação salina e uma fonte de calor (geralmente água líquida quente ou vapor) de modo a
coletar e remover a salmoura concentrada. O vapor gerado primeiro estágio será utilizado para
aquecer de forma indireta a água no segundo evaporador, e assim sucessivamente. Por fim, o
vapor do último evaporador será utilizado para pré-aquecer a água bruta, que entrará no
primeiro evaporador (SAMPAIO, 2016). Assim como no processo MSF, é utilizado vácuo para
reduzir a temperatura de ebulição da água.
Figura 4. Processo MED.
Fonte: SANTOS, 2005.
Quanto ao princípio de funcionamento do processo VC, como mostra Sampaio (2016), há duas
formas distintas de operação nessa técnica. A compressão do vapor pode ser feita por meio de
um compressor mecânico (MVC), ilustrado na Figura 5; ou podem ser adicionadas pequenas
quantidades de vapor a alta pressão por meio de um ejetor (TVC).
Figura 5. Processo MVC.
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Fonte: SANTOS, 2005.
3.2 Dessalinização por membranas
Existem principalmente dois processos de dessalinização por membranas: osmose reversa (RO)
e eletrodiálise (ED). A RO (Figura 6) é um processo por membrana onde um fluxo de
alimentação flui sob pressão através de uma membrana semipermeável, separando duas
correntes aquosas, uma rica em sal e o outro pobre em sal. Como explicam Mathioulakis,
Belessiotis e Delyannis (2007), a água passará através da membrana quando a pressão aplicada
é maior que a pressão osmótica, enquanto o sal é retido. Como resultado, um fluxo com baixa
concentração de sal é obtido e uma salmoura concentrada permanece no lado da alimentação.
Já a ED, apresentada na Figura 7, é um processo movido à eletricidade onde uma solução
iônica é bombeada através membranas de troca de ânions e cátions dispostas em um padrão
alternado entre um ânodo e um cátodo. Ainda de acordo com Mathioulakis, Belessiotis e
Delyannis (2007), esse fenômeno resulta em concentração de íons em compartimentos
(compartimento do concentrado ou salmoura), enquanto outros compartimentos
simultaneamente se esgotam (compartimento diluído).
Comparando-se RO e ED, pode-se dizer que na osmose reversa, a água é transportada através
da membrana e os eletrólitos são retidos, enquanto que na eletrodiálise, os eletrólitos são
transportados através da membrana e a água é parcialmente retida (BAKER apud
MATHIOULAKIS, BELESSIOTIS & DELYANNIS, 2007).
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Figura 6. Osmose reversa.
Fonte: CASSINI, 2015.
Figura 7. Eletrodiálise.
Fonte: AMADO, 2006.
3.3 A alternativa brasileira
No Brasil, o Ministério do Meio Ambiente (MMA) lançou em 2004 o Programa Água Doce
(PAD), cujo objetivo é investir em sistemas de dessalinização para abastecer populações em
comunidades do semiárido no Nordeste e no norte de Minas Gerais, onde a disponibilidade
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hídrica é baixa e a salinidade das águas subterrâneas é elevada. Segundo o Ministério do Meio
Ambiente:
“Visa o estabelecimento de uma política pública permanente de acesso à água de boa qualidade para o consumo humano, promovendo e disciplinando a implantação, a recuperação e a gestão de sistemas de dessalinização ambiental e socialmente sustentáveis para atender, prioritariamente, as populações de baixa renda em comunidades difusas do semiárido” (BRASIL, 2016?)
O Água Doce está estruturado em quatro componentes: gestão, pesquisa, sistemas de
dessalinização e sistemas produtivos/unidades demonstrativas. Os componentes estão
resumidos no Quadro 2.
Quadro 2. Componentes do PAD.
COMPONENTE DO PAD DESCRIÇÃO
GESTÃO
Formação de recursos humanos; diagnósticos técnico e
ambiental; sistema de informações; mobilização social;
sustentabilidade ambiental; apoio ao gerenciamento;
sistema de monitoramento; operacionalização e
manutenção dos sistemas (BRASIL, 2012).
PESQUISA
Direcionado, no primeiro momento, ao desenvolvimento
de tecnologia nacional para a produção das membranas
responsáveis pela separação do sais no equipamento de
dessalinização, assim como à otimização do sistema de
produção de plantas halófitas (que se alimentam de sais),
aquicultura e nutrição animal (BRASIL, 2012).
SISTEMAS DE DESSALINIZAÇÃO
Compõem o sistema de dessalinização: poço tubular
profundo, bomba do poço, reservatório de água bruta,
abrigo de alvenaria, chafariz, dessalinizador, reservatório
de água potável, reservatório e tanques de contenção de
concentrado (BRASIL, 2012).
SISTEMAS PRODUTIVOS/UNIDADES DEMOSTRATIVAS
Sistema de produção integrado onde são realizadas visitas,
exposições, aulas e demonstrações do processo produtivo
com o objetivo de replicação do modelo (BRASIL, 2012).
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3.4 Dessalinizadores no semiárido
A Figura 8 mostra sistemas de dessalinização implantados em Pernambuco. Apesar de
insucessos devido a fatores como elevada distância dos equipamentos aos centros urbanos e
ausência de trabalhos de mobilização social com a comunidade (COSTA, SOBRAL & SILVA,
2007), a cidade de Riacho das Almas no semiárido pernambucano, com aproximadamente 20
mil habitantes, é um exemplo local de sucesso de dessalinização.
Desde 2015, segundo Gama (2015), a cidade possui um dessalinizador coletivo de osmose
reversa movido à energia solar através de placas fotovoltaicas. No Brasil existem apenas dois,
estando o outro localizado no Maranhão. O sistema mostra-se eficiente pois, além de não
utilizar energia elétrica, os custos para a manutenção do sistema são menores, cerca de 40%. O
sistema produz 600 litros de água doce por hora, distribuído à comunidade duas vezes ao dia.
Cada pessoa tem direito a 20 litros de água diariamente, que corresponde a aproximadamente
20% do consumo diário (GAMA, 2015) Por esse motivo, explica Gama (2015), a comunidade
usa esse volume apenas para beber e cozinhar; para os demais afazeres domésticos, utilizam
água bruta, que sobra do sistema de captação, ou ainda provenientes dos carros-pipa.
Figura 8. Sistemas de dessalinização em Pernambuco
Fonte: PERNMABUCO, 2006.
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3.5 Vantagens e desvantagens dos principais métodos de dessalinização
A compilação de diversos estudos sobre métodos de dessalinização é apresentada no Quadro
3. Pode-se perceber que a osmose reversa ainda se constitui no melhor método de
dessalinização para o semiárido brasileiro por apresentar as principais vantagens para a região.
Quadro 3. Processos, vantagens e desvantagens
Processo Vantagens Desvantagens
DESTILAÇÃO DE MÚLTIPLOS
ESTÁGIOS
Maior pureza da água (DASTGERDI,
WHITTAKER & CHUA, 2016).
Processo mais caro (DASTGERDI,
WHITTAKER & CHUA, 2016).
DESTILAÇÃO DE MÚLTIPLOS
EFEITOS
Opera em altas temperaturas
(BANDI, UPPALURI & KUMAR, 2016).
Necessita de área de transferência
de calor adicional (BANDI, UPPALURI
& KUMAR, 2016).
COMPRESSÃO A VAPOR
Utiliza o princípio de redução da
temperatura do ponto de ebulição
através da redução de pressão
Sampaio (2016).
É operado com energia elétrica
Sampaio (2016).
OSMOSE REVERSA
As vantagens são possuir baixo
custo de investimento; baixo
consumo energético; ocupa área
muito reduzida para instalação;
aproveitamento dos efluentes;
qualidade constante da água
produzida; processo continuo;
possui flexibilidade para futuras
instalações; o processo consegue
tratar 99,4% do volume de água
encaminhado ao dessalinizador
(MOURA et al., 2008).
A principal desvantagem do
processo de osmose reversa é gerar
líquidos de rejeito com elevadas
concentrações de sais minerais
(RIBEIRO, SACHES-PAGLIARUSSI &
RIBEIRO, 2016).
ELETRÓLISE
Trata-se de uma tecnologia de separação que, em geral, não
envolve mudança de fase, o que significa uma economia no consumo
de energia, principalmente se comparado aos processos
tradicionais (SILVA, MELO & FRANÇA, 2010).
Desperdício de energia provocado
pelo aquecimento das próprias
membranas, altos níveis de energia
necessárias para a prática da
eletrodiálise (SOUZA, 2002).
4. CONCLUSÃO
Dentre as tecnologias citadas, cada uma se destaca em um meio diferente como água do mar
ou poços, apresentando vantagens e desvantagens únicas. Portanto, a utilização de uma ou
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outra deve ser analisada caso a caso. Em comum, todas elas apresentam um grande consumo
de energia elétrica, sendo este insumo o maior responsável direto pelo preço da água
dessalinizada.
A osmose reversa é tida como a melhor solução na maioria dos casos, incluindo a utilização em
poços artesianos. Este método é referência atualmente para qualquer novo projeto e é
considerado aquele que utiliza a tecnologia com maior potencial de desenvolvimento e
aplicação. Esse tipo de equipamento de dessalinização é bastante instalado no Brasil, e se
confirmou através dos resultados dessa pesquisa como o método mais adequado para a região
Nordeste. Esse procedimento é feito a partir da aplicação de pressão na solução de maior
concentração, de modo a forçar a água a se mover no sentido daquela com menor
concentração, com uma membrana impedindo a passagem do sal.
O sistema de osmose reversa produzirá sempre a água potável, mas também produz água
residuária (rejeito, salmoura ou concentrado). Desse modo, o sistema de tratamento de água
por osmose reversa traz uma preocupação referente à deposição ou reutilização da água de
rejeito. Estudos sobre a disposição adequada desse rejeito, a fim de evitar impactos negativos
no meio ambiente, estão sendo realizados, como os de Silva e Texeira (2011), Vale e Azevedo
(2013), e Ribeiro, Saches-Pagliarussi e Ribeiro (2016).
Entretanto, novos métodos estão sendo analisados quanto à sua viabilidade, como é o caso de
um projeto que utiliza a tecnologia de evaporação em baixa temperatura (EBT), proposto por
Khandan e Gude (2010), que supostamente reduziria o consumo de energia por metro cúbico
de água tratada em comparação às técnicas tradicionais de evaporação. Além da dessalinização
da água de poços como vem ocorrendo no semiárido pernambucano, a dessalinização da água
do mar também já é uma realidade no Brasil e no mundo, haja vista exemplos em Israel
(ROMILDO, 2018) e em Fernando de Noronha (COMPESA, 2018). É importante salientar que a
dessalinização das águas é uma solução para o abastecimento de comunidades cuja relevância
deverá se acentuar nos próximos anos, face à carência crescente de água potável no mundo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMADO, F. D. R. Produção e aplicação de membranas com polímeros convencionais e polianilina para uso em eletrodiálise no tratamento de efluentes industriais. 2005. Tese (Doutorado). Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 2005. ASTA, Eduardo. Água no Brasil. Folha de São Paulo. 2015. Disponível em: http://www1.folha.uol.com.br/infograficos/2015/01/118521-agua-no-brasil.shtml Acesso em: 30 out 2017. BANDI, C. S.; UPPALURI, R.; KUMAR, A. Global Optimization of MSF seawater desalination processes. Desalination. V. 394, p. 30-43. Set., 2016. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.04.012 BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Água Doce. [2016?]. Disponível em: http://www.mma.gov.br/agua/agua-doce. Acesso em: 01 nov. 2017.
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