HDT 68: Metodología de análisis de decisiones para seleccionar alternativas de tratamientos y uso de aguas residuales

Ing. Marco Antonio Almeida de Souza

English version: HDT 68: Decision analisys methodology for selecting alternative treatment and use of wastewater

Universidad de Brasilia. Dpto de Ingenieria civil. Campus Universitario – Asa Norte. 71910 – 090 Brasilia – DF, brasil.

Abril 1997

Indice general

Introducción
Antecedentes
Consideraciones para la selección
Metodología propuesta para la selección
Métodos de análisis de decisión con objetivos múltiples
Referencias bibliográficas

Introducción

La preocupación por el desarrollo sostenible ha motivado un cambio en quienes realizan programas de investigación y planificación de los recursos hídricos. Este cambio los ha llevado a considerar alternativas para el uso racional de los recursos naturales, incluidas la minimización de residuos y el reúso del agua. La selección de tecnologías para la recolección y tratamiento de aguas residuales deberá considerar, cada vez en mayor medida, alternativas que incluyan el reúso de agua. La pregunta que se plantea es: ¨Cómo considerar todas las variables de decisión al mismo tiempo y cómo combinarlas para obtener una respuesta que satisfaga a las personas interesadas?

Para responder a esa interrogante, el presente trabajo propone y divulga una metodología para la selección de sistemas integrados de tratamiento, recuperación y uso de aguas residuales. Esta metodología se basa en el uso de métodos de análisis de decisión con objetivos y criterios múltiples que permiten un tratamiento holístico de la selección tecnológica (Schumacher, 1973; Willoughby, 1990). Estos métodos sustituyen a los métodos económicos y de optimización criticados por monetarizar y materializar los factores involucrados. La metodología propuesta puede usarse en cualquier otra área ambiental y de saneamiento.

Antecedentes

La aplicación de un método de análisis de decisión para la selección de alternativas de tratamiento de aguas residuales se registró por primera vez en 1987, cuando Wolf (1987) presentó una metodología simple basada en el método de la media ponderada. Posteriormente, Tecle et al. (1988) introdujeron técnicas de análisis de decisión con objetivos múltiples, como el “Compromising Programming” (traducido por algunos como Programación de Compromiso) y Electre-I. De manera similar, Souza (1992) desarrolló el modelo PROSEL-I (“Process Selection Version I”) para elegir procesos de tratamiento de aguas residuales usando los principios de la tecnología apropiada y el análisis de decisión con objetivos múltiples. En un trabajo orientado a la solución de un caso específico, Gobbetti (1993) y Gobbetti & Barros (1993), aplicaron las técnicas de análisis multiobjetivos “Compromise Programming”, “FunçÆo Utilidade Multidimensional”, Electre-I y Promethee para la revisión del Plan Director de Desagües de SÆo Paulo, Brasil.

Se pueden citar muchas aplicaciones en otras áreas del medio ambiente y de recursos hídricos. Por ejemplo, Perlac & Willis (1985) utilizaron métodos de análisis de decisión con objetivos múltiples para resolver un problema de manejo de residuos sólidos. Merkhofer & Keeney (1987) aplicaron el análisis de utilidad multiatributo para definir el lugar de disposición de residuos nucleares. Briggs et al. (1990) aplicaron los métodos Promethee y Gaia para el manejo de residuos nucleares. Hokkanen et al. (1995), Caruso et al. (1993), Maystre & Simos (1987), y Simos (1990) aplicaron diversas técnicas de análisis de decisión con objetivos y criterios múltiples para la selección de alternativas de manejo de residuos sólidos. Duckstein et al. (1994) emplearon técnicas de análisis de decisión con criterios múltiples Compromise Programming, FunçÆo Utilidade Multidimensional, Electre-III, y UTA (del francés Utilité Additive) para la selección de alternativas de manejo de aguas subterráneas.

Estos métodos constituyen una herramienta que ayuda a tomar decisiones cuando se tiene que considerar factores tangibles e intangibles y cuando se desea la participación comunal.

Consideraciones para la selección

Para plantear el problema de la planificación es conveniente revisar los sistemas integrados de tratamiento y uso de aguas residuales a fin de generar alternativas múltiples con porcentajes de uso para la agricultura, forestación, ganadería, acuicultura e irrigación de áreas públicas. Estas alternativas contemplarán también la tecnología de distribución de las aguas residuales recuperadas para usuarios diversos.

A fin de lograr el desarrollo técnico y económico de los proyectos de reúso de agua en países en vías de desarrollo y su aplicación en la acuicultura y agricultura, algunos investigadores defienden el uso de lagunas de estabilización en serie debido al bajo costo y a la alta seguridad que ofrece para la salud (León & Moscoso,1996; Moscoso & Flórez Muñoz, A., 1991; Moscoso et al., 1991).

En el caso del reúso directo potable, se requiere que el sistema de recuperación de aguas residuales tenga un alto grado de eficacia y confiabilidad, siendo necesario emplear combinaciones de procesos y operaciones unitarias que por lo general incluyen la clarificación con precipitación química, remoción de nutrientes, recarbonación, filtración, adsorción con carbón activado, desmineralización por ósmosis inversa y desinfección con cloro, con ozono o con ambos (Metcalf & Eddy, 1991).

En la selección de la tecnología de recuperación de aguas residuales, la confiabilidad operacional y el funcionamiento del conjunto de procesos y operaciones unitarias son factores importantes (Metcalf & Eddy, 1991). Sin embargo, la selección de una tecnología debe ser considerada un problema tanto particular como local. Las soluciones no se pueden generalizar (existe sólo un determinado caso) y hay que examinar la influencia de los ámbitos social, económico, cultural, jurídico, ambiental, educativo, etc.

Metodología propuesta para la selección

Se propone algunos métodos de análisis de decisión que permiten la participación de la población y el tratamiento holístico. Esta metodología presenta las siguientes etapas:

Definición de los objetivos del sistema, del uso del agua y de la calidad de los efluentes tratados

La planificación del reúso de agua debe realizarse a nivel de la cuenca hidrográfica y considerar la cooperación entre diferentes órganos y agentes interesados. Se debe incluir los siguientes puntos:

inventario de las necesidades de tratamiento y disposición de aguas residuales;
inventario de la demanda y suministro de agua;
inventario de los beneficios del abastecimiento de agua mediante el reúso;
análisis del mercado para el agua residual recuperada;
análisis técnico y económico de alternativas (mencionada anteriormente) y
plan de implementación del reúso con análisis financiero (Metcalf & Eddy, 1991).

En Asano (1991), se encuentra una lista de actividades e inventarios que se deben realizar en la planificación del reúso de agua.

La existencia de mercado para el agua residual recuperada es esencial. Se debe hacer una lista de los clientes potenciales, así como de su capacidad de compra. El inventario también debe incluir las necesidades de los usuarios potenciales.

Definición de la calidad del agua residual natural o del efluente tratado

Es necesario determinar las características de la calidad del agua de acuerdo a las exigencias de los patrones de uso predefinidos y de las contribuciones municipales e industriales en la cuenca de recolección de aguas residuales. En el caso de reúso de agua industrial es necesario hacer un inventario de todos los contaminantes posibles.

La definición de las características de calidad del agua no es una tarea fácil y puede conllevar a errores en las etapas posteriores. La elección de las variables depende de un análisis epidemiológico local y del examen de la situación real, debiéndose desconfiar de estudios simplificadores que sólo trabajan con DBO o NMP de coliformes fecales, a no ser que sea necesario para el estudio.

Definición de las alternativas de sistemas integrados de tratamiento y uso de aguas residuales

Para definir el universo de alternativas se debe tomar en cuenta los criterios de confiabilidad y eficacia de cada alternativa a fin de descartar las no viables y para no desechar algunas inadecuadamente. Puede haber muchas alternativas debido a las diferentes combinaciones de procesos y operaciones unitarias y formas de distribución y uso del agua recuperada.

La ubicación y la modalidad de reúso deben considerarse como parte de cada alternativa, incluida la distribución de agua en los diversos puntos de consumo.

Definición de las variables de decisión para seleccionar la alternativa de recuperación de aguas residuales

Las variables de decisión pueden incluir principios de la tecnología apropiada y del desarrollo sostenible, tales como:

maximización del uso de recursos materiales y mano de obra locales;
minimización del consumo de energía;
maximización de la calidad y cantidad del efluente final para el reúso;
minimización del impacto ambiental;
rentabilidad económica;
facilidad de operación y mantenimiento;
minimización del riesgo para la salud de los trabajadores y del público;
participación social; y
aceptación pública.

Se debe procurar que los objetivos sean lo más independientes posible para no volver a evaluar el mismo objetivo.

Se puede tener más de un criterio para medir cada objetivo y se puede emplear variables discretas o continuas, numéricas u ordinales. Las variables pueden ser cuantificables, tales como el costo, área ocupada, etc., o subjetivas, como preferencia por uno u otro aspecto de cada alternativa. Las variables se pueden comparar entre sí con valores de juicio, tales como bueno, medio, deficiente, mejor, peor, etc. Para cada objetivo se puede utilizar criterios de eficacia, confiabilidad, resistencia, flexibilidad, etc.

Comparación de las alternativas de recuperación de aguas residuales con las variables de decisión

En el análisis de decisión con múltiples objetivos (Souza, 1992; Souza & Forster, 1996), el método de selección de tecnología más recomendado actualmente, se debe incluir la llamada matriz de resultados (payoff matrix) que compara las alternativas viables según el grado de consideración a todas las variables de decisión de la etapa anterior. Esta matriz está compuesta por los criterios y actividades. La evaluación de las alternativas se puede realizar con un grupo ejecutivo de decisión o con un equipo de especialistas en reúso y se debe buscar la participación popular mediante un “consejo de usuarios del agua residual”.

El éxito de la metodología depende de cuán juiciosa resulte la evaluación de las alternativas. Se puede elaborar formularios basados en preguntas y atribución de pesos, de manera que los evaluadores no distingan la relación entre sus respuestas y el resultado final. Se han desarrollado métodos, tales como el Delphi, para obtener respuestas de manera científica. La definición de los objetivos y variables a considerarse en cada caso debe realizarla el mismo agente de decisión.

Elección de un método auxiliar para la decisión

Para escapar de la excesiva monetarización de las variables de decisión y alcanzar un punto de satisfacción de los objetivos delineados en la elección de tecnología, varios autores defienden el uso del análisis de decisión con objetivos múltiples (Souza, 1992; Souza & Forster, 1996). Los métodos más utilizados cuando se tiene una variable discreta, que es la más fácil de operar, son los de la serie Electre (versión I, II, III y IV-A), “Compromising Programming”, el Promethee, el de la “Función de Utilidad Multidimensional” y el ME-MCDM (“Multiple ExpertMultiple CriteriaMultiple Decision Makers”). Hay programas de cómputo disponibles para ellos, lo cual facilita su uso en microcomputadoras de baja capacidad (Souza, 1996 y 1992; Goicoechea et al., 1982).

Algunos especialistas en tratamiento y reúso de aguas residuales no están interesados en el análisis de decisiones y se resisten a usar la metodología propuesta porque les parece complicada. Sin embargo, existen métodos de análisis de decisión simples y de fácil comprensión. Los interesados deben consultar la bibliografía especializada que se recomienda (Goicochea et al..,1982; Souza, 1994).

Otro punto que debe resaltarse es el uso de varios métodos (dos, tres o cuatro) para priorizar la solución del problema (Souza, 1992; Tecle et al.., 1988).

Jerarquización de las alternativas de recuperación de aguas residuales y aceptación del resultado

Con cualquiera de los métodos auxiliares de decisión se produce una lista de alternativas de acuerdo al logro de los objetivos planteados. Como se dijo anteriormente, es mejor usar más de un método auxiliar para comparar los resultados.

En algunos métodos es posible hacer un análisis de sensibilidad para conocer los factores de decisión que más contribuyen a la solución. El proceso permite adaptar los valores de una de las variables y verificar el efecto de tales variaciones en las respuestas del método. Con el análisis de sensibilidad también es posible conocer los motivos que llevan a la preferencia de una u otra alternativa.

Repetición del proceso con modificaciones si no se ha llegado a una decisión

La lista ordenada de alternativas y la explicación del proceso de organización se discute con los agentes de decisión para conocer el grado de aceptación de la solución propuesta. Por lo general, se cuestiona el resultado pues sólo así se reconocen algunas fallas en una o algunas de las etapas anteriores, ya que muchas de éstas son interdependientes. En caso de no haber un consenso, se debe considerar todas las sugerencias y críticas en el proceso metodológico de las etapas anteriores pertinentes y reiniciar el ciclo. El proceso se reitera hasta alcanzar una decisión satisfactoria.

Es necesario entender que no hay una solución óptima para el problema y que se debe llegar a una “solución de compromiso” que no se puede definir fácilmente en términos numéricos. Se alcanza entonces el “óptimo de Pareto” o “punto de satisfacción”, que es una solución posible (es decir, una alternativa viable) para la cual no existe ninguna otra solución viable que ocasione una mejora en cualquiera de los objetivos propuestos sin agravar por lo menos uno de los demás objetivos.

Métodos de análisis de decisión con objetivos múltiples

Los principales métodos con las respectivas referencias para consulta son:

Método de Ponderación Aditiva (Wolf, 1987; Goicochea et al., 1982).
Método Electre-I (Benayoun et al., 1966; Tecle et al., 1988).
Método Electre-II (Roy, 1973; Hokkanen et al., 1995).
Método Electre-III (Roy, 1991; Duckstein et al., 1994).
Método Electre-IV y IV-A (Roy, 1991).
Método “Compromising Programming” (Zeleny, 1973; Tecle et al., 1988; Duckstein et al., 1994).
Método de la Teoría de los Juegos Cooperativos (Szidarovsky, et al. 1984; Tecle et al. 1984; Tecle et al., 1988).
Método Promethee (Briggs et al., 1990).
Método de la Función de Utilidad Multidimensional (Keeney & Raiffa, 1976; Merkhofer & Keeney, 1987; Duckstein et al., 1994).
Método UTA (Utilidad Aditiva) (JacquetLegrèze & Siskos, 1982; Duckstein et al., 1994).

Con tantos métodos disponibles, elegir uno de ellos es una tarea difícil. Se propone usar tres o cuatro métodos seleccionados de acuerdo a la experiencia y facilidad que represente al analista y por su adaptación al caso de reúso de agua. El resultado que se obtiene con los diversos métodos deberá analizarse para verificar su compatibilidad. La experiencia ha demostrado que la mayoría de los métodos convergen en un resultado común.

El método de ponderación aditiva se basa en la utilidad, una relación entre el valor de una variable de decisión y su valor atribuido en la decisión y, fundamentalmente, en la media ponderada de los valores de todos los criterios, en los que los pesos atribuyen importancia a cada uno de ellos. La alternativa elegida es la que obtiene el valor más alto de utilidad aditiva (es decir, la media ponderada). Este método es muy criticado, pero es el más sencillo y permite que los inexpertos entiendan la justificación de la decisión.

El método Electre-I (de la sigla en francés Traducción de la Realidad por Eliminación de Elección) compara alternativas por pares, entre todas las alternativas, de manera que elimina un subconjunto de alternativas y elige las que reúnen la mayoría de los criterios. Implica tres conceptos definidos matemáticamente: concordancia, discordancia y valores límites de concordancia y discordancia. El método no se elaboró para organizar las alternativas, pero Souza (1992) propone una manera eficaz y simple de jerarquizar las alternativas.

El método Electre-II es una modificación de la primera versión y fue elaborado para orientar las alternativas. Crea relaciones de comparación entre fuerte y débil, condiciones de concordancia y discordancia diferentes, y un proceso de ordenación de alternativas en tres etapas. En la primera etapa se ordena de forma descendente (de la mejor alternativa a la peor), en la segunda etapa de forma ascendente y en la tercera etapa según la media aritmética de las anteriores.

El método Electre-III se basa en relaciones de comparación difusas. Crea el concepto de pseudocriterio para medir las preferencias del agente de la decisión. Permite trabajar con relaciones de indiferencia “no muy estricta” o “estricta” y combina los límites de indiferencia y preferencia con el criterio tradicional. Añade estas preferencias parciales y forma una relación de comparación difusa que establece dos ordenaciones preliminares de las alternativas (ascendente y descendente) con una técnica de “destilación”. El método realiza la ordenación final a partir de esas dos ordenaciones preliminares. Este método es el más aceptable cuando hay duda e imprecisión en la evaluación de las alternativas y permite compararlas. No usa comparaciones proporcionadas directamente por el agente de la decisión, sino que las construye internamente a partir de las preferencias. También realiza una compensación parcial de la comparación a partir de la elección de los índices de concordancia y de discordancia, además de permitir que el agente de la decisión exprese sus preferencias, indiferencia y oposición al elegir los pesos que miden el grado de importancia de los diversos criterios utilizados.

El método Comprising Programming es un método elaborado para identificar la solución más próxima a la ideal, por lo tanto no viable, formada por un vector de los mejores valores registrados para todos los criterios. El grado de proximidad se mide según un patrón de distancias que considera otro vector formado por los peores valores de los diversos criterios registrados en la matriz de resultados. Es un método de aplicación fácil y rápido.

Finalmente, debido a su importancia, se cita a Duckstein et al. (1994) “el propósito de aplicar los métodos de análisis de decisión con objetivos y criterios múltiples es ayudar al agente de la decisión y no el de reemplazarlo”.

Referencias bibliográficas

Asano, T. Planning and implementation of water reuse projets. Water Science and Technology 24(9):1-10; 1991.

Benayoun, R.; Roy, B.; Sussman, B. Electre: une methode pour guider le choix en presence de points de vue multiples. Note de Travail 49, París: SEMA, Metra International, 1996.

Briggs, T.; Kunsh, P.L.; & Marshal, B. Nuclear waste management: an application of the multicriteria Promethee methods. European Journal of Operational Research 44:1-10; 1990.

Caruso, C.; Colorni, A.; Paruccini, M. The Regional Urban Solid Waste Management System: a modelling approach. European Journal of Operational Research 70:16-30; 1993.

Duckstein, L.; Treichel, W.; Magnouni, S.E. Ranking groundwater management by multicriterion analysis. Journal of Water Resources Planning and Management 120(4):546-565; jul.-ago. 1994.

Gobetti, L.E.C. Análise multiobjetivo aplicada ao planejamento de sistemas de recursos hídricos. DissertaçÆo de mestrado. SÆo Paulo: Escola Politécnica, Universidade de SÆo Paulo; 1993.

Gobetti, L.E.C.; Barros, M.T.L. Análise multiobjetivo aplicada ou planejamento de sistemas de recursos hídricos. En: Anais do X Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos. Gramado, Rio Grande do Sul: ABRH-AssociaçÆo Brasileira de Recursos Hídricos; 1993. pp. 317-326;

Goicochea, A.; Hansen, D.R.; Duckstein, L. Multiobjective decision analysis with engineering and business applications. New York: J. Wiley & Sons; 1982.

Hokkanen, J.; Salminen, P.; Rossi, E.; Ettala, M. Choice of a solid waste management system using the Electre-II decision-aid method. Waste Management & Research 13(2):175-193; 1995.

Jacquet-legrèze, E.; Siskos, J. Assesing a set of additive utility functions for multicriteria decision-making, the UTA method. European Journal of Operational Research 10(2):151-164; 1982.

Keeney, R. F.; Raiffa, H. Decision with multiple objectives: preferences. 1976.

León Suematsu, G.; Moscoso, J. Curso de Tratamiento y Uso de Aguas Residuales. Lima: CEPIS, Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente; 1996.

Maystre, L. Y.; Simos, J. L’aide à la décision dans l’organization. Paris: Association Française pour la Cybernétique Économique et Technique; 1987.

Merkhofer, M. W.; Keeney, R. L. A multiattribute utility analysis of alternative sites for the disposal of nuclear waste. Risk Analysis 7:173-194; 1987.

Metcalf & Eddy, Inc. Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, and Reuse, 3ed. New York: McGraw-Hill; 1991.

Moscoso, J.; Flórez Muñoz, A. Reuso en acuicultura de las aguas residuales tratadas en las lagunas de estabilización de San Juan. Sección I: Resumen ejecutivo. Lima: CEPIS, Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente; 1991.

Moscoso, J.; León Suematsu, G.; Gil, E. Reuso en acuicultura de las aguas residuales tratadas en las lagunas de estabilización de San Juan. Sección II: Tratamiento de las aguas residuales y aspectos sanitarios. Lima: CEPIS, Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente; 1991.

Perlac, R. D.; Willis, C.E. Multi-objective decision-making in waste disposal planning. Journal of the Environmental Engineering Division, Proceedings of ASCE 11(EE3):373-385; 1985.

Roy, B. The outranking approach and the foundations of Electre methods. Theory and Decision 31:49-73; 1991.

Schumacher, E.F. Small is beautiful: economics as if people mattered. Londres: Harper & Row; 1973.

Simos, J. Évaluer l’impact sur l’environement. Lausanne: Presses Polytechniques et Universitaires Romandes; 1990.

Souza, M.A.A. Programas computacionais para alguns métodos de análise de decisÆo com múltiplos objetivos: PonderaçÆo Aditiva, Compromising Programming, Electre-I, y Electre-II”. “Software para microcomputadores. Brasília: Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília; 1996.

Souza, M.A.A. Análise de decisÆo com múltiplos objetivos. Brasília: Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília; 1994.

Souza, M.A.A. Methodology for selection of wastewater treatment processes. Ph.D Thesis. Birmigham: School of Civil Engineering, University of Birmingham; 1992.

Souza, M.A.A.; Forster, C.F. Metodologias para seleçÆo de processos de tratamento de águas residuárias. Engenharia Sanitária y Ambiental (ABES/Brasil) 1(2):19-31; jun. 1996.

Szidarovsky, F.; Duckstein, L.; Bogardi, Y. Multiobjective management of mining under water hazard by games theory. European Journal of Operations Research 15(2):251-258; 1984.

Tecle, A.; Fogel, M.; Duckstein, L. Multicriterion selection of wastewater management alternatives. Journal of Wastewater Resources Planning and Management Division, Proceedings of ASCE 114(4):383-398; jul. 1988.

Willoughby, K.W. Technology choice; a critique of the appropiate technology movement. London: Intermediate Technology Publications; 1990.

Wolf, P. Auswahl-und Bewert-ungskriterien für Kleine Klarangem. Abwassertechnik 38(2):5-7; 1987.

Zeleny, M. Comprising Programming. En: J. L. Cochrane & M. Zeleny, Eds., Multiple criteria decision making. Columbia: University of South Carolina Press; 1973. pp. 263-301.