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Saneamento Ambiental I
1
Universidade Federal do Paraná Engenharia Ambiental
Aula 22 – O Sistema de Esgoto Sanitário: cálculo de vazões e dimensionamento
Profª Heloise G. Knapik
Tratamento de Esgotos
Dimensionamento
Vazão e carga poluidora
Vazão doméstica
Estudos populacio
nais
Consumo médio de
água
Vazão média de
esgoto
Vazão industrial
Vazão de infiltração
Cálculo da rede
Relações dimensionais entre carga e concentração
Equivalente pop.
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
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)
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
• Sistema unitário
• Sistema separador absoluto
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.
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
Tipos de esgotamento sanitário
Esgotos domésticos
Despejos industriais
Águas de infiltração
Origem dos esgotos
Importante analisar de forma separada a origem dos esgotos para a caracterização qualitativa e quantitativa dos esgotos que
chegam à ETE
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
Origem dos esgotos
Vazão de esgotos domésticos:
(1) ESTUDOS POPULACIONAIS
• (a) Índice de atendimento ou cobertura
• (b) Projeção populacional
• (c) População flutuante
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)
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
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)
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
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 < 5.000 90-140
Vila 5.000 – 10.000 100-160
Pequena localidade 10.000 – 50.000 110-180
Cidade média 50.000 – 250.000 120-220
Cidade grande > 250.000 150-300
Origem dos esgotos
Vazão de esgotos domésticos:
(2) CONSUMO MÉDIO DE ÁGUA
Fator de influência Comentário
Disponibilidade de água Em locais de escassez de água o consumo tende a ser menor
Clima Climas mais quentes induzem a um maior consumo
Porte da comunidade Cidades maiores geralmente apresentam maior QPC
Condições econômicas da comunidade
Melhor nível econômico associa-se a maior consumo
Grau de industrialização Localidades industrializadas apresentam maior consumo
Medição do consumo residencial Presença de medição inibe um maior consumo
Custo da água Custo mais elevado reduz o consumo
Pressão da água Elevada pressão no sistema de distribuição induz a maiores gastos
Origem dos esgotos
Vazão de esgotos domésticos:
(2) CONSUMO MÉDIO DE ÁGUA
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
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%
Origem dos esgotos
Vazão de esgotos domésticos:
(3) VAZÃO MÉDIA DE ESGOTOS
Vazão de esgoto doméstico médio:
𝑄𝐷_𝑀𝐸𝐷 =𝑝𝑜𝑝 .𝑄𝑃𝐶 .𝑅
1000 (m³/d)
𝑄𝐷_𝑀𝐸𝐷 =𝑝𝑜𝑝 .𝑄𝑃𝐶 .𝑅
86400 (L/s)
𝑄𝐷_𝑀𝐸𝐷= vazão média de esgotos (m³/d ou L/s); QPC = cota per capita (L/hab.d); R = coeficiente de retorno
Origem dos esgotos
Vazão de esgotos domésticos:
(4) VARIAÇÕES DE VAZÃO – VAZÕES MÁXIMA E MÍNIMA
• Variações horárias/ diárias/ sazonais:
Consumo de água Geração de esgotos
K1 = 1,2 → coeficiente do DIA de MAIOR consumo
K2 = 1,5 → coeficiente da HORA de MAIOR consumo
K3 = 0,5 → coeficiente da HORA de MENOR consumo
Origem dos esgotos
Vazão de esgotos domésticos:
(4) VARIAÇÕES DE VAZÃO – VAZÕES MÁXIMA E MÍNIMA
Vazão máxima
𝑄𝑀𝑎𝑥 = 𝑄𝑀𝑒𝑑 . 𝐾1. 𝐾2 = 1,88 𝑄𝑀𝑒𝑑
Vazão mínima
𝑄𝑀𝑖𝑛 = 𝑄𝑀𝑒𝑑 . 𝐾3 = 0,5 𝑄𝑀𝑒𝑑
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
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.
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)
Origem dos esgotos
• Vazão de esgoto total média
• Somatório das parcelas de esgoto doméstico, industrial e de 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.)
𝑄𝑀𝑒𝑑 = 𝑄𝐷_𝑀𝑒𝑑 + 𝑄𝐼𝑛𝑑_𝑚𝑒𝑑 + 𝑄𝐼𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎çã𝑜
CARGA PER CAPITA:
• Contribuição de cada indivíduo por unidade de tempo (g/hab.dia)
Relações dimensionais entre carga e concentração
VARIÁVEL Carga per capita (g/hab.dia)
REFERÊNCIA Faixa Valor usual
DBO 40.0-60.0 54.4 WHO, 1982
Nitrogênio total 6.0-12.0
Chapra et al., 1997; Von Sperling, 2007
Nitrogênio orgânico 2.5-5.0 2.5
Amônia 3.5-7.0 6.4
Nitrito ≈ 0 0
Nitrato 0-5.0 0.25
Fósforo total 0.7-2.5
Fósforo orgânico 0.2-1.0 0.3
Fósforo inorgânico 0.5-1.5 0.7
CARGA AFLUENTE EM UMA ETE:
• Quantidade de massa por unidade de tempo (kg/dia)
Relações dimensionais entre carga e concentração
Carga = População x Carga per capita
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑘𝑔
𝑑𝑖𝑎=
𝑃𝑜𝑝 ℎ𝑎𝑏 . 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎 (𝑔
ℎ𝑎𝑏. 𝑑𝑖𝑎)
1000 (𝑔𝑘𝑔
)
CARGA AFLUENTE EM UMA ETE:
• Quantidade de massa por unidade de tempo (kg/dia)
Relações dimensionais entre carga e concentração
Carga = Concentração x Vazão
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑘𝑔
𝑑𝑖𝑎=
𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑔/𝑚3 . 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 (𝑚3/𝑑𝑖𝑎)
1000 (𝑔𝑘𝑔
)
g/m³ = mg/L
CONCENTRAÇÃO DE UM DESPEJO:
Relações dimensionais entre carga e concentração
Concentração = Carga / Vazão
𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑔
𝑚³=
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑘𝑔/𝑑𝑖𝑎 . 1000 (𝑔/𝑘𝑔)
𝑉𝑎𝑧ã𝑜 (𝑚³𝑑𝑖𝑎
)
EQUIVALENTE POPULACIONAL:
• Traduz a equivalência entre o potencial poluidor de uma indústria (comumente em termos de matéria orgânica) e uma determinada população.
Relações dimensionais entre carga e concentração
𝐸. 𝑃(ℎ𝑎𝑏) = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝐷𝐵𝑂 𝑑𝑎 𝑖𝑛𝑑ú𝑠𝑡𝑟𝑖𝑎 (
𝑘𝑔𝑑𝑖𝑎
)
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖çã𝑜 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝐷𝐵𝑂 (𝑘𝑔
ℎ𝑎𝑏. 𝑑𝑖𝑎)
EXERCÍCIO – ESTIMATIVA DE VAZÕES E CARGA DE ESGOTO
33
• Rede coletora
• Interceptor
• Emissário
• Estação elevatória
• Sifão invertido
• Estação de tratamento
Partes constituintes de um sistema de esgotamento sanitário:
Partes do sistemas:
• Rede coletora:
• Constituído por ligações prediais, coletores de esgoto e seus órgãos acessórios
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
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
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
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)
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
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.
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.
Partes do sistemas:
• Estação de tratamento de esgoto:
Partes do sistemas:
• Corpo Receptor:
• Qualquer corpo aquático ou solo que recebe o lançamento de esgoto em estágio final
Partes do sistemas:
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
Condições hidráulicas:
Condutos Forçados Condutos Livres
• Pressão diferente da atmosfera
• Tubulações fechadas
• Pressão da atmosférica
• Seções fechadas (esgotos e águas pluviais) ou abertas (rios, canais de irrigação)
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)
Condições hidráulicas:
CONDIÇÕES HIDRÁULICAS:
• 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
Dimensionamento hidráulico
Diâmetro e declividade longitudinal do
conduto
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.
Condições hidráulicas:
CÁLCULO DO DIÂMETRO DA REDE COLETORA:
• Parâmetros geométricos
Condições hidráulicas:
• 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)
CÁLCULO DO DIÂMETRO DA REDE COLETORA:
• Equação de Manning (escoamento livre):
𝑄 =𝐴 ∙ 𝑅ℎ
23 ∙ 𝐼
12
𝑛
𝑅ℎ =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)
Condições hidráulicas:
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
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
Tipos de Tratamento
Tipos de Tratamento
Tipos de Tratamento
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