Saneamento Ambiental I. Aula 22 O Sistema de Esgoto Sanitário: cálculo de vazões e dimensionamento

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1 Universidade Federal do Paraná Engenharia Ambiental Saneamento Ambiental I Aula 22 O Sistema de Esgoto Sanitário: cálculo de vazões e dimensionamento Profª Heloise G. Knapik 1

2 Tratamento de Esgotos Dimensionamento Vazão e carga poluidora Cálculo da rede Vazão doméstica Vazão industrial Vazão de infiltração Estudos populacio nais Consumo médio de água Vazão média de esgoto Equivalente pop. Relações dimensionais entre carga e concentração

3 Tipos de esgotamento sanitário SISTEMA INDIVIDUAL OU ESTÁTICO Local, individual ou para poucas residências SISTEMA COLETIVO OU DINÂMICO Coleta e afastamento dos esgotos da área servida

4 Tipos de esgotamento sanitário SISTEMA INDIVIDUAL OU ESTÁTICO Local, individual ou para poucas residências Usualmente algum sistema de infiltração no solo. Funciona bem nas seguintes condições: - Pouca densidade populacional - Áreas rurais - Solo com boas condições de infiltração Obs. O nível d água deverá ser profundo para evitar contaminação com microrganismos patogênicos (p. ex. fossas sépticas, negras, infiltração direta)

5 Tipos de esgotamento sanitário SISTEMA COLETIVO OU DINÂMICO Coleta e afastamento dos esgotos da área servida Elevada densidade populacional meio urbano - Sistema unitário ou combinado - Sistema separador absoluto

6 Tipos de esgotamento sanitário Sistema unitário Sistema separador absoluto

7 Tipos de esgotamento sanitário Inconvenientes do sistema combinado: Custos iniciais elevados Grandes dimensões das canalizações Riscos de refluxo de esgoto sanitário para o interior das residências, por ocasião de cheias Extravasamento sem tratamento nas ETES na ocorrência de grandes cheias Possível ocorrência de mal cheiro proveniente de bocas de lobo e demais pontos do sistema O regime de chuvas torrencial no país demanda tubulações de grandes diâmetros, com capacidade ociosa no período seco.

8 Tipos de esgotamento sanitário Vantagens do sistema separador absoluto: Afastamento das águas pluviais facilitado (menores distâncias) Menores dimensões das canalizações de esgoto sanitário Utilização de diferentes tipos de materiais nas tubulações Redução de custos e prazos de construção Melhoria das condições de tratamento do esgoto sanitário Possibilidade de efetuar a obra em diferentes etapas Não ocorrência de extravasamento dos esgotos nos períodos de chuva intensa

9 Origem dos esgotos Esgotos domésticos Despejos industriais Águas de infiltração Importante analisar de forma separada a origem dos esgotos para a caracterização qualitativa e quantitativa dos esgotos que chegam à ETE

10 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos Calculada com base no consumo de água da respectiva localidade (residências, comércio e instituições) Consumo de água função da população de projeto e do consumo médio per capita (QPC) Necessário calcular a vazão média e as vazões máxima e mínima para fins hidráulicos e de projeto (1) Estudos populacionais (2) Consumo médio de água (3) Vazão média de esgoto (4) Variações de vazão: máxima e mínima

11 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (1) ESTUDOS POPULACIONAIS (a) Índice de atendimento ou cobertura (b) Projeção populacional (c) População flutuante

12 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (1) ESTUDOS POPULACIONAIS (a) Índice de atendimento ou cobertura Fração da população servida / população total Condições atuais e de projeto (meta final de 100%) Função de: Condicionantes físicas, geográficas ou topográficas da localidade (nem sempre o atendimento é possível) Índice de adesão (população real e potencialmente servida) Etapas da implantação da rede coletora e dos interceptores (afeta a vazão na ETE)

13 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (1) ESTUDOS POPULACIONAIS (b) Projeção populacional Crescimento aritmético Crescimento geométrico Taxa decrescente de crescimento Curva logística Comparação gráfica entre cidades similares Método da razão e correlação Previsão com base nos empregos

14 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (1) ESTUDOS POPULACIONAIS (c) População flutuante Regiões turísticas Sobrecarga no sistema em determinadas épocas (férias e feriados) Feriados: alguns sistemas podem suportar as variações (tratamento com longo tempo de detenção) Férias: dimensionamento para uma carga mais elevada e por maior tempo ( 1 a 2 meses)

15 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (2) CONSUMO MÉDIO DE ÁGUA Várias formas de cálculo da Quota per capita QCP : relação com renda, número de habitantes, etc. QPC (L/hab.dia) Vazão consumida e não a vazão produzida Perdas no sistema

16 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (2) CONSUMO MÉDIO DE ÁGUA Porte da comunidade Faixa da população (hab) Consumo per capita (QPC) (L/hab.dia) Povoado rural < Vila Pequena localidade Cidade média Cidade grande >

17 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (2) CONSUMO MÉDIO DE ÁGUA Fator de influência Disponibilidade de água Clima Porte da comunidade Condições econômicas da comunidade Grau de industrialização Medição do consumo residencial Custo da água Pressão da água Comentário Em locais de escassez de água o consumo tende a ser menor Climas mais quentes induzem a um maior consumo Cidades maiores geralmente apresentam maior QPC Melhor nível econômico associa-se a maior consumo Localidades industrializadas apresentam maior consumo Presença de medição inibe um maior consumo Custo mais elevado reduz o consumo Elevada pressão no sistema de distribuição induz a maiores gastos

18 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (2) CONSUMO MÉDIO DE ÁGUA

19 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (3) VAZÃO MÉDIA DE ESGOTOS Do total de água consumida, nem tudo retorna à rede coletora de esgotos: Parcela incorporada à rede pluvial (água para irrigar jardins, lavagem de carros, etc) Ligações clandestinas diretas na rede pluvial Infiltração Ex. para 40% de perdas e 80% de coeficiente de retorno: de 100 m³/d produzidos, apenas 60 m³/d são consumidos e destes, 48 m³/d retornam na forma de esgotos

20 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (3) VAZÃO MÉDIA DE ESGOTOS Coeficiente de retorno (R): razão entre a vazão de esgotos e a vazão de água R varia de 40 a 100% usual 80% Pequenas comunidades R 40%

21 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (3) VAZÃO MÉDIA DE ESGOTOS Vazão de esgoto doméstico médio: Q D_MED = Q D_MED = pop.qpc.r 1000 pop.qpc.r (m³/d) (L/s) Q D_MED = vazão média de esgotos (m³/d ou L/s); QPC = cota per capita (L/hab.d); R = coeficiente de retorno

22 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (4) VARIAÇÕES DE VAZÃO VAZÕES MÁXIMA E MÍNIMA Consumo de água Geração de esgotos Variações horárias/ diárias/ sazonais: K 1 = 1,2 coeficiente do DIA de MAIOR consumo K 2 = 1,5 coeficiente da HORA de MAIOR consumo K 3 = 0,5 coeficiente da HORA de MENOR consumo

23 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (4) VARIAÇÕES DE VAZÃO VAZÕES MÁXIMA E MÍNIMA Vazão máxima Q Max = Q Med. K 1. K 2 = 1,88 Q Med Vazão mínima Q Min = Q Med. K 3 = 0,5 Q Med

24 Origem dos esgotos Vazão de esgotos domésticos: (4) VARIAÇÕES DE VAZÃO VAZÕES MÁXIMA E MÍNIMA As flutuações da rede de esgoto são amortecidas ao longo da rede coletora Grandes variações podem ser devidas à entrada irregular de águas de chuva na rede de coleta de esgotos

25 Origem dos esgotos Vazão de esgotos industriais Função do tipo e porte da indústria, processo, grau de reciclagem/ reuso da água, adoção de práticas de conservação da água, etc. Cadastro de grandes usuários: consumo de água e geração de efluentes Hidrograma difere do hidrograma doméstico: função do horário de funcionamento da indústria, tipo de produção, etc.

26 Origem dos esgotos Vazão de infiltração Tubos defeituosos, juntas, paredes de poços de visita Fatores que influenciam na quantidade de água infiltrada: Extensão da rede coletora, diâmetro das tubulações, área servida, tipo de solo, profundidade do lençol freático, topografia, densidade populacional (nº de conexões por unidade de área) Valores medidos ou tabelados NBR 9649 (ABNT): 0,05 a 1,0 L/s.km Metcalf & Eddy (1991): 0,01 a 1,0 m³/d.km por mm (função do diâmetro)

27 Origem dos esgotos Vazão de esgoto total média Somatório das parcelas de esgoto doméstico, industrial e de infiltração Q Med = Q D_Med + Q Ind_med + Q Infiltração Considerando dados referentes ao início e final de plano (p. ex. população, índice de atendimento, projeção de variação de consumo médio per capita, crescimento industrial, etc.)

28 Relações dimensionais entre carga e concentração CARGA PER CAPITA: Contribuição de cada indivíduo por unidade de tempo (g/hab.dia) VARIÁVEL Carga per capita (g/hab.dia) Faixa Valor usual REFERÊNCIA DBO WHO, 1982 Nitrogênio total Nitrogênio orgânico Amônia Nitrito 0 0 Nitrato Fósforo total Fósforo orgânico Fósforo inorgânico Chapra et al., 1997; Von Sperling, 2007

29 Relações dimensionais entre carga e concentração CARGA AFLUENTE EM UMA ETE: Quantidade de massa por unidade de tempo (kg/dia) Carga = População x Carga per capita Carga kg dia g Pop hab. Carga per capita ( = hab. dia ) 1000 ( g kg )

30 Relações dimensionais entre carga e concentração CARGA AFLUENTE EM UMA ETE: Quantidade de massa por unidade de tempo (kg/dia) Carga = Concentração x Vazão Carga kg dia = Concentração g/m3. Vazão (m 3 /dia) 1000 ( g kg ) g/m³ = mg/l

31 Relações dimensionais entre carga e concentração CONCENTRAÇÃO DE UM DESPEJO: Concentração = Carga / Vazão Concentração g m³ = Carga kg/dia (g/kg) Vazão ( m³ dia )

32 Relações dimensionais entre carga e concentração EQUIVALENTE POPULACIONAL: Traduz a equivalência entre o potencial poluidor de uma indústria (comumente em termos de matéria orgânica) e uma determinada população. E. P(hab) = Carga de DBO da indústria ( kg dia ) kg Contribuição per capita de DBO ( hab. dia )

33 EXERCÍCIO ESTIMATIVA DE VAZÕES E CARGA DE ESGOTO 33

34 Partes constituintes de um sistema de esgotamento sanitário: Rede coletora Interceptor Emissário Estação elevatória Sifão invertido Estação de tratamento

35 Partes do sistemas:

36 Partes do sistemas: Rede coletora: Constituído por ligações prediais, coletores de esgoto e seus órgãos acessórios

37 Partes do sistemas: Rede coletora: Ligação predial: trecho do coletor predial compreendido entre o limite do terreno e o coletor de esgoto Coletor de esgoto: tubulação da rede coletora que recebe a contribuição de esgoto dos coletores prediais em qualquer ponto de seu comprimento Coletor principal: coletor de esgoto de maior extensão dentro de uma mesma bacia

38 Partes do sistemas: Rede coletora: Coletor tronco: tubulação da rede coletora que recebe apenas contribuição de esgoto de outros coletores Coletor predial: trecho de tubulação da instalação predial de esgoto compreendido entre a última inserção das tubulações que recebem efluentes de aparelhos sanitários e o coletor de esgoto Órgãos acessórios: poços de visita, tubos de inspeção e limpeza, terminais de limpeza, caixas de passagem

39 Partes do sistemas: Interceptores e emissários: Interceptor: canalização cuja função principal é receber e transportar o esgoto sanitário coletado. Localizado nas partes baixas da bacia. Recebe os efluentes de coletores de esgoto em pontos determinados. Emissário: Tubulação que recebe as contribuições de esgoto exclusivamente na extremidade montante

40 Partes do sistemas: Sifões invertidos e passagens forçadas: Trechos com escoamento sob pressão Transpor obstáculos, depressões do terreno ou cursos d água, rebaixados (sifões) ou sem rebaixamento (passagens forçadas)

41 Partes do sistemas: Estações elevatórias de esgoto (EEE): São instalações destinadas a transferir os esgotos de um ponto (cota normalmente mais baixa) a outro (cota normalmente mais elevada), em diversas partes do sistema: Coleta Transporte Processo de tratamento de esgoto Disposição final Utilizadas sempre que não for possível ou viável, por razões técnicas e econômicas, o escoamento dos esgotos por gravidade

42 Partes do sistemas: Estações elevatórias de esgoto (EEE): Justificativa de uso: Terrenos planos e extensos, evitando-se que as canalizações atinjam profundidades excessivas Áreas novas situadas em cotas inferiores às existentes Reversão de esgotos de uma bacia para outra Descarga de interceptores ou emissários em ETE ou corpos receptores, quando não for possível fazer por gravidade.

43 Partes do sistemas: Estação de tratamento de esgoto (ETE): Estação onde são utilizadas diferentes técnicas de tratamento, equipamentos, órgãos auxiliares ( canais, caixas, vertedores, tubulações); Finalidade de reduzir a carga poluidora do esgoto sanitário e o condicionamento da matéria residual resultante do tratamento.

44 Partes do sistemas: Estação de tratamento de esgoto:

45 Partes do sistemas: Corpo Receptor: Qualquer corpo aquático ou solo que recebe o lançamento de esgoto em estágio final

46 Condições hidráulicas: CONDIÇÕES HIDRÁULICAS: Esgoto sanitário: mistura complexa de substâncias orgânicas e minerais dissolvidas, coloidais e sólidos de maior dimensão pode ocorrer a formação de depósitos nas paredes e no fundo dos condutos Dimensionamento: condições satisfatórias de fluxo

47 Condições hidráulicas: Condutos Forçados Pressão diferente da atmosfera Tubulações fechadas Condutos Livres Pressão da atmosférica Seções fechadas (esgotos e águas pluviais) ou abertas (rios, canais de irrigação)

48 Condições hidráulicas: CONDIÇÕES HIDRÁULICAS: Transportar as vazões calculadas máximas e mínimas, tanto para início, como final de plano Promover o arraste de sedimentos, garantindo a autolimpeza dos condutos Evitar condições que favorecem a formação de sulfetos (anaerobiose séptica) e desprendimento de gás sulfídrico (condições ácidas)

49 Condições hidráulicas: CONDIÇÕES HIDRÁULICAS: Dimensionamento hidráulico Diâmetro e declividade longitudinal do conduto Máxima altura da lâmina d água garantia do escoamento livre (fixado por norma em 75% do diâmetro, para as redes coletoras) Mínima vazão fixada em 1,5 L/s

50 Condições hidráulicas: DECLIVIDADES MÍNIMA E ECONÔMICA: Declividade mínima: Garantir o deslocamento e o transporte dos sedimentos usualmente encontrados no esgoto, promovendo a autolimpeza dos condutos, em condições de vazões máximas de um dia qualquer, no início do plano; Declividade econômica: Evitar o aprofundamento desnecessário dos coletores.

51 Condições hidráulicas: CÁLCULO DO DIÂMETRO DA REDE COLETORA: Parâmetros geométricos A: área molhada ou área da seção transversal do escoamento P: perímetro molhado (fronteira sólida em contato com o fluido) B: largura na superfície do escoamento (contato com a atmosfera) y: profundidade: altura do líquido acima do fundo do canal Rh: raio hidráulico (razão entre a área molhada e o perímetro molhado) S: declividade de fundo (declividade longitudinal)

52 Condições hidráulicas: CÁLCULO DO DIÂMETRO DA REDE COLETORA: Equação de Manning (escoamento livre): Q = A R 2 3 h I 1 2 n R h = A P Q é a vazão no conduto livre (m³/s); Rh é o raio hidráulico (m); I é a declividade do fundo do canal (m/m) n é o coeficiente de rugosidade de Manning (depende do material de construção das paredes do canal)

53 Condições hidráulicas: Escoamento permanente e uniforme Profundidade, seção molhada, velocidade média e vazão permanecem constantes no conduto Linha de carga (carga piezométrica + carga cinética), superfície livre e o fundo do canal são paralelos 53

54 Tipos de Tratamento Tratamento preliminar (sólidos em suspensão grosseiros) Tratamento primário (sólidos em suspensão sedimentáveis e parte da matéria orgânica) Tratamento secundário (remoção de carga orgânica e eventualmente nutrientes) Tratamento terciário (remoção de carga de nutrientes e poluentes específicos metais pesados, tóxicos) Tratamento e disposição final do lodo Processos Físicos Processos Químicos Processos Biológicos

55 Tipos de Tratamento

56 Tipos de Tratamento

57 Tipos de Tratamento