estudo de concepção de sistema de abastecimento de água
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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA IT178 – SANEAMENTO BÁSICO
PROFESSOR Msc. ALEXANDRE LIOI
GEFERSON ALVES RODRIGUES LUAN CAIO DE ÁGUAS
VANDERSON RODRIGUES ALVES
ESTUDO DE CONCEPÇÃO DE SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA
SEROPÉDICA, MAIO DE 2012
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................ 3
2. ESTUDO POPULACIONAL ........................................................................ 4
3. CÁLCULO DAS VAZÕES ........................................................................... 5
4. ESCOLHA DO MANANCIAL ....................................................................... 6
5. CONCEPÇÃO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA ............... 7
6. PROJETO DOS ELEMENTOS CONSTITUÍNTES DO SISTEMA DE
ABASTECIMENTO DE ÁGUA ............................................................................ 9
6.1. Captação ............................................................................................... 9
6.2. Gradeamento ...................................................................................... 10
6.3. Sedimentação (Desarenadores) ......................................................... 12
6.4. Estações Elevatórias ........................................................................... 13
6.4.1. Estação Elevatória 1 ..................................................................... 14
6.4.2. Estação Elevatória 2 ..................................................................... 16
6.5. Estação de Tratamento de Água (ETA) .............................................. 18
6.5.1. Coagulação .................................................................................. 18
6.5.2. Floculação .................................................................................... 18
6.5.3. Decantação .................................................................................. 20
6.5.4. Filtração ........................................................................................ 21
6.5.5. Reservatórios................................................................................ 21
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ESTUDO DE CONCEPÇÃO DE SISTEMA DE ABASTECIMENTO
DE ÁGUA
1. INTRODUÇÃO
O Tratamento de Água pode ser definido como um conjunto de
processos químicos e físicos aplicados à água, de modo que esta ao final
torne-se apropriada para o consumo, estando livre de resíduos, sujeira,
impurezas, bactérias etc.
Sendo assim, aplicando os conhecimentos adquiridos em sala de aula, o
presente projeto, tem como objetivo realizar o Estudo e o Dimensionamento de
uma Estação de Tratamento de Água (ETA), seguindo todas as etapas
necessárias ao processo, desde o estudo populacional até o dimensionamento
do reservatório de água potável, anterior à distribuição.
A região de interesse corresponde à cidade de Madre de Deus de Minas
no estado de Minas Gerais, com uma área de aproximadamente 494 km² e
uma população em 2010 de 4898 habitantes. No decorrer da apresentação
deste projeto serão expostos cálculos, gráficos, planilhas, ilustrações, entre
outros artifícios, para que ao fim, de forma concisa e clara obtenhamos um
projeto de uma ETA, mesmo que de forma didática, porém atendendo as
necessidades “reais” do município referente.
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2. ESTUDO POPULACIONAL
O estudo da população de uma determinada área (seja de um bairro,
cidade, país, continente ou de todo o globo terrestre) é muito importante para
que se conheçam as necessidades das pessoas que ali vivem. É preciso
conhecer o número de habitantes que vivem na Terra, como se distribuem,
quais são as suas carências, além de uma série de outros aspectos, para que
se possam elaborar projetos de desenvolvimento social e econômico de forma
mais racional e justa para todos.
Neste trabalho, o estudo populacional é destinado para o projeto de um
sistema de abastecimento de água para a população da cidade de Madre de
Deus de Minas - MG para perspectiva de crescimento populacional em um
horizonte de 20 anos.
Sendo assim, o estudo populacional realizado, foi baseado em dados
dos censos do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE).
A Estimativa da população para o horizonte de 20 anos foi feita pelo
método estatístico de regressão linear considerando uma margem de
segurança de 15% utilizando os seguintes dados de censos do IBGE:
Ano População (hab.)
1991 3971
1996 4306
2000 4734
2007 4951
2010 4904
2011 4918
Tabela 2.1: Dados de População – IBGE
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Gráfico 2.1: Curva de Tendência Populacional – Horizonte de 20 anos
A partir da equação gerada pela regressão linear, podemos calcular o
valor da população estimada para o ano de 2032, ou seja, horizonte de 20
anos:
Com a população estimada, somamos os 15% da margem de
segurança:
3. CÁLCULO DAS VAZÕES
Nesta fase de um projeto de estação de tratamento de água, é feito um
estudo das vazões requeridas em cada parte do sistema de distribuição.
A figura 3.1 exemplifica os processos desde a captação, até a rede de
distribuição, nota-se que a vazão calculada é diferente entre duas etapas do
processo, sendo que a vazão de distribuição após o reservatório deve atender
a vazão máxima de projeto já estimada.
y = 46,653x - 88791 R² = 0,8841
3000,0
3500,0
4000,0
4500,0
5000,0
5500,0
6000,0
6500,0
7000,0
1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040
Tendência populacional
População
Linear (População)
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Figura 3.1 – Processo de Abastecimento de Água.
K1: coeficiente do dia de maior consumo = 1,2
K2 = coeficiente da hora de maior consumo = 1,5
Consumo médio diário por habitante: 150L/dia
QETA = 5% da vazão média
Cálculo da Vazão média:
Para um tempo de funcionamento da ETA de 8h. E desconsiderando a
vazão singular (Qs). Obteve-se:
4. ESCOLHA DO MANANCIAL
A escolha do manancial se constitui na decisão mais importante na
implantação de um sistema de abastecimento de água, seja ele de caráter
individual ou coletivo.
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Esta etapa consiste em determinar no manancial o melhor ponto de
captação, ou seja, um local que não seja assoreado, e que não esteja em um
ponto de centro de curva do rio.
Neste trabalho, escolhemos fazer a captação da água bruta no Rio
Grande em um ponto de uma curva do rio mais próxima possível do local
previsto para implantação da Estação de Tratamento de Água (ETA), tendo em
vista que é um rio perene e que atende as necessidades de vazão do projeto.
Coordenada do ponto de captação: UTM Sad69, Fuso 23S (E=568900m,
N=7623911m, Altitude=925m).
Para fins didáticos, consideramos que a água a ser coletada está dentro
das especificações e atende a todos os critérios citados acima.
Figura 4.1: Local de captação da água no Rio Grande.
5. CONCEPÇÃO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA
Um sistema de abastecimento de água deve ser projetado para atender
as necessidades de água potável para o mais extremo dos casos de consumo
da sociedade.
Condições adversas de topografia, quantitativo populacional, estrutura
do local a ser abastecido, além de outros fatores, influenciam no projeto de um
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sistema de abastecimento de água tratada. São esses fatores que serão
considerados nos cálculos de projeto e que mostrarão o que será necessário
para estruturação do sistema.
Neste trabalho o sistema de abastecimento consistirá em 3 glebas de
estruturas:
1- Captação da água bruta, gradeamento, desarenação e estação
elevatória;
2- Adução, ETA (mistura rápida – calha Parshall, mistura lenta, floculação e
decantação) e estação elevatória;
3- Adução e Reservatórios.
Figura 5.1: Representação das glebas de estruturas do sistema de
abastecimento.
Localização da Captação: (E=568900m, N=7623911m, Altitude=925m).
Localização da ETA: (E=568842m, N=7624072m, Altitude=1000m).
Localização do Reservatório mais alto: (E=568784m, N=7624278m,
Altitude=1070m).
Sistema de Coordenadas: Projeção UTM Sad69, Fuso 23S
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Figura 5.2: Esquema do sistema de abastecimento de água
6. PROJETO DOS ELEMENTOS CONSTITUÍNTES DO SISTEMA DE
ABASTECIMENTO DE ÁGUA
6.1. Captação
É a parte do sistema de abastecimento, por meio da qual a água é recolhida
do manancial. Existem dois tipos de captação, superficial e subterrânea, utilizada
de acordo com o manancial explorado.
A estrutura para captação de água para tratamento será feita através de
uma caixa de captação instalada na borda do leito do rio. Foi considerado que o rio
mantém uma vazão relativamente não muito variável ao longo do ano.
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6.2. Gradeamento
Processo que retira corpos de maiores dimensões presentes na massa
líquida através da passagem da água por uma seção dotada de grade. O
mecanismo de gradeamento é dimensionado através de barras justapostas
verticalmente pelo caminho por onde a água deverá passar anterior a fase de
desarenação.
Cálculo da grade
Espaçamento entre as barras:
Espessura das barras:
Considerando uma Vmáx= 1,0 m/s através da grade, espaçamento livre
máximo entre as barras e = 1,5 cm, espessura das barras t = 0,8 cm, obtemos
diversos parâmetros de dimensionamento, eficiência, e outros:
Espaçamento entre as peças horizontais de amarração das barras:
Eficiência da grade:
Área útil da grade:
Área molhada do canal:
Largura do canal:
Considerando a área de escoamento da seção quadrada
√ √
Adotamos
Área molhada do canal (Ac), é a razão entre a área útil da grade e a
eficiência da mesma. Ac = 0,149m2. Como o comprimento do canal (Lc) = √ ,
obtemos um canal de 40 x 40 cm.
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Número de barras para a montagem da grade:
Altura molhada do canal:
Comprimento da Barra:
Largura das barras:
Adotando-se o comprimento de barras Cb = 1m obtemos uma largura
para as barras Lb = 0,25m.
Para obter valores de perda de carga na grade (hf) é necessário o
cálculo da velocidade do fluxo através da grade (Vg) e da velocidade do fluxo
sem a grade (Vc), assim tem-se:
Ângulo de inclinação:
Limpeza manual
Velocidade Máxima Maximorum na Grade (50% de obstrução)
⁄
Velocidade máxima no canal
⁄
Perda de carga máxima na grade
Com estes dados é possível executar todo o dimensionamento do
gradeamento, bem como a obtenção de dados do comportamento hidráulico e
físico do fluido em questão do projeto. Fica imposto que a limpeza do objeto em
questão será de forma manual e com periodicidade regular.
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6.3. Sedimentação (Desarenadores)
Processo em que se promove a retirada de sólidos facilmente
sedimentáveis suspensos na água contida em um recipiente pela simples
combinação da sedimentação das partículas com a retirada da água próximo à
superfície.
Como o manancial de referência revela sedimentação será necessário a
jusante da primeira adução, posterior ao gradeamento a instalação de um
desarenador, com a função de decantar totalmente ou parcialmente o material
sólido em suspensão, e de diferentes granulometrias.
O processo consiste em cálculos de área do desarenador e velocidade
de sedimentação de cada partícula, afim de que este material seja depositado
no fundo do desarenador, não sendo arrastado pelo fluido, para posteriormente
ser retirado. Este procedimento facilita o tratamento de água na estação,
tornando-a mais limpa e diminui a ocorrência de prejuízos aos equipamentos
que manipularão esta água.
A análise física decorre da equação cinemática, do movimento retilíneo
uniforme, onde decompondo as forças vetoriais obtemos valores de
deslocamento horizontal e vertical, entretanto todos esses cálculos não são
confirmados em prática, de modo que se devem considerar aquelas partículas
que sofrerão outras ações que poderão elevá-las novamente, a não
conformidade.
Cálculo das dimensões e propriedades dos desarenadores.
Tamanho da partícula: 0,2mm
⁄
Retenção de 80% do total de partículas
Água a 20°C
Taxa de sedimentação de
⁄
Velocidade de sedimentação:
⁄
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Determinado o diâmetro máximo das partículas que deverão ser
removidas, (ø) de 0,2mm, considerando uma temperatura de T = 25ºC obtemos
a velocidade de sedimentação (Vs) = 0,026 m/s. Pode-se então proceder com
os cálculos necessários para o projeto dos desarenadores.
Cálculo da superfície do desarenador:
Determinação das dimensões horizontais do desarenador:
Adotando
Velocidade máxima
Lâmina de água mínima no desarenador:
Cálculo da velocidade máxima real no escoamento:
Volume diário de sólido de sedimento:
Cálculo da profundidade da câmara de sólidos:
Fazer h para 3 dias.
Cálculo da velocidade de sedimentação das partículas com retenção de 80%:
Determinação do diâmetro das partículas com retenção de 80%:
6.4. Estações Elevatórias
São instalações destinadas a transportar e elevar a água de uma altitude
menos para uma maior. Podem apresentar em sua forma, dependendo de seu
objetivo e importância, variações as mais diversas.
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6.4.1. Estação Elevatória 1
CaptaçãoETA
= ⁄ =
⁄ = ⁄
(
)
√ (
)
√
Diâmetro das tubulações comerciais: 100mm e 125mm.
⁄
⁄
⁄
⁄
Altura manométrica:
,
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Figura 6.1: Catálogo da bomba KSB 40-250, 3500rpm
Utilizando o catálogo do fabricante KSB, a bomba escolhida foi a KSB
40-250 de 3500rpm com rendimento de 56% e 238.
Potência instalada:
⁄
⁄
com folga de 10%.
A bomba 1 trabalhará fora do ponto de projeto.
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6.4.2. Estação Elevatória 2
ETAReservatório 1
= ⁄ =
⁄ = ⁄
(
)
√ (
)
√
Diâmetro das tubulações comerciais: 100mm e 125mm.
⁄
⁄
⁄
⁄
Altura manométrica:
,
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Figura 6.2: Catálogo da bomba KSB 40-200, 3500rpm
Utilizando o catálogo do fabricante KSB, a bomba escolhida foi a KSB
40-200 de 3500rpm com rendimento de 65,8% e 209.
A bomba 2 trabalhará fora do ponto de projeto.
Potência instalada:
⁄
⁄
com folga de 10%.
A próxima etapa consiste em determinar o dimensionamento da ETA,
local onde a água captada e bombeada será tratada.
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6.5. Estação de Tratamento de Água (ETA)
6.5.1. Coagulação
O processo de coagulação é a primeira etapa de uma ETA, consiste em
aglomerar as impurezas que se encontram em suspensões finas (turbidez,
bactérias, etc.) ou em estado coloidal (ferro, manganês, emulsões CO2, etc.),
de modo que possam ser removidas posteriormente pelo processo de
decantação.
Tal processo é definido como sendo de mistura rápida, uma vez que o
composto químico coagulante deve em poucos segundos, ser uniformemente
distribuído por toda a massa fluída, a fim de que devido à agitação mecânica
intensa, as partículas se aglutinem tornando-se maiores, facilitando o processo
de sedimentação.
Para este projeto, a mistura rápida dará por meio de uma Calha Parshall,
onde abaixo são apresentados os cálculos e dimensões do modelo da calha.
Para a vazão de projeto, o modelo da calha escolhida tem as seguintes
características:
Lâmina d’água na seção de medição do Parshall:
Perda de carga (H)
6.5.2. Floculação
Conhecido também como fase de mistura rápida, o processo de
floculação é sempre subsequente ao processo de coagulação, este consiste na
aglomeração das partículas já coaguladas em forma de blocos de flocos, de
modo que facilite a decantação na etapa seguinte do Tratamento de Água.
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Nesta etapa o gradiente de velocidade (G) da água deve ser inferior ao
estimado para a coagulação, para que os flocos já formados não se
desintegrem, este gradiente deve ser pequeno, entretanto suficiente para
manter o contato entre os coágulos. É recomendável que ao longo do processo
(G) seja decrescente para que primeiramente ocorra o aumento do material
coagulado e a seguir com a diminuição deste, haja a complementação do
processo. Uma vez que a literatura indica utilizar valores de (G) entre 70 s-1 e
10 s-1, juntamente com um tempo de retenção (T) variando de 15 a 25 minutos,
adotou-se para o presente os seguintes valores:
Tempo de retenção: t = 25 minutos
Número de unidades: 4 floculadores em série
Gradientes de velocidade (G)
Dimensionamento dos tanques de Floculação
Volume útil:
Adotando a base de 2m
Altura útil:
Como o gradiente de velocidade sofreu variações, o floculador foi
dividido em quatro setores, assim cada setor possui um tempo de retenção de
330s e um volume útil de V=12,03 m³. Para o tanque estabeleceu-se uma base
quadrada de comprimento L=2m, com isso a altura útil do tanque corresponde
a H=3m.
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6.5.3. Decantação
A decantação é o processo pelo qual se verifica a deposição das
partículas floculadas pela ação da gravidade, é uma das etapas de clarificação
de água mais utiliza. Nesta fase, quanto maior a velocidade de sedimentação,
menor é o tempo de residência requerido para a água, assim parâmetros como
densidade e principalmente o diâmetro da partícula, estarão relacionados a
uma alta ou baixa velocidade de sedimentação.
Uma melhor eficiência do processo é atingida quando se alcançam
valores de velocidade de sedimentação altos, para tal é necessário um estudo
aprofundado sobre decantadores, onde características físicas, e geométricas
são de suma importância, a exemplo a escolha da melhor geometria do tanque,
o sentido de fluxo do fluido, considerações acerca de remoção e limpeza do
lodo sedimentado e outros. Para o proposto alguns estudos foram
condensadas, outrora não realizados, ficou fixado uma relação dimensional
⁄ , caracterizando a ETA como pequeno porte e operação deficiente,
uma taxa de escoamento superficial de 30 m³/m².d , um tempo de retenção de
2,5h.
Velocidade de escoamento: 0,006m/s a 0,008m/s
O fundo do decantador deverá conter uma declividade de 4% para se terem
poços de lodo.
Cada poço conterá uma descarga no fundo.
Diâmetro de cada descarga: 200mm
Área superficial total de decantação
Largura de cada unidade:
(
)
(
)
Comprimento de cada unidade:
Profundidade da zona de sedimentação:
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Uma área superficial retangular do decantador foi calculada
A=35m², e as dimensões alcançadas foram para a base B=3,415m e
comprimento L=10,25m. Através do volume V=110m³, projetou-se a altura do
tanque equivalente a H=3,50m.
6.5.4. Filtração
Esta é a ultima etapa dotada de processos físicos de purificação de uma
ETA, anterior a desinfecção bactericida. A água proveniente da parte superior
do tanque de decantação transcorre por um leito filtrante geralmente formado
por camadas de areia, carvão e cascalho de diversas gramaturas, de modo que
as partículas em suspensão sejam retidas nas camadas no sentido
descendente, produzindo um efluente mais limpo.
Considerando o método de filtragem rápida, a taxa de aplicação adotada
Tx = 60 m³/m².d e padronizando o número de filtros para três tanques,
podemos realizar os cálculos necessários:
Área do filtro:
Comprimento do filtro:
√ √
Define-se então, para cada filtro, uma área de 6 m². Sendo assim as
dimensões serão de uma base quadrada de comprimento L=2,45m. Ressalta-
se a importância do controle do nível de água dos filtros pelo controle de
entrada da vazão decantada, e a periodicidade de lavagem dos mesmos.
6.5.5. Reservatórios
A fim de possibilitar a disponibilidade de água para a população ao longo
de todo o dia, visto que a ETA trabalhará apenas 8 horas por dia, a disposição
de reservatórios é indispensável para que isso ocorra.
Sendo assim, o sistema de abastecimento de água conta com uma rede
de 3 reservatórios, sendo um primeiro no topo de um morro (altitude de 1070m)
próximo a cidade que atenderá 50% da população, um segundo em uma região
em outra parcela da cidade (altitude de 1030m) que atenderá outros 25% da
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população e um terceiro em uma região mais baixa da cidade (altitude de
990m) que atenderá os 25% restantes da população.
A disposição de 3 reservatórios distribuídos pela cidade é pura e
simplesmente para regularizar a pressão estática na tubulação residencial,
sendo que essa não pode passar de 50mca.
Logo, com esses critérios estabelecidos, podemos calcular as
dimensões e capacidades dos reservatórios.
Capacidade total dos 3 reservatórios juntos:
Fracionando essa capacidade em 3 reservatórios:
Reservatório 1: 117,5m³
Reservatório 2: 58,75m³
Reservatório 3: 58,75m³
Serão reservatórios do tipo apoiado cilíndricos com as seguintes dimensões:
Reservatório 1
Raio: 3,5m
Altura: 3,0m
Reservatório 2
Raio: 2,5m
Altura: 3,0m
Reservatório 3
Raio: 2,5m
Altura: 3,0m