sistemas de drenagem de águas residuais sob vácuo · sistemas de drenagem de águas residuais sob...
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Sistemas de drenagem de águas residuais sob vácuo
Yohann David Leboeuf
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Mestrado Integrado em Engenharia Civil
Orientador: Prof. José Manuel de Saldanha Gonçalves Matos
Júri
Presidente: Prof. António Alexandre Trigo Teixeira
Orientador: Prof. José Manuel de Saldanha Gonçalves Matos
Vogal: Profª. Filipa Maria Santos Ferreira
Novembro 2015
Resumo
Os sistemas de drenagem de águas residuais sob vácuo são sistemas não convencionais que se
caracterizam por uma rede de coletores, em regra de pequeno diâmetro, em que o escoamento é
garantido através de diferenciais de pressão com emulsão de ar e água. O transporte das águas
residuais por intermédio do vácuo possibilita que a rede de coletores tenha troços ascendentes e
descendentes, permitindo que o perfil acompanhe o andamento natural do terreno, o que diminui
consideravelmente os volumes de escavação. A rede de coletores é composta, em regra, por tubagens
de PVC de pequeno diâmetro e permite que o investimento inicial deste tipo de soluções possa ser
inferior ao de uma solução gravítica. Em terrenos planos, permitem uma redução do número de
estações elevatórias, podendo traduzir-se numa melhor eficiência energética. Do ponto de vista
ambiental, estas soluções também garantem a não infiltração das águas residuais evitando eventuais
riscos de contaminação dos solos. Esta dissertação pretende contribuir para a divulgação e discussão
desta tecnologia, apresentando as suas condições de aplicação, modo de funcionamento, princípios
de dimensionamento e exemplos de aplicação. Estes sistemas têm grande potencial de aplicação em
Portugal, em particular nas zonas ribeirinhas, como foi objeto de análise no caso de estudo apresentado
sobre a aplicação de um sistema sob vácuo na frente ribeirinha Algés-Alcântara, em Lisboa.
Palavras-Chave: vácuo, sistemas não convencionais, drenagem, águas residuais, válvulas de
interface, estação de vácuo
Abstract
Vacuum sewer systems are non-conventional systems characterized by a network, tipically of small
diameter collectors, in which flow occurs due to pressure differentials with air/water emulsion.
Wastewater transportation using vacuum systems enables the existence of ascending and descending
stretches in the networks, allowing its outline to follow the natural profile of the terrain, which reduces
considerably the excavation volumes. The collector network is constituted by small diameter PVC pipes,
which, together with the reduction of the excavation volumes, allows that the initial investment in these
types of solutions is inferior to what it would be in a gravity solution. In plain areas, these allow the
reduction in the number of necessary pumping stations, which can be translated into a better energy
efficiency. From the environmental point of view, these solutions ensure that wastewater does not
infiltrate, thus avoiding the risk of soil contamination. This thesis aims to disseminate this technology,
presenting its application conditions, operation method, design principles and application examples in
Portugal, particularly in riverfront areas, as it was analysed in the case study here presented, that studies
the application of a vacuum sewer system in the Algés-Alcântara riverfront, in Lisbon.
Keywords: vacuum, non-conventional systems, drainage, wastewater, vacuum valve, vacuum station
Agradecimentos
Dedico esta dissertação aos meus avós e em especial ao meu avô Amadeu Abreu, que sempre me
incentivou, inspirou e ajudou para que este desfecho fosse possível.
Agradeço aos meus pais pela educação que me deram e por todo o esforço que fizeram para que
pudesse ter a melhor formação possível. Também quero deixar o meu agradecimento à Ana Rosa que
sempre me apoiou e deu forças para ultrapassar as dificuldades.
Quero deixar o meu reconhecimento e agradecimento ao Prof. José Saldanha Matos pelo
acompanhamento na realização desta dissertação, pela transmissão de conhecimentos e pela
confiança depositada. Agradeço também ao representante da FLOVAC em Portugal, o Eng.º Hugo
Marques, pela sua disponibilidade em realizar a visita ao sistema de drenagem sob vácuo da Herdade
da Aroeira e pelas informações e esclarecimentos prestados.
Por último, gostaria de agradecer a todos os meus colegas que me acompanharam ao longo do meu
percurso académico e que tornaram esta caminhada muito mais agradável.
i
Índice do texto
1. Introdução ..................................................................................................................................... 1
1.1. Enquadramento e apresentação do tema ........................................................................... 1
1.2. Objetivo e estrutura da dissertação ..................................................................................... 2
2. Descrição dos sistemas de drenagem de águas residuais sob vácuo ........................................ 3
2.1. Enquadramento geral .......................................................................................................... 3
2.2. Apresentação dos sistemas de drenagem de águas residuais sob vácuo ......................... 4
2.3. Componentes do sistema .................................................................................................... 6
2.3.1. Dispositivo de interface .................................................................................................. 7
2.3.2. Rede de coletores ........................................................................................................ 10
2.3.3. Estação de vácuo ........................................................................................................ 12
2.4. Princípio de funcionamento ............................................................................................... 14
2.5. Operação e manutenção dos sistemas ............................................................................. 16
2.5.1. Operação do sistema e apoio técnico ......................................................................... 16
2.5.2. Manutenção e monitorização do sistema .................................................................... 17
3. Critérios de dimensionamento ....................................................................................................21
3.1. Dimensionamento hidráulico ............................................................................................. 21
3.1.1. Caudais de projeto ....................................................................................................... 21
3.1.2. Verificação hidráulica ................................................................................................... 25
3.2. Implantação da rede de coletores ..................................................................................... 31
3.2.1. Considerações gerais .................................................................................................. 31
3.2.2. Traçado em planta ....................................................................................................... 32
3.2.3. Traçado em perfil ......................................................................................................... 33
3.3. Dimensionamento da estação de vácuo ........................................................................... 38
3.3.1. Considerações gerais .................................................................................................. 38
3.3.2. Grupos de bombagem de águas residuais .................................................................. 38
3.3.3. Bombas de vácuo ........................................................................................................ 39
3.3.4. Reservatório de águas residuais com reserva de vácuo............................................. 41
4. Conceção de sistemas ...............................................................................................................43
4.1. Metodologia ....................................................................................................................... 43
4.1.1. Recolha e análise de informação de base .................................................................. 43
4.1.2. Determinação de parâmetros de projeto ..................................................................... 44
4.1.3. Traçado preliminar da rede .......................................................................................... 45
4.1.4. Verificação hidráulica e dimensionamento da estação de vácuo ................................ 46
4.2. Desenvolvimento de instrumentos de cálculo ................................................................... 47
4.2.1. Enquadramento geral .................................................................................................. 47
4.2.2. Instrumento para verificação hidráulica do sistema sob vácuo ................................... 47
4.2.3. Instrumento para o pré-dimensionamento dos órgãos da estação de vácuo ............. 50
ii
5. Aplicação ao caso de estudo do sistema Algés - Alcântara ......................................................53
5.1. Apresentação do caso de estudo ...................................................................................... 53
5.1.1. Enquadramento geral .................................................................................................. 53
5.1.2. Deficiências do sistema existente ................................................................................ 54
5.1.3. Solução de sistema sob vácuo .................................................................................... 56
5.2. Conceção e pré-dimensionamento do sistema ................................................................. 56
5.2.1. Descrição do sistema .................................................................................................. 56
5.2.2. Caudais de projeto ....................................................................................................... 57
5.2.3. Verificação hidráulica ................................................................................................... 58
5.2.4. Dimensionamento da estação de vácuo ..................................................................... 64
5.3. Estimativa de custos e discussão de resultados ............................................................... 66
5.3.1. Estimativa de custos .................................................................................................... 66
5.3.2. Discussão de resultados .............................................................................................. 70
6. Conclusão ...................................................................................................................................71
Referências bibliográficas ....................................................................................................................73
Anexos
Peças desenhadas
iii
Índice de figuras
Figura 2.1 – Esquema de um sistema tipo de drenagem de águas residuais sob vácuo (adaptada de
Read, 2004) ............................................................................................................................................. 4
Figura 2.2 – Esquema de comparação entre um sistema gravítico e um sistema de drenagem sob vácuo
(adaptada de Roediger Vacuum) ............................................................................................................ 6
Figura 2.3 – Dispositivo de interface comercializado pela AIRVAC (à esquerda), ROEVAC (ao centro)
e FLOVAC (à direita) ............................................................................................................................... 7
Figura 2.4 – Configuração em planta de poços domiciliários com 1, 2 e 4 ligações gravíticas (adaptada
de EPA,1991) .......................................................................................................................................... 8
Figura 2.5 – Esquema de depósito de armazenamento e amortecimento - planta e corte (adaptada de
EPA,1991) ............................................................................................................................................... 9
Figura 2.6 – Localização das tomadas de ar (adaptada de FLOVAC, 2014) ....................................... 10
Figura 2.7 – Perfis tipo de traçado de coletores (adaptada de EPA, 1991) .......................................... 11
Figura 2.8 – Representação em planta de uma estação de vácuo-tipo (adaptada de Read, 2004) .... 12
Figura 2.9 – Afluência de água residual ao poço domiciliário (adaptada de Read, 2004) ................... 14
Figura 2.10 – Abertura da válvula e admissão do efluente (adaptada de Read, 2004) ....................... 15
Figura 2.11 – Entrada de ar no sistema e fecho da válvula (adaptada de Read, 2004) ...................... 15
Figura 2.12 – Condições de escoamento nos coletores (adaptada de FLOVAC, 2014) ...................... 16
Figura 3.1 - Comparação de vários métodos de cálculo do fator de ponta .......................................... 23
Figura 3.2 - Representação esquemática dos níveis de vácuo para o funcionamento do sistema
(adaptada de AIRVAC) .......................................................................................................................... 25
Figura 3.3 – Representação esquemática da determinação da perda de carga localizada segundo a
EPA (1991) ............................................................................................................................................ 29
Figura 3.4 – Comparação das diversas metodologias de cálculo das perdas de carga localizadas para
o cenário 1 (D=100 mm; h=0,30 m) ...................................................................................................... 30
Figura 3.5 – Comparação das diversas metodologias de calcula das perdas de carga localizadas para
o cenário 2 (D=200 mm; h=0,50 m) ...................................................................................................... 30
Figura 3.6 – Exemplo esquemático do traçado de uma rede de drenagem de águas residuais
sob vácuo .............................................................................................................................................. 32
Figura 3.7 – Representação esquemática de uma ligação ao coletor principal ................................... 35
Figura 3.8 – Ângulo de ligação ao coletor principal (adaptada de NP EN1091:2000) ......................... 36
Figura 3.9 – Representação esquemática de uma ligação ao coletor principal ................................... 37
Figura 3.10 – Comparação dos métodos de cálculo da capacidade dos grupos de vácuo
(Qdim= 9,11 L/s) ...................................................................................................................................... 40
Figura 4.1 – Considerações sobre a localização da estação de vácuo ................................................ 45
Figura 4.2 – Configuração da interface de verificação hidráulica ......................................................... 48
Figura 4.3 – Descrição da folha 1 da interface de verificação hidráulica .............................................. 49
Figura 4.4 – Descrição da folha 2 da interface de verificação hidráulica .............................................. 49
Figura 4.5 – Configuração da interface de pré-dimensionamento dos órgãos da estação de vácuo .. 50
iv
Figura 4.6 – Descrição da interface de dimensionamento da estação de vácuo ................................. 50
Figura 5.1 – Localização da área em estudo (zona a amarelo) ............................................................ 53
Figura 5.2 – Sistema intercetor com indicação das bacias intercetadas e zona não intercetada
(vermelho).............................................................................................................................................. 55
Figura 5.3 – Ilustração de algumas das descargas presentes na zona em estudo .............................. 55
Figura 5.4 – Planta de implantação do sistema de drenagem sob vácuo da zona ribeirinha Algés –
Alcântara................................................................................................................................................ 57
Figura 5.5 – Planta de implantação do coletor principal - linha I .......................................................... 59
Figura 5.6 – Planta de implantação do coletor principal - linha II ......................................................... 59
Figura 5.7 – Perfil longitudinal do coletor principal - linha I ................................................................... 60
Figura 5.8 – Perfil longitudinal do coletor principal - linha II ................................................................. 62
Figura 5.9 – Resultados de pré-dimensionamento de componentes da estação de vácuo ................. 65
Figura 5.10 – Representação esquemática da estação de vácuo e ligação ao sistema intercetor ...... 66
Figura 5.11 – Planta de enquadramento das soluções propostas na área de estudo no PGDL (2007)
............................................................................................................................................................... 68
Figura 5.12 – Representação esquemática da solução proposta para a bacia KA e KB (a vermelho) 68
Figura 5.13 – Representação esquemática da solução proposta para a bacia KCD (a vermelho) ...... 68
Índice de quadros
Quadro 3.1 – Fator bifásico, β, obtido através da metodologia da AIRVAC (adaptado de
DIAS, 2000) ........................................................................................................................................... 28
Quadro 3.2 – Altura recomendada dos degraus de elevação em função do diâmetro da tubagem
(adaptado de EPA, 1991) ...................................................................................................................... 28
Quadro 3.3 – Valores do coeficiente k em função da relação ar/água residual segundo Averill e
Heinke (1974) ........................................................................................................................................ 29
Quadro 3.4 – Critérios de traçado dos coletores principais (adaptado de EPA, 1991) ........................ 33
Quadro 3.5 – Critérios de determinação dos declives dos coletores principais (adaptado de
EPA, 1991) ............................................................................................................................................ 34
Quadro 3.6 – Declive a adotar em função da distância entre degraus, para troços com perfil em “dente
de serra” (adaptado de EPA, 1991) ...................................................................................................... 34
Quadro 3.7 – Caudais máximos recomendados e absolutos para os vários diâmetros (adaptado de
AIRVAC, 2005) ...................................................................................................................................... 34
Quadro 3.8 – Número máximo de habitações servidas para cada diâmetro do coletor (adaptado de
EPA, 1991) ............................................................................................................................................ 35
Quadro 3.9 – Requisitos de dimensionamento para inclusão de degraus de elevação em tubagens com
ligação ao coletor principal (adaptado de EPA, 1991) .......................................................................... 36
Quadro 3.10 – Valores do coeficiente A (adaptado de EPA, 1991) ...................................................... 40
Quadro 3.11 – Valores do coeficiente A (adaptado de WEF, 2008) ..................................................... 40
v
Quadro 3.12 – Valores de V0 e Vrar para ciclos de bombagem de 15 min a Qmin para vários fatores de
ponta ...................................................................................................................................................... 42
Quadro 5.1 – Principais características do sistema de drenagem sob vácuo ...................................... 57
Quadro 5.2 – Verificação hidráulica para dimensionamento da Linha I ............................................... 61
Quadro 5.3 – Verificação hidráulica para dimensionamento da Linha II .............................................. 63
Quadro 5.4 – Escolha dos grupos eletrobomba e das bombas de vácuo ............................................ 64
Quadro 5.5 – Estimativa de custos da implantação do sistema de drenagem sob vácuo ................... 67
Quadro 5.6 – Características principais da solução de drenagem gravítica ......................................... 69
Quadro 5.7 – Estimativa de custos da implantação do sistema de drenagem convencional ............... 69
Quadro 5.8 – Comparação da estimativa de custos dos vários componentes ..................................... 70
vi
Índice de anexos Anexo 1 – Visita de estudo ao sistema de drenagem sob vácuo no empreendimento turístico e campo
de golfe da Aroeira, em Almada ............................................................................................................... I
Anexo 2 – Valores utilizados para o cálculo de NPSH .......................................................................... IX
Anexo 3 – Valores de referência para estimativa dos caudais de águas residuais ................................ X
Anexo 4 – Sistema interceptor do sistema de Alcântara ....................................................................... XI
Anexo 5 – Listagem dos equipamentos e serviços presentes na área de estudo ............................... XIII
Anexo 6 – Estimativa das populações equivalentes associadas aos equipamentos da zona ribeinha
Algés-Alcântara .................................................................................................................................... XIV
Anexo 7 – Ficha técnica das bombas elevatórias ................................................................................ XVI
Índice de figuras em anexo Figura A1.1 – Planta de implantação do sistema de esgoto por vácuo na herdade da Aroeira .............. I
Figura A1.2 – Exemplo de um poço de recolha e sistema de interface ................................................. III
Figura A1.3 – Câmara com 2 válvulas de interface e uma tomada extra de ar ..................................... IV
Figura A1.4 – Elevação com perfil em "dente de serra" ........................................................................ IV
Figura A1.5 – Exterior da estação de vácuo ........................................................................................... V
Figura A1.6 – Reservatório de águas residuais com reserva de vácuo ................................................ VI
Figura A1.7 – Bombas de águas residuais ............................................................................................ VI
Figura A1.8 – Bombas de vácuo ligadas ao reservatório ..................................................................... VII
Figura A1.9 – Poço para libertação de gases preenchido com casca de pinheiro ............................... VII
Figura A1.10 – Painel de controlo da estação de vácuo ...................................................................... VIII
Figura A2.1 – Representação esquemática das várias grandezas (com os respectivos valores típicos)
intervenientes no cálculo do NPSHdisp (adaptada de AIRVAC) ............................................................. IX
Figura A4.1 – Planta do sistema interceptor da frente ribeirinha Algés-Alcântara ................................ XI
Figura A4.2 – Representação esquemática do sistema interceptor da frente ribeirinha Algés – Alcântara
................................................................................................................................................................ XI
Figura A4.3 – Planta dos sistemas interceptores da frente ribeirinha Terreiro do Trigo – Cais do Sodré
e Cais do Sodré – Alcântara.................................................................................................................. XII
Figura A4.4 – Representação esquemática dos sistemas interceptores da frente ribeirinha Terreiro do
Trigo – Cais do Sodré e Cais do Sodré - Alcântara .............................................................................. XII
Figura A7.1 – Ficha técnica das bombas elevatórias da estação de vácuo (AQR/80-1-200 50Hz) .... XVI
Figura A7.2 – Ficha técnica das bombas de vácuo (MM 1502 AV 50Hz)…………………….………….XVII
vii
Índice de quadros em anexo Quadro A2.1 – Valores típicos das grandezas envolvidas no cálculo do NPSHdisp ............................... IX
Quadro A3.1 – Valores de referência para estimativa de caudais de águas residuais gerados por
equipamentos e serviços [adaptado de Metcalf (2003) e Walski (2004)] ............................................... X
Quadro A3.2 – Valores de referência para estimativa de caudais de águas residuais gerados por
infraestruturas classificadas do tipo industrial [adaptado de Metcalf (2003) e Walski (2004)] ............... X
Quadro A6.1 – Estimativa dos equivalentes populacionais associados a cada equipamento ............ XIV
Índice de peças desenhadas DES01 – Planta do traçado da rede de drenagem sob vácuo (1/3)
DES02 – Planta do traçado da rede de drenagem sob vácuo (2/3)
DES03 – Planta do traçado da rede de drenagem sob vácuo (3/3)
DES04 – Perfil longitudinal do coletor principal – Linha I
DES05 – Perfil longitudinal do coletor principal – Linha II
ix
Simbologia
Lista de acrónimos
Sigla Descrição
CML Câmara Municipal de Lisboa
EE Estação Elevatória
EN Norma Europeia (European Norm)
EPA Environmental Protection Agency
ETAR Estação de Tratamento de Águas Residuais
EV Estação de Vácuo
FNDAE Fonds National pour le Développement des Adductions d'Eau
H2S Sulfureto de hidrogênio
IPQ Instituto Português da Qualidade
NP Norma Portuguesa
PEAD Polietileno de Alta Densidade
PGDL Plano Geral de Drenagem de Lisboa
PVC Policloreto de vinilo
TDH Carga Dinâmica Total (Total dynamic head)
WEF Water Environment Federation
x
Lista de símbolos
Símbolo Descrição Dimensões
A/E Relação ar/efluente do escoamento bifásico [-]
b Fator bifásico do escoamento [-]
C Coeficiente de rugosidade [-]
Cap Capitação do consumo de água [L3.hab-1.T-1)]
D Diâmetro interno [L]
Dext Diâmetro exterior [L]
fa Fator de afluência à rede de drenagem [-]
fp Fator de ponta [-]
h Altura dos degraus de elevação [L]
ha pressão na superfície do líquido [L]
hav Altura geométrica de aspiração [L]
HCi Perda de carga contínua num troço i [L]
hf Perda de carga por atrito na conduta de aspiração [L]
HLj Perda de carga localizada numa singularidade j [L]
HT Perda de carga total [L]
hvap Pressão absoluta do vapor da água residual à temperatura de bombagem
[L]
J Perda de carga unitária [-]
Li Comprimento do troço i [L]
Lmax Comprimento do coletor mais extenso [L]
N Número de fogos servidos pelo sistema [fogos]
NPSHdisp Carga absoluta útil na aspiração disponível (na instalação) [L]
NPSHreq Carga absoluta útil na aspiração exigida (pela bomba) [L]
P População [hab]
Q Caudal [L3T-1]
Qb Caudal de bombagem das águas residuais [L3T-1]
Qbv Capacidade do grupo de vácuo [L3T-1]
xi
Qcom Caudal de águas residuais de comercio e serviços [L3T-1]
Qdim Caudal de dimensionamento [L3T-1]
Qind Caudal de águas residuais industriais [L3T-1]
Qm Caudal médio diário [L3T-1]
Qmax Caudal diário máximo afluente à estação de vácuo [L3T-1]
Qmin Caudal diário mínimo afluente à estação de vácuo [L3T-1]
RCmin Raio mínimo de curvatura [L]
t Tempo de recuperação dos níveis de vácuo no sistema [T]
V0 Volume útil do reservatório [L3]
Vmax Nível máximo de vácuo no reservatório [L]
Vrar Volume para o armazenamento das águas residuais [L3]
Vres Volume do reservatório de recolha de águas residuais [L3]
Vrv Volume para reserva de vácuo [L3]
Vtotal Vácuo mínimo disponível junto à estação de vácuo [ML-1T-2]
Vtransp Vácuo disponível para o transporte das águas residuais [ML-1T-2]
Vval Vácuo necessário para operação das válvulas de vácuo [ML-1T-2]
1
1. Introdução
1.1. Enquadramento e apresentação do tema Os sistemas de drenagem convencionais gravíticos, devido ao facto de serem regidos por princípios
elementares da lei da gravidade, são os sistemas mais antigos e os mais utilizados atualmente em todo
o mundo.
Aquando da conceção de novos sistemas de drenagem, a prática comum tem levado à adoção
sistemática de sistemas gravíticos, mesmo em situações em que estes demonstram ser muito pouco
eficientes, como é o caso, por exemplo, em terrenos muito planos ou muito acidentados que exigem o
recurso a várias estações elevatórias para que o escoamento nos trechos restantes possa ser gravítico.
Nos últimos 50 anos, os sistemas não convencionais de drenagem, em particular, os sistemas de
drenagem de águas residuais sob vácuo, conheceram um grande desenvolvimento, sobretudo nos
Estados Unidos da América, onde foram instalados, até hoje, cerca de 250 sistemas. Estes sistemas
não convencionais apresentam-se como uma alternativa aos sistemas de drenagem convencionais,
podendo, nalguns casos, constituir uma solução de menor custo.
Os sistemas de drenagem sob vácuo consistem em sistemas mecanizados onde o escoamento das
águas residuais se processa através de diferenciais de pressão, com emulsão de ar e água. O sistema
é composto por poços domiciliários onde afluem graviticamente as águas residuais provenientes das
habitações; uma rede de coletores de pequeno diâmetro totalmente estanque; uma estação de vácuo
onde se encontram bombas de vácuo que permitem a manutenção dos níveis de vácuo na rede de
coletores. Os poços domiciliários são equipados com válvulas de interface que, estando normalmente
fechadas, permitem selar o sistema e garantir a manutenção dos níveis de vácuo no interior do mesmo
e, quando é atingido um determinado volume de efluente, estas são acionadas e permitem a sucção
das águas residuais para o interior do sistema. As águas residuais são transportadas através da rede
de coletores até a estação de vácuo, onde são armazenadas e, posteriormente, encaminhadas para
estação de tratamento ou outro destino final.
Apesar dos sistemas sob vácuo, nalgumas situações, não revelarem ser a solução de drenagem mais
económica, estes têm muitas vezes sido utilizados por se tratar de uma opção com grandes vantagens
do ponto de vista ambiental. Para além do sistema ser completamente estanque, na eventualidade de
ocorrer uma rotura, o facto do escoamento ser sob vácuo garante que não haja fuga do efluente e
permite assim que estes sistemas sejam aplicados em zonas sensíveis, por exemplo em zonas
próximas de aquíferos que servem como origem de abastecimento de água, onde os sistemas
convencionais não devem ser implantados.
O grande desenvolvimento destes sistemas e a sua aplicação em diversos países espalhados pelo
mundo permitiram uma grande evolução destes sistemas, aumentando os níveis de conhecimento,
2
eficiência e fiabilidade. Em Portugal, já se registam três casos de aplicação. No entanto, estes sistemas
ainda são muito pouco conhecidos e pouco utilizados. Existem ainda muitas regiões que apresentam
condições muito favoráveis à implementação destes sistemas. Um pouco por todo o país, é possível
encontrar aglomerados populacionais cujas características de ocupação demográfica, topográficas e
geológicas dos terrenos permitem a aplicação destes sistemas. Atendendo às vantagens que estes
sistemas apresentam na sua aplicação em terrenos planos e com níveis freáticos elevados, estima-se
que tenham um grande potencial de aplicação no litoral português, como por exemplo no Algarve, onde
já existe um caso de aplicação na praia da Rocha, em Portimão.
1.2. Objetivo e estrutura da dissertação Esta dissertação tem como objetivo dar a conhecer e discutir as potencialidades, o modo de
funcionamento, os princípios de dimensionamento e domínios de aplicação dos sistemas de drenagem
de águas residuais sob vácuo.
O trabalho é composto por 6 capítulos, 7 anexos e 5 peças desenhadas.
O capítulo 2 visa apresentar os sistemas de drenagem sob vácuo, descrevendo o princípio de
funcionamento, campos de aplicação e potencialidades de aplicação. Apresentam-se as várias
componentes que constituem estes sistemas e descrevem-se as principais tarefas de operação e
manutenção.
No capítulo 3, discutem-se os critérios de dimensionamento hidráulico, apresentam-se os critérios de
traçado em planta e em perfil da rede de coletores e definem-se os critérios de dimensionamento dos
vários órgãos que constituem a estação de vácuo.
No capítulo 4 descrevem-se as diferentes fases envolvidas no processo de dimensionamento do
sistema. Apresentam-se, também, instrumentos de cálculo que foram desenvolvidos no sentido de
automatizar e facilitar os cálculos envolvidos no dimensionamento do sistema.
No capítulo 5 é apresentado um caso de estudo em que se exemplifica as potencialidades da aplicação
de um sistema de drenagem sob vácuo na frente ribeirinha Algés-Alcântara, em Lisboa.
Finalmente, no capítulo 6, é feita uma síntese geral do trabalho e apresentam-se as principais
conclusões e considerações finais.
3
2. Descrição dos sistemas de drenagem de águas residuais sob vácuo
2.1. Enquadramento geral O conceito de recolha e transporte de águas residuais por vácuo foi formulado e patenteado no século
XIX mas foi só a partir do final dos anos 60 que as aplicações de sistemas de drenagem sob vácuo
conheceram um grande desenvolvimento. A empresa AIRVAC foi uma das pioneiras na aplicação desta
tecnologia e é a grande responsável pela sua industrialização e desenvolvimento.
Ao longo destes anos, através do conhecimento e da experiência adquirida na exploração dos sistemas
em funcionamento, foram feitos sucessivos melhoramentos ao nível da conceção, construção e
exploração dos sistemas e das suas componentes.
O processo de funcionamento e o grande desenvolvimento dos sistemas deveu-se à atividade da
empresa AIRVAC, líder no mercado dos sistemas de drenagem sob vácuo a nível mundial até o início
dos anos 2000. Atualmente existem novos concorrentes, dos quais é possível destacar a ROEDIGER
e a FLOVAC que são duas das empresas com maior representatividade no mercado europeu, estando
a AIRVAC afeta fundamentalmente ao mercado norte-americano. Apesar de cada empresa dispor dos
seus próprios sistemas patenteados, a metodologia de dimensionamento e processos de
funcionamento são semelhantes.
Nos países desenvolvidos, as redes de drenagem através de soluções convencionais gravíticas já se
encontram bastante desenvolvidas e, na maioria dos casos, apresentam-se como uma solução fiável,
económica e que não requer grandes operações de manutenção. No entanto, existem situações para
as quais a adoção destes sistemas não se revela tão adequada. Em pequenos aglomerados
populacionais, em zonas com terrenos planos, de nível freático elevado ou em terrenos rochosos, as
soluções convencionais gravíticas, por exigirem um diâmetro mínimo de 200 mm e uma inclinação
mínima com andamento sempre descendente, podem constituir soluções muito onerosas. É sobretudo
nestes casos que a aplicação das soluções não convencionais de drenagem sob vácuo se apresenta
mais vantajosa, nomeadamente a nível económico.
Em Portugal, existem atualmente 3 sistemas instalados. Todos os sistemas foram instalados pela
empresa MMPS Construções Lda. utilizando a tecnologia da FLOVAC. O primeiro sistema instalado
encontra-se localizado no empreendimento turístico e campo de golfe da Aroeira, em Almada, e
encontra-se em funcionamento desde o ano de 2000. No âmbito desta dissertação, foi realizada uma
visita às instalações deste sistema e apresenta-se, no Anexo 1, uma descrição detalhada do mesmo.
Em Junho de 2006, foi instalado o primeiro sistema na região do Algarve, na praia da Rocha em
Portimão. O sistema mais recente instalado foi concluído em Maio de 2011 e encontra-se localizado no
empreendimento Villas Mourim em Carvoeiro, também no Algarve.
4
2.2. Apresentação dos sistemas de drenagem de águas residuais sob vácuo
Os sistemas sob vácuo recorrem a um diferencial de pressão para proceder à captação e transporte
das águas residuais. A permanência dos níveis de vácuo que asseguram o funcionamento do sistema
é garantida através de bombas de vácuo que se localizam na estação de vácuo. A estação de vácuo é
o local onde estão concentrados os principais equipamentos que permitem o funcionamento do sistema
e é para esta que é encaminhada toda a água residual recolhida na rede. O sistema é constituído, para
além da estação de vácuo, por uma rede de coletores e por dispositivos de interface. Na Figura 2.1,
encontra-se representado um esquema com os vários componentes que constituem um sistema de
drenagem de águas residuais sob vácuo.
Figura 2.1 – Esquema de um sistema tipo de drenagem de águas residuais sob vácuo (adaptada de Read, 2004)
Os dispositivos de interface são os pontos onde é feita a recolha da água residual a montante do
sistema, ou seja, antes desta ser admitida para o interior do sistema sob vácuo. Estes dispositivos são
compostos por um poço de recolha e uma câmara dotada de uma válvula de interface. A água
proveniente de várias habitações é recolhida por via gravítica para o poço de recolha. Quando é atingida
uma quantidade pré-definida de água residual no poço, a válvula de interface abre-se e, através do
diferencial de pressão existente entre a atmosfera e o vácuo no interior do sistema, a água é aspirada
para dentro da rede de coletores sendo transportada até a estação de vácuo. As válvulas de interface
são responsáveis por garantir a transição vácuo/gravidade permanecendo normalmente fechadas em
cada ponto de entrada, de forma a selar as linhas e manter os níveis de vácuo no sistema. A abertura
de cada válvula também permite a entrada de ar para dentro do sistema permitindo assim a
movimentação dos volumes de água que ficam em repouso quando é esgotada a capacidade de
transporte.
A experiência adquirida e os aperfeiçoamentos dos sistemas de drenagem de águas residuais sob
vácuo, permitiram que se tornassem altamente fiáveis e passassem a constituir uma alternativa efetiva,
5
mesmo em termos de custos, aos métodos tradicionais de recolha e transporte de águas residuais
(FLOVAC, 2014). A escolha por um determinado tipo de sistema é geralmente feita durante a fase de
planeamento do projeto de drenagem de águas residuais e é o resultado de uma análise custo-
benefício. Nos terrenos em que os sistemas gravíticos são aplicáveis, muitas das vezes a hipótese de
um sistema sob vácuo não é equacionada. Embora, nalguns casos, os sistemas gravíticos poderem
ser implementados, existem vários pequenos fatores que, quando considerados coletivamente, podem
levar a que um sistema sob vácuo seja o mais adequado. Os sistemas de drenagem sob vácuo devem
ser equacionados quando se verifica uma, ou mais, das seguintes situações (EPA, 1991):
Solos incoerentes ou com nível freático elevado;
Terreno com perfil ondulado ou plano;
Grandes condicionalismos construtivos (presença de rocha, limitações de espaço ou existência
de outras infraestruturas);
Desenvolvimento urbano em zonas rurais.
Os sistemas de drenagem sob vácuo apresentam diversas vantagens na redução dos custos do
material, dos custos de construção e de manutenção. Os principais pontos fortes destes sistemas são:
o facto de permitirem o uso de tubagens de secção reduzida (a partir de 75mm); o assentamento das
tubagens é feito em valas de pequena dimensão e pouco profundas e permitem assim adaptar o perfil
dos coletores ao do terreno natural; o funcionamento sob vácuo permite ter troços ascendentes e evita
a ocorrência de infiltrações no solo. A grande vantagem dos sistemas sob vácuo face aos sistemas
gravíticos resulta da redução dos custos de escavação e dos custos energéticos, uma vez que permite
a substituição de várias estações elevatórias por uma única, concentrada na estação de vácuo. Para
além dos aspetos já referidos, as vantagens podem dizer ainda respeito a outros aspetos
complementares, tais como (FLOVAC, 2014):
Inexistência de câmaras de inspeção e visita;
Infraestruturas enterradas desconhecidas à data do projeto e que surgem no decorrer da obra
podem ser facilmente contornadas sem grandes alterações ao projeto;
A obstrução e entupimento das tubagens são praticamente impossíveis ou muito improváveis
devido às elevadas velocidades do escoamento;
O projeto dos sistemas de vácuo elimina o risco do pessoal de manutenção das redes se
exporem ao H2S e a outros gases resultantes de águas residuais sépticas (com sulfuretos);
A natureza da tecnologia de recolha e transporte de águas residuais por vácuo não permite
infiltrações no sistema e, ao mesmo tempo, não permite que possíveis fugas passem
despercebidas e fiquem por reparar. Isto garante que o risco de ocorrência de derrames de águas
residuais nos solos seja excecionalmente reduzido, praticamente nulos, protegendo o meio
ambiente;
A eliminação das infiltrações no sistema das águas provenientes da percolação nos solos resulta
numa diminuição do volume de efluente que aflui à ETAR reduzindo assim os custos de
tratamento;
6
A válvula de ligação isola cada habitação do coletor principal, não permitindo ao sistema retorno
para as habitações;
A grande velocidade de admissão da água residual e do ar na abertura da válvula de interface
permite obter um nível de eficiência na mistura ar/água residual muito elevado, reduzindo
substancialmente o tamanho das partículas sólidas;
Tempos de retenção reduzidos nos poços de recolha, combinados com a introdução de ar,
evitam que a água residual se torne séptica durante o seu transporte e, como consequência, são
minimizados os inconvenientes resultantes dos odores.
Na Figura 2.2 apresenta-se um esquema que permite exemplificar algumas das vantagens que um
sistema sob vácuo pode ter em comparação com um sistema convencional. Neste exemplo, é possível
constatar a facilidade em contornar obstáculos, redução do número de estações elevatórias, a ausência
de câmaras de visita, a redução dos volumes de escavação e dos meios necessários para a
implantação do sistema.
Figura 2.2 – Esquema de comparação entre um sistema gravítico e um sistema de drenagem sob vácuo (adaptada de Roediger Vacuum)
2.3. Componentes do sistema
Os sistemas de drenagem de águas residuais sob vácuo são compostos por três componentes
principais, tal como já foi referido anteriormente e ilustrado pela Figura 2.1. Estes três componentes
são:
Dispositivo de interface;
Rede de coletores;
Estação de vácuo.
De seguida, apresenta-se uma descrição mais detalhada destes órgãos e das suas particularidades.
Sistema sob vácuo
Sistema gravítico
7
2.3.1. Dispositivo de interface
Os dispositivos de interface são constituídos essencialmente por dois compartimentos, a câmara de
recolha e a câmara de válvula, pela válvula de interface vácuo/gravidade (também designada por
válvula de vácuo) e pela tomada de ar. Estes dispositivos são responsáveis pela recolha das águas
residuais domésticas provenientes das habitações que lhe estão ligadas e pela admissão destas para
o sistema sob vácuo onde é transportada até a estação de vácuo. Estes dispositivos são também
designados por “poços domiciliários”.
A válvula de vácuo garante a interface entre o vácuo nas tubagens de transporte e o ar atmosférico
existente na rede predial. A válvula possui uma secção de abertura de 75 mm e é ativada
pneumaticamente em modo automático, sendo a abertura acionada através do vácuo do sistema e o
fecho pelo ar atmosférico, não necessitando de energia elétrica.
Cada fabricante tem o seu próprio sistema mas, embora apresentem formas e capacidades diferentes,
todos têm os mesmos elementos e funcionam segundo os mesmos princípios. Apresenta-se na Figura
2.3 vários dispositivos de interface pré-fabricados das 3 principais empresas a atuarem na Europa onde
se pode constatar que todos são constituídos pelos mesmos elementos.
1- Válvula de vácuo; 2- Câmara da válvula; 3- Câmara de recolha; 4- Tubagem Sonda; 5- Tubagem de Captação
Figura 2.3 – Dispositivo de interface comercializado pela AIRVAC (à esquerda), ROEVAC (ao centro) e FLOVAC (à direita)
Em todos os sistemas apresentados, pode constatar-se que, na zona superior, encontra-se a câmara
da válvula onde é instalada a válvula de interface vácuo/gravidade e, na zona inferior, encontra-se a
câmara de recolha para receber as águas residuais provenientes das habitações ligadas ao poço
domiciliário. As duas câmaras podem ser acopladas ou estarem isoladas uma da outra. Os dispositivos
de interface são fabricados em polipropileno, fibra de vidro ou com elementos em betão pré-fabricados
e devem ter a capacidade de resistirem às cargas a que estão sujeitas, nomeadamente, as cargas do
tráfego rodoviário, quando colocadas sob a faixa de rodagem.
1
3
2
5
4
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A cada câmara de recolha podem afluir, no máximo, 4 ramais domiciliários, com ângulos de 90° entre
si (EPA,1991), conforme se ilustra na Figura 2.4. No caso dos sistemas da AIRVAC, estas têm uma
capacidade de 208L ou de 380L.
Podem existir situações em que os poços domiciliários pré-fabricados não são adequados e onde é
necessária a construção de um poço em betão. Podem ocorrer nas seguintes situações (Dias, 2000):
a extremidade de jusante do ramal domiciliário encontra-se a uma profundidade tal que se revela
incompatível com a cota das aberturas dos poços pré-fabricados;
o caudal afluente é demasiado elevado, requerendo amortecimento;
necessidade de existência de uma interface entre dois sistemas com características diferentes
(sistemas híbridos) como uma interface pressão/vácuo, por exemplo.
Figura 2.4 – Configuração em planta de poços domiciliários com 1, 2 e 4 ligações gravíticas (adaptada de EPA,1991)
Quando os caudais afluentes a uma dada secção do sistema são muito elevados, pode ser necessário
promover um amortecimento adicional recorrendo-se, por isso, à utilização de depósitos de
9
armazenamento e amortecimento de águas residuais (em terminologia anglo-saxónica, “buffer tanks”).
Tipicamente são utilizados quando o sistema serve, para além de habitações particulares, instalações
especiais, tais como escolas e hospitais, ou ainda quando é necessária a existência de uma interface
entre dois tipos de sistemas distintos (Dias, 2000). Na Figura 2.5 apresenta-se um exemplo de um
depósito de armazenamento e amortecimento em betão. Também é possível criar depósitos duplos
equipados com duas válvulas de vácuo para armazenamento de maiores volumes de efluente.
Figura 2.5 – Esquema de depósito de armazenamento e amortecimento - planta e corte (adaptada de EPA,1991)
Para garantir o transporte da água residual e para permitir o fecho da válvula de vácuo, é necessário a
existência de entradas de ar. Nos casos em que a câmara de recolha é fechada, é necessário colocar
uma entrada de ar através de uma tubagem de 100mm de diâmetro que deve ser colocada sempre a
jusante de todos os sifões da casa para fornecer o volume de ar à pressão atmosférica necessário à
mobilização do movimento da água residual acumulada para o interior do sistema. Em Portugal, as
câmaras de recolha não são completamente fechadas, daí esta técnica não ser muito utilizada.
O fecho da válvula ocorre por admissão de ar à pressão atmosférica pelo que é necessário incluir uma
entrada de ar ligada ao controlador da válvula. Na Figura 2.6 encontra-se representado a localização
das duas tomadas de ar. É de referir que, nalguns casos, a tomada de ar para o fecho da válvula pode
ser realizada através de um tubo cravado no solo junto ao poço domiciliário.
10
Figura 2.6 – Localização das tomadas de ar (adaptada de FLOVAC, 2014)
Podem ainda ser colocados outros acessórios que facilitem a operação do sistema. Nalguns casos,
podem ser colocados contadores automáticos de modo a contabilizar o número de ciclos de abertura
da válvula. Conhecendo o volume de água que é admitido em cada ciclo de operação da válvula, é
possível estimar o volume de água que deu entrada no sistema. Comparando esse volume com o
consumo de água das habitações ligadas ao poço é possível detetar eventuais ligações indevidas ao
sistema.
Também pode ser instalado, imediatamente a jusante da válvula de vácuo, um medidor de pressão de
modo a verificar os níveis de vácuo junto às mesmas. Tais dispositivos constituem um auxílio para os
operadores do sistema e facilitam a deteção de eventuais fugas ou funcionamento deficiente do
sistema.
2.3.2. Rede de coletores
A rede de coletores estabelece a ligação entre os dispositivos de interface e a estação de vácuo. É
constituída pelos seguintes componentes (EPA, 1991):
Tubagens;
Ligações;
Elevações (mudanças de perfil);
Válvulas de seccionamento.
Em Portugal, são usadas tubagens de PEAD ou PVC de diâmetros 90, 110, 125, 160, 200, 250 e
315 mm. As tubagens são assentes a profundidades que garantam um recobrimento mínimo de 0,90 m.
A rede de coletores subdivide-se em 3 grupos: ramais domiciliários, tubagens de ligação e coletores
principais/secundários. Os ramais domiciliários constituem o conjunto de tubagens que estabelece a
ligação das redes prediais aos poços domiciliários respetivos. As tubagens de ligação conduzem o
escoamento desde os poços domiciliários para o coletor principal que é, por sua vez, responsável pelo
transporte dos efluentes até a estação de vácuo. Os coletores secundários podem existir em sistemas
que apresentam uma estrutura ramificada. Estes coletores constituem subdivisões da rede de
coletores, sob a forma de ramais ligados ao coletor principal.
Tomada de ar para transporte das águas residuais
Tomada de ar para fecho da válvula
11
As ligações podem permitir mudanças de direção e devem garantir a junção das várias tubagens que
compõem o coletor. As juntas devem assegurar a estanqueidade do sistema e, para tal, são usadas
juntas soldadas quimicamente ou electrosoldáveis.
No caso dos terrenos apresentarem perfis ascendentes ou de nível, são usadas elevações ou
mudanças de perfil verticais. Nestes casos, o perfil do coletor apresenta uma configuração em “dentes
de serra”, progredindo por uma sucessão de degraus. As mudanças de perfil consistem em duas
ligações de 45° unidas por um troço curto de tubagem. Esta configuração em degraus permite que o
coletor tenha um perfil ascendente ou que acompanhe o terreno em zonas planas uma vez que o coletor
deve ter uma inclinação mínima de 0,2%. Nos troços descendentes, o coletor acompanha o perfil
natural do terreno desde que se respeite a inclinação mínima de 0,2%. Os diversos casos encontram-
se representados na Figura 2.7.
A configuração em “dentes de serra” permite que, em condições de ausência de escoamento, a água
residual se deposite nos pontos baixos, aguardando o início de um novo ciclo de movimento. Em
situação de repouso, a massa líquida ocupa a zona inferior, circulando ar na parte superior. Esta
situação torna possível a reposição do nível de vácuo na atmosfera dos coletores, o que conduzirá à
abertura de válvulas de vácuo situados a montante e consequentemente, ao início de um novo ciclo de
movimento (Dias, 2000).
Figura 2.7 – Perfis tipo de traçado de coletores (adaptada de EPA, 1991)
É necessário a colocação de válvulas de seccionamento com válvula reguladora de pressão de forma
a permitir o isolamento dos vários troços que constituem a rede. Este procedimento permite o
isolamento de partes da rede para efetuar manobras de manutenção sem interromper o funcionamento
integral da rede. Também é conveniente a colocação de medidores de pressão a jusante dessas
12
válvulas, facilitando assim a verificação do vácuo por parte de um operador, evitando que este se
desloque até a estação de vácuo.
2.3.3. Estação de vácuo
À estação de vácuo afluem as várias linhas do sistema. Esta deve ser localizada num ponto central do
sistema, de modo a que as linhas tenham comprimentos semelhantes. A estação de vácuo é
responsável pela manutenção dos níveis de vácuo no sistema, pela recolha das águas residuais do
sistema e da transferência das mesmas, direta ou indiretamente, para uma estação de tratamento.
A estação de vácuo é composta, geralmente, pelos seguintes componentes (EPA, 1991):
Bombas de vácuo;
Bombas de águas residuais;
Reservatório de recolha (águas resíduas e reserva de vácuo);
Grupo gerador de emergência;
Centro de controlo;
Medidores registadores de pressão;
Sistema de monitorização de avarias.
Na Figura 2.8 apresenta-se a planta de uma estação de vácuo-tipo onde são identificados, tipicamente,
os vários órgãos constituintes.
Figura 2.8 – Representação em planta de uma estação de vácuo-tipo (adaptada de Read, 2004)
As bombas de vácuo têm por função de gerar o vácuo necessário para a mobilização da água residual
no interior dos coletores. Geralmente, os sistemas funcionam para níveis de vácuo situados entre 5,5
13
a 6,8 mca (540 e 670 mbar) por ser o intervalo de pressões que a experiência tem demonstrado fornecer
melhores resultados, embora as bombas tenham capacidade de gerar níveis de vácuo até 10,4 mca
(1030 mbar). É aconselhável existir mais do que uma bomba de vácuo, de modo a funcionarem
alternadamente e assim diminuir as horas de funcionamento. As bombas de vácuo não funcionam de
forma contínua, uma vez que as válvulas de vácuo estão, em geral, fechadas. Tipicamente, só
trabalham 2 a 3 horas por dia (Dias, 2000). Cada vez que se verifique um decréscimo dos níveis de
vácuo junto à estação abaixo de 5,5 mca, devido à abertura das válvulas de vácuo no sistema, as
bombas entram em funcionamento de modo a repor o nível de vácuo a 6,8 mca.
As bombas de águas residuais funcionam como estação elevatória única do sistema e transportam o
efluente do reservatório de recolha para destino final. No caso de existir uma estação de tratamento
nas proximidades, o transporte pode ser feito através de uma ligação direta ou, caso contrário, é feito
de forma indireta, encaminhando o efluente para uma rede de drenagem convencional (sendo
posteriormente transportado graviticamente para a ETAR). As bombas são acionadas quando um
determinado nível de água residual dentro do reservatório de recolha é atingido.
O reservatório de recolha promove o armazenamento da água residual proveniente do sistema até as
bombas elevatórias entrarem em funcionamento. Em geral, os reservatórios de recolha são
dimensionados de forma a, para além de ter o volume necessário para armazenar a água residual,
terem uma reserva de vácuo necessária para o funcionamento do sistema. A reserva de vácuo tem por
função de funcionar como reserva de emergência de vácuo e de reduzir a frequência de arranque das
bombas de vácuo (EPA, 1991). Nalguns sistemas, o reservatório de recolha divide-se em dois
reservatórios distintos: um reservatório de águas residuais e um reservatório de vácuo. A cota de
chegada dos coletores principais ao reservatório deve situar-se acima do nível máximo da água residual
armazenada de modo a não afogar os coletores e garantir a transferência do vácuo gerado pelas
bombas para os mesmos. No caso de existirem várias linhas, cada coletor principal deve ter uma
ligação independente ao reservatório de recolha.
O grupo gerador de emergência tem como objetivo garantir o funcionamento do sistema no caso de
ocorrer uma falha de energia da rede elétrica. A não inclusão deste poderia, no caso de ocorrer uma
falha energética, causar a perda de vácuo no sistema com a consequente paragem do funcionamento
das válvulas de vácuo. Tal situação poderia levar ao enchimento e, por sua vez, ao extravasamento
das câmaras de recolha inseridas nos poços domiciliários.
O centro de controlo do motor inclui os motores de arranque, os circuitos de controlo e os registos dos
tempos de operação de cada bomba de vácuo e de água residual. Junto ao centro de controlo do motor
localizam-se normalmente os medidores de pressão, os controladores dos níveis no reservatório de
água residual e um telefone, para uso em situação de emergência (EPA, 1991).
Nos coletores afluentes ao reservatório de recolha são, geralmente, utilizados manómetros com vista
à monitorização do sistema através do controlo dos níveis de vácuo. A informação sobre esses dados
é de extrema importância para procedimentos de resolução de anomalias. É também necessário dispor
de medidores registadores para as bombas de vácuo e de águas residuais para que as características
14
do sistema possam ser estabelecidas e monitorizadas. Tal como os manómetros, estes registadores
são essenciais para identificação e resolução de anomalias no sistema (EPA, 1991).
É importante que exista um sistema de alerta em caso de ocorrer algum problema. Os sistemas podem
atuar como sistema de comunicação de alerta automático que avisa o operador da existência de uma
anomalia (EPA, 1991).
2.4. Princípio de funcionamento Os poços domiciliários dividem-se verticalmente em 2 compartimentos. Na zona superior encontra-se
a câmara da válvula e, na zona inferior, a câmara de recolha. As águas residuais domésticas,
provenientes das habitações ligadas ao dispositivo de interface, afluem à câmara de recolha. Conforme
se encontra ilustrado na Figura 2.9, o nível de efluente na câmara de recolha vai aumentando
progressivamente. Encontra-se ligado ao controlador da válvula um tubo sonda onde, com o aumento
do nível do efluente no reservatório, a pressão do ar contido no tubo aumenta. A tubagem sonda é
ligada ao controlador por um tubo flexível por onde é transferida a pressão do ar da sonda. Quando a
pressão no tubo é suficientemente elevada, é ativada a válvula. Tipicamente, a sonda está calibrada
para ativar a válvula quando é atingido um determinado volume pré-definido de água residual na
câmara de recolha.
Figura 2.9 – Afluência de água residual ao poço domiciliário (adaptada de Read, 2004)
A abertura da válvula é feita através da admissão do vácuo, proveniente da rede de coletores sob
vácuo, pelo topo da válvula permitindo o levantamento do pistão. Uma vez aberta a válvula, o diferencial
de pressão permite a admissão da água residual armazenada na câmara de recolha para dentro do
sistema sob vácuo (Figura 2.10).
15
Figura 2.10 – Abertura da válvula e admissão do efluente (adaptada de Read, 2004)
A válvula está programada para se manter aberta durante um período de tempo suficiente para a
admissão do volume da água residual armazenada no poço e permitir também a entrada de ar para o
interior do sistema (Figura 2.11). A admissão de ar possibilita o emulsionamento da massa líquida e a
sua movimentação através da rede de coletores até a estação de vácuo. O fecho da válvula ocorre pela
admissão de ar à pressão atmosférica no topo da válvula, levando ao rebaixamento do pistão.
Figura 2.11 – Entrada de ar no sistema e fecho da válvula (adaptada de Read, 2004)
16
O transporte da água residual ao longo da rede de coletores é conseguido através da entrada de ar no
sistema, ou seja, cada vez que se abre uma válvula de vácuo no sistema. Quando as válvulas estão
fechadas e se esgota a capacidade de movimentação da massa líquida, cessa o escoamento e a água
residual deposita-se nos pontos baixos do sistema. Na Figura 2.12, no esquema superior encontra-se
representado um troço da rede de coletores com perfil em “dentes de serra” numa situação de repouso
do sistema e, no esquema inferior, numa situação de admissão de ar no sistema.
Figura 2.12 – Condições de escoamento nos coletores (adaptada de FLOVAC, 2014)
A água residual é encaminhada até a estação de vácuo movimentando-se de forma intermitente através
da rede de coletores. Quando o efluente chega à estação de vácuo, é armazenado num reservatório
de recolha de onde é bombeado para a estação de tratamento mais próxima ou para uma rede de
coletores gravíticos.
2.5. Operação e manutenção dos sistemas
2.5.1. Operação do sistema e apoio técnico
Os sistemas de drenagem sob vácuo são sistemas mecanizados e, como tal, requerem, por norma,
mais manutenção do que os sistemas gravíticos. Grande parte da operação e manutenção de um
sistema sob vácuo desenvolve-se na estação de vácuo. Uma das vantagens destes sistemas é a de
serem raras as intervenções ao nível das tubagens, exceto em situações em que ocorrem roturas. Com
a experiência adquirida nos últimos anos, os sistemas conheceram um grande desenvolvimento
resultando em grandes melhorias na durabilidade e eficiência dos sistemas, entre as quais se destaca
o uso de novos materiais com maior capacidade resistente e bombas de maior capacidade e eficiência;
também foram desenvolvidos manuais de apoio à exploração com base no conhecimento
proporcionado por anomalias detetadas em sistemas mais antigos, facilitando assim a resolução de
problemas.
A gestão de um sistema sob vácuo deve ser feita de forma integrada, uma vez que o sistema funciona
como um todo. Uma ação ao nível da estação de vácuo pode ter repercussões noutros componentes.
Desta forma, é preferível ter apenas uma equipa, composta por um ou mais operadores, responsável
pela gestão de todo o sistema, em vez de ter equipas independentes afetas a cada uma das
componentes do sistema.
17
Quando possível, é vantajoso que o operador responsável pela gestão do sistema seja contratado logo
no decorrer da fase de construção. Deste modo, o operador consegue adquirir uma melhor noção da
constituição e do funcionamento do sistema. Com a prática, o operador vai conhecendo melhor o
sistema e o tempo de execução das tarefas vai se tornando cada vez menor.
O operador é responsável, nomeadamente, pelo desempenho das seguintes operações (EPA,1991):
Analisar e avaliar as ações de operação e manutenção e iniciar novos procedimentos para
garantir continuidade da eficiência do sistema;
Inspecionar diariamente o sistema para determinar a eficiência, limpeza e necessidades de
manutenção do sistema;
Recolha e tratamento de dados para a elaboração de relatórios de atividade;
Recomendar a compra de equipamento e eventuais melhorias;
Manter uma comunicação eficaz com os outros operadores, agentes municipais e
governamentais e o público em geral;
Preparar planos de trabalho, relatórios operacionais e de manutenção;
Determinar as ações necessárias a tomar em caso de emergência.
Para servir de auxílio aos operadores, as entidades responsáveis pela conceção e implantação dos
sistemas sob vácuo fornecem, geralmente, um manual de operação e manutenção que visa fornecer
recomendações técnicas e procedimentos adequados para a operação do sistema e resolução de
eventuais anomalias que possam surgir.
Para além do manual de operação e manutenção, o operador deve ter à sua disposição os desenhos
pormenorizados dos vários órgãos da estação de vácuo e dos poços domiciliários, cadastro detalhado
da rede de coletores com identificação das válvulas de interface e, ainda, um mapa do sistema que
consiste, fundamentalmente, numa planta da rede onde estão incluídos dados de funcionamento
hidráulico do sistema. Estes elementos constituem uma grande ajuda na tomada de decisão por parte
do operador, e são essenciais para a resolução de anomalias.
É conveniente prever-se em armazém um stock de peças de substituição para o caso de ocorrerem
avarias, de forma a se diminuírem os tempos de reparação e se evitarem demoras devidas ao tempo
de entrega das encomendas.
2.5.2. Manutenção e monitorização do sistema
A estação de vácuo deve ser equipada de um sistema de alerta de falhas. Este sistema tem como
função monitorizar os parâmetros de operação da estação de vácuo e da rede de coletores e notificar
automaticamente o operador no caso de se verificarem níveis anormalmente baixos do vácuo, níveis
elevados de águas residuais no reservatório de recolha da estação ou falhas de energia (EPA,1991).
A manutenção diária do sistema é feita, geralmente, apenas ao nível da estação de vácuo. As
operações diárias consistem essencialmente na verificação dos parâmetros e registos de
funcionamento do sistema. O tempo requerido é geralmente reduzido: as operações diárias de
verificação duram habitualmente cerca de 30 min. Semanalmente, devem efetuar-se verificações das
18
baterias do gerador de emergência e, mensalmente, devem ser verificados o estado do grupo de
bombas elevatórias e testado o funcionamento do sistema de alerta.
A monitorização do sistema é muito importante para garantir a eficiência do sistema e verificar a
satisfação dos parâmetros normais de funcionamento. A constituição de registos de atividade permite
identificar anomalias no funcionamento e podem ser de grande ajuda na identificação da causa do
problema. É conveniente constituírem-se relatórios mensais ou anuais de atividade, onde são
sintetizados todos os registos e eventos relevantes.
Para além da manutenção diária do sistema, devem ser executadas manutenções periódicas dos vários
equipamentos, tanto ao nível das válvulas de seccionamento e de interface, como ao nível dos
equipamentos da estação de vácuo, no sentido de prevenir eventuais falhas. Todos os 10 anos, as
válvulas de interface devem ser desmontadas de forma a verificar o seu estado de conservação e
substituir peças que possam estar degradadas. A manutenção preventiva dos principais equipamentos
da estação de vácuo deve ser feita, naturalmente, de acordo com as recomendações do fabricante.
Em situações de emergência, é geralmente necessário mais do que um operador. Muitas das vezes
podem ocorrer problemas fora do horário laboral, pelo que é necessário existirem operadores que
estejam disponíveis a qualquer altura do dia.
No caso do sistema estar bem dimensionado, é pouco espectável verificarem-se problemas ao nível
dos coletores. Ocasionalmente, é possível que ocorram roturas nos coletores - devido a acidentes em
obras de escavação, por exemplo – causando perdas de vácuo no sistema. Nesses casos é possível,
através das válvulas de seccionamento, isolar o troço e efetuar-se a reparação (EPA,1991).
Ao nível da estação de vácuo, é importante que haja redundância dos vários equipamentos de modo
que não ocorram paragens no funcionamento do sistema quando ocorrerem avarias ou seja necessário
efetuar manutenções.
Os casos de emergência mais comuns estão relacionados com um funcionamento defeituoso das
válvulas de interface. As válvulas de interface podem ficar bloqueadas estando abertas ou fechadas.
No caso de ficarem fechadas, a água residual que aflui ao poço domiciliário não é admitida no sistema
e podem ocorrer extravasamentos nas habitações ligadas ao poço. Nestes casos, o problema é
facilmente identificado quando é recebida uma queixa da parte dos proprietários. No caso das válvulas
ficarem abertas, verifica-se uma perda de vácuo no sistema. Para estes casos, a AIRVAC desenvolveu
um procedimento para a identificação de válvulas defeituosas. Este procedimento consiste no seguinte
(EPA,1991):
Isolar cada uma das linhas do sistema de forma a identificar a linha onde ocorre a perda de
vácuo;
Coloca-se fora de serviço a linha onde foi identificado o problema mantendo as restantes linhas
em funcionamento;
Impõe-se o maior nível de vácuo possível no interior das linhas operacionais e colocam-se fora
de serviço (pretende-se criar reserva de vácuo que permita que o sistema se mantenha com
19
condições mínimas de funcionamento durante o tempo necessário à identificação do
problema);
Coloca-se em serviço a linha que apresenta um funcionamento deficiente;
Partindo da estação de vácuo, vai-se ao encontro da primeira válvula de seccionamento e
coloca-se a montante, numa das válvulas de interface, um medidor de vácuo. Fecha-se a
válvula de seccionamento e observa-se se o nível de vácuo aumenta. Se não aumentar
significa que o problema está localizado nesse troço, entre a estação de vácuo e a primeira
válvula de seccionamento. No caso de aumentar significa que não existe perda de vácuo nesse
troço e repete-se o procedimento seguindo para a segunda válvula de seccionamento até
determinar o troço problemático;
Uma vez identificado o troço problemático, verifica-se cada uma das válvulas de interface desse
troço;
Depois de encontrada a válvula defeituosa, procede-se à sua reparação ou substituição;
No caso de nenhuma das válvulas apresentar anomalias, significa que é provável que tenha
ocorrido uma rotura do coletor. Nesta situação deve procurar-se, à superfície, seguindo o
traçado do coletor, indícios da ocorrência de rotura de coletor, tais como o “afundamento” de
terras.
Estima-se que o tempo necessário para completar este procedimento seja, em regra, de cerca de 30 a
45 min. A leitura dos registos dos níveis de vácuo pode facilitar a identificação do problema uma vez
que a perda de vácuo é inversamente proporcional à distância à estação de vácuo. No caso de não se
proceder à identificação e reparação do problema e se as bombas de vácuo não conseguirem
compensar a perda de vácuo, é possível que os níveis de vácuo sejam insuficientes para acionar a
abertura de válvulas de interface correndo o risco da entrada em carga dos poços domiciliários onde
estas se encontram inseridas. Depois de reparado o problema e restabelecido o vácuo, ocorre uma
grande entrada de águas residuais no sistema sendo necessário acionar manualmente os períodos de
funcionamento das bombas de vácuo e de águas residuais, de forma a incrementar a capacidade da
estação de vácuo (EPA,1991).
21
3. Critérios de dimensionamento
3.1. Dimensionamento hidráulico
3.1.1. Caudais de projeto
O dimensionamento hidráulico do sistema inclui a determinação dos caudais de dimensionamento e a
verificação hidráulica do mesmo.
A determinação dos caudais de projeto é essencial para o dimensionamento da rede de coletores sob
vácuo e dos diversos órgãos da estação de vácuo.
Por norma, os sistemas de drenagem sob vácuo são concebidos para o transporte de águas residuais
de origem doméstica.
3.1.1.1. Caudal médio diário
Para a determinação dos caudais médios diários de águas residuais domésticas, é necessário
conhecer, por um lado, a população da zona a servir e, por outro, os consumos de água.
O conhecimento da situação demográfica pode ser obtido através de estudos e registos disponíveis
tais como recenseamentos populacionais, prevendo-se a respetiva evolução ao longo do horizonte de
projeto.
Os consumos de água domésticos podem ser obtidos através de registos dos serviços de exploração
dos sistemas já existentes. No caso de não se dispor de informação, os caudais devem ser calculados
a partir de valores da capitação estimados. (Sousa, 2002)
Tendo em conta que nem toda a água consumida é encaminhada para a rede de drenagem de águas
residuais doméstica, define-se um fator de afluência à rede, sempre inferior à unidade, que, associado
à capitação de consumo de água, permite obter a capitação de afluência à rede de águas residuais
domésticas. O Regulamento geral dos sistemas públicos e prediais de distribuição de água e drenagem
de águas residuais em vigor em Portugal (Decreto Regulamentar nº23/95, de 23 de Agosto) define, no
artigo 123º, o seguinte: “os fatores de afluência à rede devem ser discriminados por zonas de
características idênticas, que são função da extensão de zonas verdes ajardinadas ou agrícolas e dos
hábitos de vida da população, variando geralmente entre 0,70 e 0,90.”
Deste modo, o caudal médio diário é obtido pela seguinte relação:
𝑄𝑚 =𝑃 ∙ 𝐶𝑎𝑝 ∙ 𝑓𝑎
86400 (3.1)
Onde,
Qm – caudal médio diário de águas residuais domésticas [L/s];
P – população servida [hab];
Cap – capitação do consumo de água doméstico [L/(hab.dia)];
fa – fator de afluência à rede de drenagem [-].
22
De acordo com a EPA (1991), foram elaborados diversos estudos e medições com vista à determinação
dos valores médios da capitação de águas residuais. Destes estudos concluiu-se que os valores da
capitação de águas residuais variam tipicamente entre 150 a 230 L/(hab.dia). Esses valores são
correntes em Portugal nos aglomerados de maiores dimensão, como Lisboa, Porto ou Coimbra.
No caso do sistema estar ligado a instalações comerciais ou industriais, destacam-se dois tipos de
abordagens: para unidades comerciais ou industriais de pequena dimensão e que se encontram
disseminadas na área de projeto, os respetivos caudais podem ser incorporados nos caudais de águas
residuais domésticas; quando estas unidades forem de dimensão significativa e concentradas, é
necessário proceder a uma inventariação das mesmas de modo a serem determinados os caudais
respetivos. Aquando da determinação dos caudais industriais, também devem ser identificadas as
características físicas, químicas, biológicas e bacteriológicas e os períodos de laboração (Sousa, 2002).
3.1.1.2. Fator de ponta
O fator de ponta instantâneo é o quociente entre o caudal máximo instantâneo anual e o caudal médio
anual das águas residuais domésticas, sendo influenciado pelo consumo de água, pelo número de
ligações (consequentemente, pelo número de habitantes servidos) e pelo tempo de permanência dos
efluentes na rede de drenagem.
O facto dos sistemas de drenagem sob vácuo serem sistemas de drenagem não convencionais, leva a
que as fórmulas calibradas para os sistemas convencionais nem sempre sejam adequadas devido às
diferenças existentes nas condições do escoamento. Não existe atualmente nenhuma regulamentação
que defina o fator de ponta a aplicar para sistemas não convencionais. A escolha do fator de ponta a
aplicar pode ser baseado num dos diversos métodos já existentes para sistemas convencionais. De
seguida, apresentam-se alguns destes métodos (Walski & Barnard, 2004).
Babbitt e Bauman (1958):
𝑓𝑝 =5
(𝑃
1000)
0,2 (3.2)
Onde 𝑓𝑝 é o factor de ponta [-] e P é a população servida [hab].
Harmon (1918) e Great Lakes Upper Mississippi River Board Standard (1997):
(válido para populações de 100 até 100000 hab)
𝑓𝑝 =18 + √ 𝑃
1000
4 + √ 𝑃1000
(3.3)
Tchobanoglous, Burton e Stensel (2003):
𝑓𝑝 = {4 , 𝑃 < 5000
7,7 − log 𝑃 ,5000 ≤ 𝑃 ≤ 100000
(3.4)
23
Ainda se pode considerar, naturalmente, o método de cálculo apresentado no Decreto Regulamentar
nº23/95, de 23 de Agosto (1995):
𝑓𝑝 = 1,5 +60
√𝑃 (3.5)
A Figura 3.1 permite comparar os resultados obtidos pelos vários métodos apresentados.
Figura 3.1 - Comparação de vários métodos de cálculo do fator de ponta
É possível constatar que a fórmula de Babbit (1958) [eq. (3.2)] e a que é fornecida pelo Decreto
Regulamentar nº23/95 (1995) [eq (3.5)] apresentam um andamento semelhante embora a primeira
apresente valores mais elevados face à segunda. Também é possível verificar um comportamento
semelhante das curvas referentes às fórmulas de GLUMRBS (1997) e Tchobanoglous (2003).
As fórmulas de Babbit (1958) e do Decreto Regulamentar nº23/95 (1995) fornecem valores muito
elevados para populações entre 100 a 500 habitantes. Dadas as limitações de funcionamento dos
sistemas de drenagem sob vácuo, são geralmente aplicáveis a pequenos aglomerados populacionais.
Por observação da Figura 3.1 e pelo facto das fórmulas anteriormente citadas fornecerem valores
aparentemente excessivos para pequenas povoações, é habitual optar-se por fatores de ponta
compreendidos entre 3 e 4, que vai ao encontro dos valores recomendados pela EPA (1991).
3.1.1.3. Caudal de dimensionamento
O caudal de dimensionamento define-se como sendo o máximo caudal que é expectável que ocorra
uma a duas vezes por dia. É para esse valor que são dimensionados a rede de coletores sob vácuo e
os diversos órgãos constituintes da estação de vácuo (EPA, 1991).
Devido ao facto da rede de coletores sob vácuo ser estanque, considera-se que os caudais de
infiltração são nulos. A determinação do caudal de dimensionamento para sistemas de drenagem sob
vácuo pode ser feita através do produto do caudal médio diário pelo fator de ponta.
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
100 1000 10000 100000
Fa
cto
r d
e p
on
ta, fp
[-]
População servida [hab]
Babbit
GLUMRBS
Tchobanoglous
DL 23/95
24
𝑄𝑑𝑖𝑚 = 𝑓𝑝 ∙ 𝑄𝑚 (3.6)
Onde,
Qdim – caudal de dimensionamento [m3/s];
fp – fator de ponta [-];
Qm – caudal médio diário de águas residuais domésticas [m3/s].
Segundo o manual da EPA (1991), várias entidades como a Environment One, ASCE, Battelle, Barnes
e F.E. Myers, desenvolveram diversos estudos com vista à determinação do caudal de
dimensionamento para “sistemas simplificados” que consistem em sistemas de drenagem sob pressão
ou com superfície livre, constituídos por tubagens de pequeno diâmetro que acompanham o terreno
através de recurso a bombagem (conhecidos em terminologia anglo-saxónica como “pressure sewers”).
Cada entidade desenvolveu a sua própria fórmula com base em procedimentos que permitem
determinar o caudal de dimensionamento a partir do número de fogos ligados ao sistema. Esta
abordagem é de grande utilidade para o dimensionamento da rede de coletores. Com base nos vários
resultados obtidos, foi elaborada uma fórmula simplificada que se apresenta na forma seguinte
(EPA,1991):
𝑄𝑑𝑖𝑚 =(𝐴 ∙ 𝑁 + 𝐵)
15850 (3.7)
Onde,
Qdim – caudal de dimensionamento [m3/s];
A, B – coeficientes empíricos [-];
N – nº fogos servidos pelo sistema [fogos].
Os coeficientes A e B são empíricos. Tipicamente, os valores dos coeficientes A e B são de 0,5 e 20,
respetivamente. Desta forma, a fórmula simplificada apresenta-se, habitualmente, sob a seguinte
forma:
𝑄𝑑𝑖𝑚 =(0,5𝑁 + 20)
15850 (3.8)
Se admitirmos que a média de ocupação por fogo é de 3,5 hab então a equação (3.8) pode ser traduzida
na seguinte forma:
𝑄𝑑𝑖𝑚 =(0,143𝑃 + 20)
15850 (3.9)
Onde P é a população servida [hab].
No caso da afluência de caudais de águas residuais comerciais (Qcom) e industriais (Qind) ao sistema,
devem somar-se às expressões (3.6) ou (3.7), consoante a metodologia adotada, os caudais de ponta
instantâneos, Qcom e Qind respetivamente. Também é possível, uma vez conhecida a capitação média
das águas residuais afeta à área em estudo, converter os consumos médios diários comerciais e
industriais em termos de população equivalente. A população equivalente é então somada à população
efetiva da zona e, aplicando a equação (3.1), é possível obter o caudal médio diário das águas residuais
domésticas, comerciais e industriais.
25
3.1.2. Verificação hidráulica
3.1.2.1. Enquadramento geral
O processo de verificação hidráulica consiste em verificar se o sistema projetado dispõe, em operação,
de energia suficiente para garantir o seu bom funcionamento hidráulico. Caso não se verifique, deverá
proceder-se a uma redefinição do sistema até que seja encontrada uma solução que garanta um bom
desempenho.
Em geral, os sistemas de drenagem de águas residuais sob vácuo são dimensionados para níveis de
vácuo entre 5,5 e 6,8 mca (540 a 670 mbar), medidos junto às bombas de vácuo (EPA,1991).
A abertura das válvulas de vácuo é feita através do vácuo presente no sistema e considera-se que a
perda de carga associada à operação das válvulas é de 1,5 mca. A energia disponível para o transporte
da água residual resulta da subtração da perda de carga associada à operação das válvulas à energia
total disponível. No cenário mais desfavorável, restam então 4,0 mca de energia disponível para o
transporte da água residual desde os poços domiciliários até a estação de vácuo através da rede de
coletores (EPA,1991). Esta relação é traduzida pela seguinte equação:
𝑉𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑝 = 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑉𝑣𝑎𝑙 (3.10)
Onde,
Vtransp – vácuo disponível para o transporte da água residual [mca];
Vtotal – vácuo mínimo disponível junto da estação de vácuo (em geral, 5,5 mca) [mca];
Vval – perda de carga localizada máxima para operação das válvulas de vácuo (1,5 mca) [mca].
Apesar dos níveis de funcionamento das bombas de vácuo serem entre 5,5 e 6,8 mca, estas têm,
geralmente, capacidade para gerar níveis de vácuo até 10,4 mca. Na Figura 3.2 apresenta-se um
esquema representativo das condições de funcionamento do sistema.
Figura 3.2 - Representação esquemática dos níveis de vácuo para o funcionamento do sistema (adaptada de AIRVAC)
26
Para que se verifique um funcionamento adequado do sistema, a perda de carga total não pode exceder
a energia disponível para o transporte da água residual, ou seja, não deve ser superior a 4,0 mca. A
perda de carga total resulta da soma das perdas de carga contínuas com as perdas de carga
localizadas. A condição de verificação hidráulica apresenta-se na seguinte forma:
𝐻𝑇 = Σ𝐻𝐶 𝑖+ Σ𝐻𝐿𝑗
≤ 4𝑚 (3.11)
Onde,
HT – perda de carga total [m];
HCi – perda de carga contínua em cada troço i [m];
HLj – perda de carga localizada em cada singularidade j [m].
A EPA (1991) afirma que esta condição deve ser verificada em qualquer troço que liga um ponto
qualquer da rede até a estação de vácuo. Em termos práticos, basta proceder à verificação hidráulica
no troço ao qual estão associadas as maiores perdas de carga, cingindo a análise ao coletor principal.
Os métodos de cálculo de cada uma das parcelas da perda de carga serão apresentados nos
subcapítulos que se seguem.
3.1.2.2. Perdas de carga contínuas
Existem diversas fórmulas empíricas para o cálculo das perdas de carga contínuas para escoamentos
turbulentos de secção cheia em tubagens tais como as fórmulas de Darcy-Weisbach e de Hazen-
Williams. Estas fórmulas são aplicáveis para escoamentos monofásicos. Nos sistemas de drenagem
sob vácuo, é necessário garantir uma entrada de ar aquando da admissão da água residual para o
interior do sistema de modo a permitir o escoamento, levando a que este seja bifásico.
A caracterização do escoamento em sistemas sob vácuo é bastante complexa uma vez que este é
variável e adota diversas configurações em função dos diferenciais de pressão no sistema. O sistema
encontra-se numa situação de repouso quando todas as válvulas de interface estão fechadas e os
diferenciais de pressão no sistema são nulos. Quando uma das válvulas é aberta, os diferenciais de
pressão aumentam bruscamente e o escoamento processa-se a grandes velocidades. Sendo o
escoamento intermitente, caracteriza-se pela alternância de secções de massa de ar e de efluente.
Quando as válvulas de interface voltam a fechar, o escoamento prossegue até que, através das perdas
de carga contínuas e localizadas, se esgote a capacidade de transporte voltando o sistema à situação
de repouso.
O caudal de ar admitido, aquando da abertura das válvulas de interface, varia consoante os níveis de
vácuo do sistema. De acordo com estudos experimentais, desenvolvidos pela AIRVAC, os níveis
normais de funcionamento resultam, tipicamente, numa relação ar/efluente de 1:1 a 1:4 (EPA, 1977).
De forma a adaptar as fórmulas de cálculo das perdas de carga contínuas para escoamentos
monofásicos em secção cheia, aplicar-se um fator bifásico, b, que consiste, essencialmente, num fator
de segurança que tem em conta as condições reais do escoamento.
27
Apesar da fórmula de Darcy-Weisbach ser, em regra, considerada mais precisa do que a de Hazen-
Williams, esta é de difícil aplicação uma vez que requer a determinação do fator de atrito obtido através
da fórmula de Colebrook-White que depende de vários parâmetros difíceis de determinar com precisão,
tais como a rugosidade equivalente. A fórmula de Hazen-Williams é mais simples e é, por isso, muito
utilizada na engenharia sanitária.
A fórmula de Hazen-Williams pode apresentar-se na seguinte forma:
𝐽 =10,64 ∙ 𝑄1,85
𝐶1,85 ∙ 𝐷4,87 (3.12)
Onde,
J – perda de carga unitária [m/m];
Q – caudal [m3/s];
C – coeficiente de rugosidade (depende do material da tubagem) [-];
D – diâmetro interno da tubagem [m].
Os coletores dos sistemas de drenagem sob vácuo são, por norma, compostos por tubagens de PVC
correspondendo assim um coeficiente C de 150. Tal como foi enunciado anteriormente, é necessário
associar à fórmula empírica um fator bifásico, β, devido ao carácter bifásico do escoamento. A fórmula
para determinar a perda de carga contínua em sistemas de drenagem sobre vácuo (com tubagens de
PVC) é traduzida por:
𝐽 = 𝛽 ∙ (𝑄
41,78 ∙ 𝐷2,63)
1,85
(3.13)
Onde,
J – perda de carga unitária [m/m];
β – fator bifásico que depende da relação ar/água residual do escoamento [-];
Q – caudal [m3/s];
D – diâmetro interno da tubagem [m].
A perda de carga ao longo de um troço é obtida pelo produto da perda de carga unitária pelo
comprimento do troço, L, de onde resulta a seguinte expressão:
𝐻𝐶 𝑖= 𝐽 ∙ 𝐿𝑖 = 𝛽 ∙ (
𝑄
41,78 ∙ 𝐷2,63)
1,85
∙ 𝐿𝑖 (3.14)
Onde,
HCi – Perda de carga contínua ao longo de um troço i [m];
Li – Comprimento do troço i [m].
Existem diversos estudos que foram elaborados referentes à determinação do fator bifásico do
escoamento. Segundo a EPA (1991), os valores praticados habitualmente, para efeitos de
dimensionamento dos sistemas sob vácuo, são obtidos através da metodologia desenvolvida pela
AIRVAC. No Quadro 3.1, apresentam-se os valores do fator bifásico, obtidos através dessa
metodologia, em função do rácio ar/água residual:
28
Quadro 3.1 – Fator bifásico, β, obtido através da metodologia da AIRVAC (adaptado de DIAS, 2000)
Relação ar / água residual Fator bifásico, β
1:1 1,90
2:1 2,77
3:1 3,62
4:1 4,46
Os valores obtidos através dessa metodologia estão de acordo com os avançados por parte de diversos
autores, nomeadamente pela EPA (1977) que admite, para efeitos de dimensionamento, uma relação
ar/água residual de 2:1 com um fator bifásico de 2,75.
Para efeitos de dimensionamento, apenas devem ser contabilizadas as perdas de carga contínuas dos
troços com pendente compreendida entre 0,2% e 2,0% (EPA,1991). No caso de existirem troços com
declive superior a 2,0% considera-se que as perdas de carga são compensadas pelos desníveis
gravíticos e, por isso, são desprezáveis.
3.1.2.3. Perdas de carga localizadas
As perdas de carga localizadas estão associadas às mudanças em planta e em perfil do traçado dos
coletores. No caso dos sistemas sob vácuo, essas perdas resultam, essencialmente, dos degraus de
elevação que constituem os troços ascendentes ou de nível, com perfil em “dentes de serra”. Tal como
já foi apresentado no capítulo anterior, os degraus de elevação consistem em duas ligações de 45°
unidas por um troço curto de tubagem. Segundo a EPA (1991), a altura recomendada do desnível dos
degraus de elevação depende do diâmetro da conduta (Quadro 3.2).
Quadro 3.2 – Altura recomendada dos degraus de elevação em função do diâmetro da tubagem (adaptado de EPA, 1991)
Diâmetro da tubagem [mm]
Altura recomendada dos degraus [m]
75 0,3
100 0,3
150 0,5
200 0,5
250 0,6
A maior parte dos autores defende que a determinação das perdas de carga localizadas associadas
aos degraus de elevação pode ser traduzida pela fórmula seguinte:
𝐻𝐿𝑗= 𝑘 ∙ ℎ (3.15)
Onde,
HLj – perda de carga localizada no degrau de elevação j [m];
k – coeficiente empírico [-];
h – altura de elevação [m].
29
A determinação do coeficiente k diverge consoante os autores. Segundo Averill e Heinke (1974), o
coeficiente k está diretamente relacionado com a relação ar/água residual do escoamento. Com base
nos diversos estudos realizarados, obtiveram-se os resultados que constam no Quadro 3.3.
Quadro 3.3 – Valores do coeficiente k em função da relação ar/água residual segundo Averill e Heinke (1974)
Relação ar / água residual Coeficiente k
1:1 0,34
2:1 0,20
3:1 0,15
4:1 0,12
Segundo Read (2004), é atribuído o valor de 0,5 ao coeficiente k, considerando assim que a perda de
carga localizada em cada degrau de elevação corresponde a metade da altura de elevação do mesmo.
O FNDAE (1995) apresenta uma metodologia semelhante mas faz uma distinção entre as elevações
com alturas inferiores ou iguais a 0,30m e as alturas superiores a 0,30m. Este afirma que o carácter
bifásico do escoamento leva a que a perda de carga, para alturas de elevação inferiores ou iguais a
0,30m, não seja igual ao desnível do degrau considerando ser igual a metade deste. Para alturas de
elevação superiores a 0,30m, por razões de segurança, considera-se a perda de carga como sendo
igual à altura de elevação. Os critérios de determinação do coeficiente k apresentados são os seguintes:
{𝑘 = 0,5 𝑠𝑒 ℎ ≤ 0,30𝑚
𝑘 = 1 𝑠𝑒 ℎ > 0,30𝑚
A EPA (1991) apresenta uma metodologia simplificada e que difere das que foram anteriormente
apresentadas, não se baseando na fórmula genérica expressa pela equação (3.15). A EPA (1991)
afirma que a perda de carga localizada é equivalente à diferença entre a altura de elevação do degrau
e o diâmetro da tubagem conforme se apresenta na Figura 3.3.
𝐻𝐿𝑗= ℎ − 𝐷 (3.16)
Onde D é o diâmetro da conduta [m].
Figura 3.3 – Representação esquemática da determinação da perda de carga localizada segundo a EPA (1991)
30
Pretende-se agora comparar os resultados que se obtêm por aplicação das diversas metodologias
acima apresentadas. Admitiram-se dois cenários diferentes:
- Cenário1: Admitindo que o diâmetro do coletor é de 100 mm sendo a altura dos degraus de
elevação de 0,30 m;
- Cenário 2: Admitindo um coletor de diâmetro 200 mm com degraus com alturas de elevação de
0,50 m.
Nas figuras que se seguem, apresentam-se os resultados obtidos, aplicando as várias metodologias,
em função do número de degraus para cada um dos cenários:
Figura 3.4 – Comparação das diversas metodologias de cálculo das perdas de carga localizadas para o cenário 1 (D=100 mm; h=0,30 m)
Figura 3.5 – Comparação das diversas metodologias de calcula das perdas de carga localizadas para o cenário 2 (D=200 mm; h=0,50 m)
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Pe
rda
de
ca
rga
lo
ca
liza
da
, H
L [m
]
nº degraus
Averill e Heinke(1974) [relaçãoar/água 1:1]
Averill e Heinke(1974) [relaçãoar/água 2:1]
G. Read (2004);FNDAE (1995)
EPA (1991)
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Pe
rda
de
ca
rga
lo
ca
liza
da
, H
L [m
]
nº degraus
Averill e Heinke(1974) [relaçãoar/água 1:1]
Averill e Heinke(1974) [relaçãoar/água 2:1]
G. Read (2004)
FNDAE (1995)
EPA (1991)
31
Comparando os resultados obtidos é possível observar grandes discrepâncias. A metodologia de Averill
e Heinke (1974) apresenta sempre resultados inferiores, independentemente da relação ar/água
residual, face aos restantes métodos. Observa-se, também, que quanto maior for a relação ar/água
residual, menor tende a ser a perda de carga localizada nos degraus de elevação.
O método de cálculo apresentado pela EPA (1991) demonstra ser bastante conservativo, apresentando
resultados superiores às restantes metodologias. Tal situação só não se verifica no caso dos degraus
terem alturas de elevação superiores a 0,30 m.
A análise de resultados permite concluir que o comportamento bifásico do escoamento dá origem a
perdas de carga localizadas inferiores às que se obteriam no caso do escoamento ser monofásico. Se
considerarmos esse fenómeno, podemos notar que a abordagem da FNDAE (1995) para degraus com
alturas de elevação superiores a 0,30 m é demasiado conservativa, uma vez que admite que o
escoamento se comporta como monofásico.
Dado a metodologia de Averill e Heinke (1974) ter uma base experimental e ser a única a traduzir o
efeito do emulsionamento do ar no escoamento para a diminuição das perdas de cargas localizadas,
podemos supor que os resultados que apresenta são mais rigorosos e próximos dos valores das perdas
de carga localizadas reais. Por outro lado, para efeitos de dimensionamento, aplicam-se em regra
valores mais conservativos que sejam a favor da segurança. Tal como referimos, para o caso da altura
dos degraus ser superior a 0,30 m, os resultados avançados pela FNDAE (1995) são demasiados
conservativos. Na prática, a metodologia da EPA (1991) é a mais utilizada no dimensionamento dos
sistemas sob vácuo uma vez que fornece resultados conservativos, não deixando de ter em conta a
existência de uma certa diminuição da perda de carga devido ao comportamento bifásico do
escoamento.
3.2. Implantação da rede de coletores
3.2.1. Considerações gerais
A capacidade de resposta de um sistema de drenagem sob vácuo, em termos de reposição do nível de
vácuo, depende essencialmente do comprimento do coletor, do diâmetro, do número de dispositivos
de entrada ligados ao sistema e do desnível total entre as secções de montante e de jusante do sistema
(EPA,1991).
O comprimento máximo que o coletor pode atingir não é pré-definido. Este é condicionado pela soma
das perdas de carga contínuas e localizadas que, como enunciado anteriormente, não pode exceder
4m. A topografia e os caudais de águas residuais têm grande influência na extensão do coletor. Num
terreno perfeitamente plano sem a existência de grandes obstáculos é possível, por exemplo, um
coletor poder atingir 3000 m de comprimento. No caso de existir um desnível a vencer, uma vez que a
perda de carga é mais elevada, o comprimento poderá ser inferior.
Tendo em conta aos aspetos citados e de forma a garantir um bom desempenho do sistema, é
necessário que o projetista, aquando do traçado da rede de coletores em planta e em perfil, tenha as
seguintes preocupações:
32
- minimizar o desnível a ser vencido pelo sistema;
- minimizar o comprimento dos coletores;
- uniformizar os caudais em cada uma das linhas do sistema.
Tal como já foi referido no capítulo 2, a rede de coletores sob vácuo é composta por tubagens,
tipicamente de PVC, com recobrimento mínimo da ordem de 0,90m e acompanhando o perfil do terreno.
O recobrimento poderá ser superior, nomeadamente em países onde é frequente ocorrerem
temperaturas negativas, sendo, nestes casos, condicionada pela profundidade de congelamento.
Nestas condições, é aconselhável, em regra, considerar profundidades mínimas de 1,2 a 1,5 m (EPA,
1991). Em Portugal, o Decreto Regulamentar nº23/95 estabelece a regra das profundidades mínimas
a 1 m.
Uma das vantagens das tubagens de PVC é serem bastante flexíveis, sendo particularmente útil para
contornar obstáculos inesperados, aquando da implantação do sistema, sem ter que rever o projeto.
Na elaboração dos desvios é necessário ter-se em atenção o cumprimento do raio mínimo de curvatura.
Este é determinado pela seguinte relação (EPA, 1991):
𝑅𝑐𝑚𝑖𝑛= 200 ∙ 𝐷𝑒𝑥𝑡 (3.17)
Onde,
RCmin – Raio de curvatura mínimo [m];
Dext – Diâmetro exterior da tubagem [m].
3.2.2. Traçado em planta
O traçado de uma rede de drenagem sob vácuo apresenta, geralmente, uma configuração ramificada.
Podem existir vários coletores principais ligados, de forma independente, à estação de vácuo. É
desejável que a estação de vácuo esteja localizada no centro de gravidade do sistema. Deste modo, é
possível obter comprimentos e, consequentemente, caudais semelhantes entre as várias linhas. Na
Figura 3.6 apresenta-se uma representação esquemática do traçado de uma rede de coletores sob
vácuo-tipo.
Figura 3.6 – Exemplo esquemático do traçado de uma rede de drenagem de águas residuais sob vácuo
Por um lado, a diminuição do comprimento das linhas tem como vantagem reduzir as perdas de carga.
Por outro, o facto de distribuir o caudal de águas residuais por várias linhas permite obter caudais
33
inferiores aos que se obteriam no caso do sistema ser composto apenas por uma só linha. Com a
diminuição dos caudais é possível diminuir o diâmetro das tubagens e, assim, reduzir o custo global da
obra.
Uma estrutura ramificada permite a divisão da área de serviço por várias zonas independentes. No
caso de existir uma falha no sistema é possível isolar apenas uma parte do sistema mantendo a restante
em funcionamento. O seccionamento da rede em várias zonas é feito através da inclusão de válvulas
de seccionamento, com válvula reguladora de pressão, que devem ser colocadas imediatamente a
montante da ligação dos coletores secundários ao coletor principal ou em distâncias que não excedam
450m nos coletores principais e 200m nos coletores secundários (EPA, 1991; NP EN 1091, 2000).
Aquando do traçado da rede, o projetista deve procurar servir o maior número de casas possíveis
minimizando o comprimento do coletor e evitando obstáculos e zonas com desníveis acentuados de
forma a minimizar as perdas de carga. Habitualmente, os coletores principais são colocados fora da
faixa de rodagem orientados paralelamente ao eixo da estrada. Nalguns casos, opta-se por implantar
os coletores na zona pedonal pavimentada, uma vez que constituem uma zona protegida de cargas
elevadas e onde as operações de manutenção são mais fáceis. É também possível implantar o coletor
numa propriedade privada desde que se consiga estabelecer um acordo de servidão com o proprietário
do terreno.
3.2.3. Traçado em perfil
3.2.3.1. Coletores principais
Os parâmetros de dimensionamento do sistema foram definidos com base na experiência adquirida
através do estudo de sistemas em funcionamento.
Tal como já foi apresentado no capítulo 2, o perfil do coletor adota uma configuração em “dentes de
serra” em troços ascendentes e de nível. Os parâmetros de dimensionamento dos coletores são os que
se apresentam no Quadro 3.4. As regras para a determinação dos declives a adotar para coletores com
diâmetros de 100 mm e de 150 mm encontram-se indicadas no Quadro 3.5. O Quadro 3.6 permite
estabelecer, para cada diâmetro do coletor, a distância entre degraus a partir da qual o declive de 0,2%
prevalece sobre o declive correspondente a uma percentagem do diâmetro do coletor.
Quadro 3.4 – Critérios de traçado dos coletores principais (adaptado de EPA, 1991)
Distância mínima entre degraus [m] 6,1 m
Extensão mínima do troço de inclinação 0,2% que precede uma série de
degraus de elevação [m] 15 m
Distância mínima entre o ponto alto do degrau e o coletor afluente [m] 1,8 m
Declive mínimo [%] 0,2
34
Quadro 3.5 – Critérios de determinação dos declives dos coletores principais (adaptado de EPA, 1991)
Diâmetro do coletor [mm]
Escolher como declive o maior de:
100
- 0,2%;
- declive do terreno;
- 80% diâmetro / distância entre degraus
(apenas para perfil em “dente de serra”).
150
- 0,2%;
- declive do terreno;
- 40% diâmetro / distância entre degraus
(apenas para perfil em “dente de serra”).
Quadro 3.6 – Declive a adotar em função da distância entre degraus, para troços com perfil em “dente de serra” (adaptado de EPA, 1991)
Diâmetro do coletor [mm]
Distância entre degraus [m]
Declive a adotar
100 < 40 80% diâmetro / distância entre degraus
100 > 40 0,2%
≥ 150 < 30 40% diâmetro / distância entre degraus
≥ 150 > 30 0,2%
A determinação do diâmetro do coletor principal é feita em função do caudal de dimensionamento. A
AIRVAC desenvolveu um conjunto de recomendações sobre os caudais máximos aconselháveis e
máximos admissíveis para cada valor de diâmetro. Estas recomendações apresentam-se no Quadro
3.7. Se relacionarmos estes valores com a equação (3.8) que relaciona o caudal com o número de
habitações servidas, é possível obter uma relação do diâmetro necessário em função do número de
fogos ligados ao sistema (Quadro 3.8).
Quadro 3.7 – Caudais máximos recomendados e absolutos para os vários diâmetros (adaptado de AIRVAC, 2005)
Diâmetro do coletor [mm]
Caudal máximo recomendado [L/s]
Caudal máximo permitido [L/s]
100 2,5 3,5
150 6,6 9,5
200 13,2 19,2
250 23,7 34,4
35
Quadro 3.8 – Número máximo de habitações servidas para cada diâmetro do coletor (adaptado de EPA, 1991)
Diâmetro do coletor [mm]
Número máximo de habitações servidas [-]
100 70
150 260
200 570
250 1050
Os valores apresentados no Quadro 3.7 devem apenas ser usados numa fase de pré-
dimensionamento. Posteriormente, na fase de projeto, é necessário uma estimativa mais rigorosa dos
caudais afluentes e proceder-se à verificação hidráulica do sistema. Um sistema bem dimensionado
deve apresentar perdas de carga contínuas pouco significativas. Se a escolha de um diâmetro superior
induz uma redução significativa das perdas de carga contínuas, então significa que o sistema inicial se
encontrava subdimensionado (EPA, 1991).
3.2.3.2. Ligações ao coletor principal
Segundo as recomendações da EPA (1991), as ligações ao coletor principal devem ser feitas acima do
eixo horizontal de forma a formar um ângulo em planta que assegure o escoamento para a estação de
vácuo. A junção é feita através de um acessório próprio, que permite a entrada para o coletor principal
com ângulo de 45º, anexo a uma tubulação em curva de 90º, como se encontra esquematizada na
Figura 3.7.
Figura 3.7 – Representação esquemática em planta de uma ligação ao coletor principal
No caso de ser necessário a inclusão de degraus de elevação nos coletores secundários ou nas
tubagens de ligação dos poços domiciliários, é necessário cumprir os requisitos de dimensionamento
que constam no Quadro 3.9.
36
Quadro 3.9 – Requisitos de dimensionamento para inclusão de degraus de elevação em tubagens com ligação ao coletor principal (adaptado de EPA, 1991)
Distância mínima do poço domiciliário ao degrau de
elevação [m] 1,5
Distância mínima do degrau de elevação à junção ao
coletor principal [m] 1,5
Declive mínimo entre degraus de elevação
Adota-se o maior de:
- 0,05 m / distância entre degraus
- 0,2%
Relativamente às tubagens de ligação dos poços domiciliários, a norma europeia
NP EN 1091 (2000), afirma que estas devem apresentar um perfil descendente relativamente à válvula
de vácuo e ligadas ao coletor pela parte superior, formando um ângulo de ± 60º em relação ao eixo
vertical, tal como se encontra esquematizada na Figura 3.8. No caso dos coletores secundários é
apenas referido que a junção deve ser feita pela parte superior e que o ângulo, em planta, deve
assegurar o escoamento para a estação de vácuo e minimizar os riscos de retrocesso. Ainda refere
que não deve ser feita qualquer ligação a menos de 2 m de um degrau de elevação (em vez de 1,5 m
como referido pela EPA).
Figura 3.8 – Ângulo de ligação ao coletor principal (adaptada de NP EN1091:2000)
Atendendo às recomendações dadas pela EPA (1991) e pela norma europeia NP EN 1091 (2000),
apresenta-se, na Figura 3.9, o esquema de uma possível ligação ao coletor principal. No caso de se
tratar de uma tubagem de ligação de um poço domiciliário ao coletor principal, o ângulo formado pelos
eixos da conduta no plano xz é de ± 60º.
37
Figura 3.9 – Representação esquemática de uma ligação ao coletor principal
3.2.3.3. Ramais domiciliários
O escoamento nos ramais domiciliários ocorre gravíticamente. A ligação da rede de águas residuais
prediais ao poço domiciliário é, tipicamente, estabelecida através de tubagens com diâmetro de
100 mm e com um perfil descendente de declive constante e não inferior a 2%. No caso de ligações a
edifícios comerciais, a escolha do diâmetro depende, naturalmente, dos caudais gerados. O traçado
dos ramais deve procurar ser linear sendo de evitar mudanças de direção. No caso destas serem
necessárias, devem instalar-se óculos de limpeza no caso de variações superiores a 57º (EPA, 1991).
Também deve ser instalado um óculo de limpeza imediatamente a jusante da rede predial.
É desejável que o poço domiciliário seja colocado próximo das habitações, de modo a minimizar a
extensão do ramal domiciliário. Deste modo, com a diminuição da extensão dos ramais domiciliários,
reduzem-se os custos de manutenção e eventuais riscos de infiltrações e de afluências indesejáveis
de águas pluviais no sistema (EPA, 1991).
A entidade responsável pela instalação do sistema sob vácuo prevê a colocação de tubos de ligação à
câmara de recolha das águas residuais dos poços domiciliários. Desta forma, permite minimizar os
riscos de danificar os poços domiciliários aquando da ligação das redes de águas residuais prediais ao
sistema.
38
3.3. Dimensionamento da estação de vácuo
3.3.1. Considerações gerais
Os órgãos principais da estação de vácuo são as bombas de vácuo, os grupos de bombagem de águas
residuais e o reservatório de recolha de águas residuais com reserva de vácuo. Apresentam-se, de
seguida, os critérios para o dimensionamento hidráulico destes órgãos.
Nos sistemas mais antigos, eram frequentemente utilizados reservatórios distintos para a recolha das
águas residuais e para a reserva de vácuo. Atualmente, os sistemas são, geralmente, concebidos
apenas com um único reservatório que exerce ambas as funções.
3.3.2. Grupos de bombagem de águas residuais
As bombas de águas residuais têm como função encaminhar o efluente armazenado no reservatório
de águas residuais para o destino final. As bombas são dimensionadas para o máximo caudal afluente,
que corresponde ao caudal de dimensionamento do sistema, de acordo com a altura manométrica total
especificada. Devem ser sempre previstas bombas de reserva de igual capacidade, de modo a permitir
eventuais reparações ou manobras de manutenção do equipamento, sem causar paragens no
funcionamento do sistema. O caudal para o dimensionamento das bombas é definido pela seguinte
relação (EPA, 1991):
𝑄𝑏 = 𝑄𝑚𝑎𝑥 = 𝑄𝑚 ⋅ 𝑓𝑝 (= 𝑄𝑑𝑖𝑚) (3.18)
Onde,
Qb – caudal de bombagem das águas residuais [m3/s];
Qmax – caudal máximo afluente (diário) à estação de vácuo [m3/s];
Qm – caudal médio diário de águas residuais [m3/s];
fp – fator de ponta, tipicamente entre 3 e 4 [-].
Alguns autores (FNDAE, 1995; Read, 2004) defendem que se deve considerar um fator de segurança
de 20% na estimativa do caudal de bombagem, passando a ser definido por:
𝑄𝑏 = 1,2 ⋅ 𝑄𝑚𝑎𝑥 (3.19)
À altura manométrica total da bomba, TDH (do termo anglo-saxónico, “Total Dynamic Head”), ao
contrário do que sucede nos sistemas de bombagem convencionais, deve ser adicionada uma parcela
correspondente à depressão instalada na zona de aspiração. É habitual atribuir a esta parcela um valor
de 7 m que corresponde, sensivelmente, ao limite superior dos níveis de operação das bombas de
vácuo (6,8 mca). No entanto, há que ter em conta que, dada esta parcela adicional depender do nível
de vácuo presente no reservatório de alimentação, em caso de funcionamento deficiente do sistema,
pode verificar-se a ocorrência de valores substancialmente superiores ou inferiores (EPA, 1991).
Deve prever-se a instalação de condutas de equalização em cada uma das bombas. Estas condutas
têm como objetivo manter as bombas submersas removendo o ar e evitando que, ao arrancarem,
tenham que bombear contra a depressão instalada no reservatório (AIRVAC, 2005; WEF, 2008).
39
No processo de seleção da bomba, é importante determinar a carga absoluta útil na aspiração, NPSH
(do termo anglo-saxónico, Net Positive Suction Head). Na escolha da bomba, é fundamental que o valor
da carga absoluta útil disponível na zona de aspiração da bomba, NPSHdisp, seja superior ao valor da
carga absoluta útil na aspiração exigida para que não ocorra cavitação, NPSHreq. Para valores abaixo
do valor de NPSHreq, a pressão na bomba tende a decrescer para valores inferiores à pressão de
vaporização causando a formação de bolhas de vapor dando origem a riscos de cavitação. A cavitação
nas bombas é um fenómeno que deve ser evitado pois induz ruído, vibrações, pode levar ao colapso
do rotor, entre outros. A NPSHreq é uma função de projeto da bomba, obtida com base experimental,
que é fornecida pelo fabricante. A NPSHdisp depende das condições de funcionamento da bomba e é
determinada pela seguinte equação (WEF, 2008):
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝 = ℎ𝑎𝑣 + ℎ𝑎 − ℎ𝑣𝑎𝑝 − ℎ𝑓 (3.20)
Onde,
NPSHdisp – carga absoluta útil na aspiração disponível [m];
hav – altura geométrica de aspiração [m];
ha – pressão na superfície do líquido [m];
hvap – pressão do vapor da água residual, à temperatura de bombagem [m];
hf – perda de carga por atrito na conduta de aspiração [m];
Vmax – nível máximo de vácuo no reservatório de armazenamento [m].
Os valores habitualmente utilizados para o cálculo da NPSHdisp podem ser consultados no Anexo 2.
3.3.3. Bombas de vácuo
Tal como já foi referido anteriormente, as bombas de vácuo têm como função manter níveis de vácuo
entre 5,5 e 6,8 mca no sistema, de modo a garantir o transporte da água residual desde os poços
domiciliários até a estação de vácuo. As bombas de vácuo devem ter a capacidade de fornecer níveis
de vácuo superiores às condições normais de funcionamento, tipicamente até 10,4 mca, para o caso
de se verificarem deficiências de funcionamento. Do mesmo modo, devem prever-se bombas de
reserva capazes de assegurar os mesmos níveis de vácuo no sistema, permitindo assim diminuir o
tempo de funcionamento de cada bomba e proceder-se a eventuais manobras de reparação ou
manutenção do equipamento. Apesar das bombas funcionarem apenas em ciclos de pequena duração,
estas devem ser passíveis de funcionarem em contínuo (EPA, 1991).
A EPA (1991) apresenta uma metodologia simplificada que consiste no recurso a uma fórmula que
inclui um parâmetro empírico, A, que varia em função do comprimento do coletor mais extenso do
sistema:
𝑄𝑏𝑣 = 𝐴 ⋅ 𝑄𝑚𝑎𝑥 (3.22)
Sendo que a capacidade do grupo de vácuo, Qbv, não deve ser inferior a 70 L/s.
O parâmetro empírico, A, pode ser escolhido com base nos valores apresentados no Quadro 3.10.
Sendo, ℎ𝑎𝑣 = ℎ𝑎 − 𝑉𝑚𝑎𝑥 (3.21)
40
Quadro 3.10 – Valores do coeficiente A (adaptado de EPA, 1991)
Comprimento do coletor mais extenso, Lmax
[m]
Parâmetro empírico, A
[-]
0 – 914 5
915 – 1524 6
1525 – 2133 7
2134 – 3048 8
> 3048 11
WEF (2008) adota a mesma formulação que a EPA (1991), diferindo ligeiramente na determinação do
parâmetro, A, conforme consta no Quadro 3.11.
Quadro 3.11 – Valores do coeficiente A (adaptado de WEF, 2008)
Comprimento do coletor mais extenso, Lmax
[m]
Parâmetro empírico, A
[-]
0 – 1524 6
1525 – 2134 7
2135 – 3048 8
3049 – 3658 9
> 3658 11
Na Figura 3.10, compara-se a variação da capacidade do grupo de vácuo em função do comprimento
do coletor mais extenso, para as duas metodologias apresentadas.
Figura 3.10 – Comparação dos métodos de cálculo da capacidade dos grupos de vácuo
(Qdim= 9,11 L/s)
Analisando a Figura 3.10, é possível constatar que o andamento das formulações segundo EPA (1991)
e WEF (2008) são semelhantes, divergindo apenas para os troços de comprimento inferior a 915 m e
0
20
40
60
80
100
120
0 1000 2000 3000 4000 5000
Qb
v[L
/s]
Lmax [m]
EPA, 1991
WEF, 2008
Limite inferior(EPA, 1991; WEF,2008) WEF
41
para os troços compreendidos entre 3048 m e 3658 m. Para um comprimento máximo do coletor inferior
a 915 m, a metodologia do WEF (2008) é mais conservativa. Inversamente, para comprimentos
máximos compreendidos entre 3048 m e 3658 m, a metodologia da EPA (1991) apresenta valores
superiores. Convém notar que, em ambos os casos, se deve considerar um limite inferior de 70 L/s,
para o caudal do grupo de vácuo.
3.3.4. Reservatório de águas residuais com reserva de vácuo
Na estação de vácuo, é necessário prever um reservatório para a recolha das águas residuais
provenientes do sistema e uma reserva de vácuo. A reserva de vácuo tem por função, essencialmente,
reduzir a frequência do arranque das bombas de vácuo e funcionar como reservatório de emergência
(EPA, 1991). Em sistemas mais recentes, é frequente dimensionar-se um único reservatório em que o
volume é determinado pela soma do volume de armazenamento da água residual, Vrar, e o volume para
reserva de vácuo, Vrv. Esta prática resulta, normalmente, em reservatórios de grande dimensão, pelo
que, é também possível conceber separadamente um reservatório para a recolha de água residual e
outro para reserva de vácuo. Neste último caso, o reservatório de vácuo deve ser colocado entre o
reservatório de água residual e as bombas de vácuo.
O volume do reservatório de água residual é determinado de modo a que, atendendo aos caudais de
ponta afluentes à estação, se evitem períodos entre ciclos de bombagem demasiados curtos, e também
para se constituir uma capacidade suficiente de armazenamento, em casos de emergência. Com base
nestes princípios, a EPA (1991) define que o volume útil do reservatório, V0, seja dimensionado de
forma que as bombas de águas residuais não operem mais do que 4 vezes por hora, em períodos com
afluência do caudal mínimo (no caso de existirem duas bombas corresponde a dois arranques por
bomba em cada hora). Este critério é equivalente a considerar que, na afluência do caudal mínimo, o
volume útil é determinado de forma que as bombas arranquem a cada 15 min (= 900 s). Esta relação
é traduzida pela seguinte expressão (EPA, 1991; WEF, 2008):
𝑉0 = 900 ⋅ 𝑄𝑚𝑖𝑛
𝑄𝑏
⋅ (𝑄𝑏 − 𝑄𝑚𝑖𝑛) (3.23)
Onde,
V0 – volume útil do reservatório [m3];
Qb – caudal de bombagem das águas residuais [m3/s];
Qmin – caudal mínimo afluente (diário) à estação de vácuo (= Qm /2) [m3/s].
De modo a garantir capacidade de armazenamento, para o caso de ocorrerem falhas no funcionamento
do sistema, é afetado ao volume útil, um fator de segurança de 3 (EPA, 1991;
WEF, 2008). O volume destinado para a recolha das águas residuais, Vrar, tendo em conta a
equação (3.23), é definido assim pela seguinte relação:
𝑉𝑟𝑎𝑟 = 3 ⋅ 𝑉0 = 2700 ⋅ 𝑄𝑚𝑖𝑛
𝑄𝑏
⋅ (𝑄𝑏 − 𝑄𝑚𝑖𝑛) (3.24)
42
Com base nas expressões (3.23) e (3.24), apresentam-se, no Quadro 3.12, expressões simplificadas
para a determinação do volume útil e do volume para o armazenamento em função do caudal máximo
diário afluente à estação para diversos fatores de ponta (compreendidos entre 3 e 4).
Quadro 3.12 – Valores de V0 e Vrar para ciclos de bombagem de 15 min a Qmin para vários fatores de ponta [Qmax expresso em m3/s]
Fator de ponta [-]
Volume útil, V0 [m3]
Volume de armazenamento das águas residuais, Vrar
[m3]
3,0 125,0 ⋅ 𝑄𝑚𝑎𝑥 375,0 ⋅ 𝑄𝑚𝑎𝑥
3,5 110,2 ⋅ 𝑄𝑚𝑎𝑥 330,6 ⋅ 𝑄𝑚𝑎𝑥
4,0 98,4 ⋅ 𝑄𝑚𝑎𝑥 295,2 ⋅ 𝑄𝑚𝑎𝑥
Na maioria dos casos, o volume recomendado para a reserva de vácuo é cerca de 1500 L (1,5 m3)
(EPA, 1991; WEF, 2008). No caso de se dimensionar um reservatório de recolha de águas residuais
com reserva de vácuo, o volume mínimo é de 3800 L (WEF, 2008), e é obtido através da seguinte
relação:
𝑉𝑟𝑒𝑠 = 𝑉𝑟𝑎𝑟 + 𝑉𝑟𝑣 = 3 ⋅ 𝑉0 + 1500 (≥ 3800 𝐿) (3.25)
Onde Vres é o volume do reservatório de recolha de águas residuais com reserva de vácuo, Vrar é o
volume para o armazenamento das águas residuais e Vrv é o volume para reserva de vácuo. Na
expressão (3.27), os volumes encontram-se expressos em litros.
Uma vez dimensionados as bombas de vácuo e o reservatório para a recolha das águas residuais com
reserva de vácuo, é necessário garantir que as bombas tenham a capacidade de restabelecer o vácuo
no sistema, para os níveis normais de operação, num período de tempo compreendido entre 1 e 3
minutos. O tempo de recuperação do nível de vácuo é estimado com base na seguinte expressão (EPA,
1991):
𝑡 = 0,337 [
23
⋅ 𝑉𝑐 + (𝑉𝑟𝑒𝑠 − 𝑉0)
𝑄𝑏𝑣
] (3.26)
Onde,
t – tempo de recuperação dos níveis de vácuo no sistema [s];
Vc – volume total dos coletores do sistema sob vácuo [m3];
Vres – volume do reservatório de recolha de águas residuais com reserva de vácuo [m3];
V0 – volume útil do reservatório [m3];
Qbv – capacidade do grupo de vácuo [m3/s].
No caso do tempo de recuperação, estimado pela relação (3.26), ser superior a 3 minutos, significa que
a capacidade das bombas de vácuo está subdimensionada, levando a um número excessivo de
arranques por hora. Uma possível solução para este problema é incrementar a capacidade das bombas
de vácuo, Qbv. No caso do tempo ser inferior a 1 minuto, significa que as bombas de vácuo têm uma
capacidade superior à que o volume do reservatório exige, pelo que se deve aumentar a dimensão do
reservatório, de modo a incrementar o tempo de recuperação.
43
4. Conceção de sistemas
4.1. Metodologia
4.1.1. Recolha e análise de informação de base
Após ter sido reconhecida a existência de condições que justificam a implementação de um sistema de
drenagem sob vácuo (enunciadas no capítulo 2), é necessário elaborar um conjunto de análises antes
de se poder proceder ao estudo de viabilidade e dimensionamento do sistema.
A primeira operação de planeamento do projeto consiste em determinar os limites da zona de
intervenção e definir a respetiva área de influência. Uma vez determinada a área de projeto, deve
proceder-se à inventariação, recolha e organização de todos os dados e elementos necessários à
realização do estudo.
Deve ser solicitado o cadastro das infraestruturas existentes às entidades gestoras. Estes elementos
permitem conhecer a localização, dimensão das infraestruturas existentes e avaliar o percurso dos
efluentes.
Deve também obter-se a topografia e a cartografia da área de intervenção, a escala adequada, que
constituem elementos fundamentais para o traçado preliminar da rede de drenagem, em planta e em
perfil.
Para o dimensionamento do sistema é importante recolher dados que permitam estimar os caudais de
águas residuais. Para tal, é necessário obter informação relativa à estimativa populacional afeta à área
de projeto e aos consumos de água. Os dados de população podem ser obtidos através de estudos
existentes ou registos disponíveis, nomeadamente os recenseamentos populacionais, os
recenseamentos eleitorais, a ocupação turística e os planos de desenvolvimento urbanístico
(Sousa, 2002). Os consumos de água domésticos devem ser obtidos, preferencialmente, com base em
dados existentes que sejam representativos, os quais podem ser obtidos a partir dos registos dos
serviços de exploração dos sistemas existentes. Quando não se dispõe de informação correta dos
consumos, estes devem ser determinados a partir de valores da capitação estimados (Sousa, 2002).
No caso de faltarem alguns elementos ou ser necessário alguma informação adicional, deve prever-se
a realização de trabalhos de campo. É fundamental, mesmo que exista informação, fazer um
reconhecimento do terreno de forma a verificar o estado real das infraestruturas e verificar a existência
de condicionamentos que não constam no cadastro. É também aconselhável a realização de
sondagens, para determinar a natureza do solo e para averiguar ou confirmar a existência de
infraestruturas.
44
4.1.2. Determinação de parâmetros de projeto
Parâmetros tais como capitações, caudais de águas residuais, estimativa do aumento populacional,
entres outros, têm muitas vezes que ser calculados ou estimados, com base na informação recolhida.
Para o dimensionamento dos sistemas, é imprescindível determinar os caudais de projeto. Os caudais
podem ser de origem doméstica, comercial ou industrial. Os caudais de infiltração, no caso dos
sistemas de drenagem de águas residuais sob vácuo, são admitidos como nulos uma vez que o sistema
é suposto ser completamente estanque.
Para a determinação dos caudais de origem doméstica, é necessário conhecer a capitação afeta à área
de estudo. As capitações associadas a uma determinada zona são obtidas pelo quociente entre os
consumos medidos e o número de habitantes servidos. Se associarmos às capitações um fator de
afluência, é possível determinar a capitação de águas residuais. Esse fator de afluência consiste na
percentagem de água consumida que acaba por afluir à rede de drenagem. Uma vez conhecida a
população e a capitação de águas residuais, o caudal de origem doméstica é obtido pelo produto
desses dois parâmetros, ou seja, pela aplicação da equação (3.1).
Normalmente, os sistemas de drenagem sob vácuo estão mais vocacionados para a drenagem de
águas residuais de origem doméstica estando as fórmulas de dimensionamento calibradas em função
do número de habitantes ligados ao sistema. É o caso, por exemplo, da fórmula simplificada
apresentada pela EPA (1991), que é muito utilizada para efeitos de pré-dimensionamento dos sistemas,
uma vez que permite estimar o caudal a partir do número de fogos [eq. (3.8)] ou do número de
habitantes [eq. (3.9)].
No caso de se prever a entrada de caudais de origem comercial ou industrial, é necessário,
primeiramente, proceder-se à localização e inventariação dos estabelecimentos a ligar à rede, e à
estimativa dos respetivos caudais. A estimativa dos caudais de águas residuais pode ser obtida através
de valores de referência que se encontram tabelados para cada tipo de equipamento, em função da
unidade característica. Apresentam-se, no Anexo 3, um exemplo dessas tabelas.
Uma vez conhecidos os caudais gerados pelos diversos estabelecimentos, a população equivalente
pode ser determinada dividindo os caudais pela capitação de águas residuais. Desta forma, os caudais
comerciais e industriais, para efeitos de dimensionamento do sistema, passam a estar englobados nos
caudais de águas residuais.
O dimensionamento da rede de coletores e dos diversos órgãos da estação de vácuo é feito com base
no caudal de dimensionamento. Esse caudal é determinado, como apresentado na equação (3.6),
associando ao caudal médio um fator de ponta. Existem diversas formas de determinar esse fator de
ponta, sendo, em regra, recomendado usar valores entre 3 e 4.
45
4.1.3. Traçado preliminar da rede
Antes de proceder ao traçado da rede, é conveniente identificar a localização dos vários poços
domiciliários assim como o caudal de águas residuais que aflui em cada um deles.
O traçado da rede inicia-se pelo traçado em planta. Tendo em conta a localização dos poços
domiciliários que se pretende ligar ao sistema e os caudais afluentes a cada um deles, define-se a
localização da estação de vácuo. Tal como foi referido no capítulo 3, a estação de vácuo deve ser
implantada próximo do “centro de massa” do sistema de forma a equilibrar os caudais provenientes das
várias linhas. Pode constatar-se, na Figura 4.1, que uma estação de vácuo colocada no centro de
massa do sistema permite obter níveis de serviço similares entre as várias linhas e, dado a capacidade
de transporte ser limitada, permite também a ligação a um maior número de poços domiciliários.
Figura 4.1 – Considerações sobre a localização da estação de vácuo
Uma vez definida a localização da estação de vácuo, define-se o traçado das várias linhas do sistema
de forma a permitir a ligação dos vários poços domiciliários. Deve procurar-se minimizar a extensão
das linhas e a implantação deve ser feita, preferencialmente, fora da faixa de rodagem, mas adjacente
à estrada.
Uma vez definido o traçado em planta, traça-se o perfil longitudinal do terreno seguindo o alinhamento
das várias linhas. Devem identificar-se, em perfil, os pontos de entrada de caudal na rede e os possíveis
obstáculos ou cruzamentos com outras infraestruturas que possam condicionar o desenvolvimento do
coletor sob vácuo. Procede-se então ao traçado do perfil longitudinal dos coletores de acordo com os
critérios de traçado que foram apresentados no capítulo 3.2.3.
46
Deve ter-se particular cuidado em respeitar os declives e as distâncias mínimas aconselháveis. Com
vista à minimização dos volumes e dos respetivos custos de escavação, deve-se procurar implantar os
coletores à menor profundidade possível assegurando-se o cumprimento da altura mínima de
recobrimento.
Para determinar o diâmetro do coletor, em cada troço, é fundamental determinar o caudal afluente.
Esse caudal é determinado pela soma de todos os caudais que afluem ao troço assim como o caudal
proveniente dos troços a montante. Com base no Quadro 3.7, é possível obter o diâmetro a adotar.
Segundo as recomendações da EPA, deve procurar minimizar-se os degraus de elevação. De forma a
aplicar esse princípio, podem adotar-se as alturas de elevação em cada degrau apresentadas no
Quadro 3.2. Na prática, a aplicação das alturas recomendadas pode resultar em perdas de carga
localizadas excessivas, pelo que alguns autores estabelecem uma altura de elevação em cada degrau
de 0,30 m, independentemente do diâmetro do coletor, de forma a minimizar as perdas de carga
localizadas.
4.1.4. Verificação hidráulica e dimensionamento da estação de vácuo
4.1.4.1. Verificação hidráulica da rede de coletores
Uma vez conhecidos os parâmetros de projeto e se ter definido um traçado preliminar da rede, deve
verificar-se o funcionamento hidráulico do sistema de forma a validar a solução proposta. A verificação
hidráulica procura confirmar que o sistema dispõe de energia suficiente para garantir o serviço. No caso
da verificação hidráulica não o confirmar, deve voltar a desenhar-se o sistema até obter uma solução
viável.
O critério para a verificação hidráulica corresponde a garantir que a soma de todas as perdas de carga,
contínuas e localizadas, é inferior à mínima energia disponível no sistema, tal como já foi referido no
capítulo 3.1.2.
Para validar o traçado de uma rede de coletores sob vácuo é apenas necessário garantir que esse
critério seja verificado para o troço que apresenta maiores perdas de carga.
O processo de verificação é feito troço a troço, de montante para jusante, até chegar à estação de
vácuo. Começa-se por calcular os caudais afluentes e as perdas de carga do troço mais a montante.
No troço seguinte, aos caudais afluentes ao troço é somado o caudal proveniente do troço de montante.
Segue-se o cálculo das perdas de carga para esse segundo troço que são somadas às contabilizadas
anteriormente. Na confluência entre ramais, deve determinar-se o ramal cujas perdas de carga são
superiores. O ramal que apresentar as maiores perdas de carga torna-se, para efeitos de verificação
hidráulica, o troço principal. Só as perdas de carga do troço principal é que acumulam para jusante, ou
seja, quando ocorrem junções de coletores, apenas são contabilizadas as maiores perdas de carga
correspondente a um dos troços. Este procedimento repete-se até chegar ao troço final e, se for
cumprido o critério, o traçado é validado e é possível prosseguir para o dimensionamento dos órgãos
da estação de vácuo; caso contrário, deve proceder-se a um novo traçado da rede e repetir-se os
cálculos até que se cumpra o critério de verificação.
47
4.1.4.2. Dimensionamento dos órgãos da estação de vácuo
A estação de vácuo é a componente primordial do sistema. Os órgãos que integram a estação de vácuo
são dimensionados para o caudal total de dimensionamento do sistema. Esse caudal pode ser obtido
pela soma dos caudais acumulados das várias linhas que afluem à estação ou, simplificadamente, pelo
caudal de dimensionamento associado à população equivalente total do sistema.
O dimensionamento dos diversos órgãos é feito de forma independente e de acordo com as fórmulas
de dimensionamento apresentadas no capítulo anterior.
A escolha das bombas de águas residuais deve ser feita tendo em conta o caudal a bombar e a altura
de elevação necessária. Deve ainda garantir-se que a carga absoluta útil disponível na zona de
aspiração da bomba seja superior ao valor da carga absoluta útil exigida para a não ocorrência de
cavitação e consequente degradação da bomba.
A seleção das bombas de vácuo e do reservatório só pode ser feita depois de verificado que o tempo
de recuperação do nível de vácuo no sistema situa-se no intervalo de 1 a 3 min. No caso de ser inferior
a 1 min, deve procurar-se aumentar a dimensão do reservatório e, no caso de ser superior a 3 min,
deve aumentar-se a capacidade das bombas de vácuo, de forma a ajustar o tempo de recuperação ao
intervalo de tempo recomendado.
Os caudais de dimensionamento das bombas devem ser interpretados como sendo os valores mínimos
exigidos para a capacidade das mesmas.
Na conceção do reservatório, pode optar-se por repartir o volume total de reserva por vários
reservatórios.
4.2. Desenvolvimento de instrumentos de cálculo
4.2.1. Enquadramento geral
Tanto o processo de verificação hidráulica do traçado como o do dimensionamento dos órgãos da
estação de vácuo requerem o uso de um grande número de fórmulas, sendo, na maioria dos casos,
necessário ajustar-se várias vezes os dados de base por forma a obter-se a solução ótima.
Com o intuito de automatizar os cálculos e facilitar as operações envolvidas nesses processos,
desenvolveram-se ferramentas de cálculo. Essas ferramentas de cálculo foram desenvolvidas em
formato Excel. Apresentam-se, nos parágrafos que se seguem, as características principais e
potencialidades das mesmas.
4.2.2. Instrumento para verificação hidráulica do sistema sob vácuo
A interface de verificação hidráulica divide-se em duas folhas e apresenta-se com a configuração
ilustrada na Figura 4.2. A metodologia de cálculo que serviu como base para a elaboração desta
ferramenta foi a apresentada pela EPA (1991).
48
Na primeira folha são introduzidos os dados, calculados os caudais afluentes e as perdas de carga em
cada troço. Uma vez concluídos os cálculos de um determinado troço, os resultados são guardados e
armazenados na tabela síntese da segunda folha. Nessa segunda folha, é efetuada a soma das perdas
de carga totais de todos os troços e é verificado o cumprimento do critério de verificação hidráulica.
Figura 4.2 – Configuração da interface de verificação hidráulica
Na Figura 4.3 e Figura 4.4 apresenta-se a sumariamente o conteúdo da primeira e da segunda folha
da interface, respetivamente. De seguida, e com base nessas duas figuras, serão descritos os vários
elementos, assim como o procedimento de introdução e processamento dos dados.
Esta ferramenta de cálculo é constituída por vários quadros. Na Figura 4.3, a azul, estão identificados
os quadros onde constam os parâmetros de projeto referentes a um determinado troço e, a laranja,
encontram-se identificados os quadros onde são calculadas as perdas de carga contínuas e
localizadas. As perdas de cargas só são calculadas uma vez introduzidos todos os dados de base
característicos do troço.
O preenchimento da folha de cálculo é inicializado pela designação do troço em análise [1]. Procede-
se então à introdução, no quadro A, dos dados de projeto já conhecidos: introduz-se em [2] o
comprimento do troço; em [3], o número de habitações servidas pelo troço assim como as que estão
ligadas ao sistema a montante desse troço (no caso de se conhecer apenas a população acumulada,
a conversão pode ser feita considerando 3,5 hab/fogo); finalmente, em [4], introduz-se a relação
ar/efluente do escoamento, que permite determinar o coeficiente bifásico do quadro D.
Após a introdução desses dados, o cálculo do caudal de dimensionamento para o troço em estudo, no
quadro B, é efetuado de forma automática. A estimativa do caudal de dimensionamento é feito com
base na aplicação direta da equação (3.8).
No quadro C, com base no caudal calculado afluente ao troço, é apresentado o valor recomendado e
máximo admissível do diâmetro a adotar, de acordo com o quadro estabelecido pelo Quadro 3.2.4. Em
[5], com base nos valores apresentados, é feita a escolha do diâmetro do troço. É possível a introdução
manual do diâmetro ou selecionar um dos valores sugeridos premindo a tecla “+”.
Para concluir a fase de introdução de dados, deve especificar-se o número de degraus [6] e a altura de
cada um deles [7]. Da mesma forma que para a escolha do diâmetro, é indicado o valor recomendado
para a altura dos degraus - de acordo com o quadro 3.1.2 – podendo-se arbitrar um determinado valor
manualmente ou copiar o valor recomendado através da tecla “+”.
49
Uma vez preenchidos todos os campos da folha, apresentam-se, nos quadros D e E, as perdas de
carga contínuas e localizadas. No caso de ser necessário a reinserção dos dados, é possível apagar
todos os campos preenchidos através da tecla “limpar” [8]. Verificados os dados obtidos, é necessário
gravar os dados carregando na tecla “guardar” [9]. Quando se guardam os dados, estes ficam
armazenados na tabela F na segunda folha, e os campos da primeira folha são repostos em branco,
de forma a proceder-se à introdução dos dados do troço seguinte.
Figura 4.3 – Descrição da folha 1 da interface de verificação hidráulica
Após a análise de todos os troços, os resultados podem ser consultados na tabela F. No quadro G, é
efetuada a soma das perdas de carga contínuas e localizadas de todos os troços. Obtido o valor das
perdas de carga totais, é verificado o cumprimento do critério de verificação hidráulica, aparecendo um
comentário a informar se o sistema está dimensionado de forma adequada, ou não. A tecla “limpar”
[10] permite apagar todos os dados constantes na tabela F.
Figura 4.4 – Descrição da folha 2 da interface de verificação hidráulica
50
4.2.3. Instrumento para o pré-dimensionamento dos órgãos da estação de vácuo
O modelo de cálculo desenvolvido para o pré-dimensionamento dos vários componentes da estação
de vácuo apresenta-se sob a forma de quadros, tal como se pode constatar na Figura 4.5. Esta folha
de cálculo divide-se em duas partes distintas: à esquerda, encontra-se o quadro de inserção de dados
de base e, à direita, constam os quadros de cálculo.
Figura 4.5 – Configuração da interface de pré-dimensionamento dos órgãos da estação de vácuo
As fórmulas utilizadas, foram baseadas na metodologia preconizada pela AIRVAC e que está de acordo
com WEF (2008). A particularidade desta metodologia prende-se com o facto de dimensionar o sistema
considerando um reservatório único para o armazenamento das águas residuais e para reserva de
vácuo, sendo esta a tendência dos sistemas mais recentes.
Na Figura 4.6 identificaram-se, a azul, os quadros onde constam os vários dados de projeto e, a laranja,
os quadros correspondentes ao modelo de cálculo dos vários órgãos. Existe um quadro afeto a cada
um dos componentes da estação.
Figura 4.6 – Descrição da interface de dimensionamento da estação de vácuo
51
A primeira etapa, na utilização do modelo de cálculo, consiste no preenchimento dos vários campos do
quadro A (numerados de [1] a [5]). Tal como se pode observar, alguns dados encontram-se previamente
preenchidos podendo, no entanto, serem substituídos por outros valores, segundo o critério do
utilizador. Deve ser inserida a população total que está ligada ao sistema [1], a capitação de águas
residuais [2], o fator de ponta a considerar (por norma, toma valores entre 3 e 4) [3], o comprimento do
coletor de maior extensão do sistema [4] e, no campo [5], a extensão da tubagem para cada diâmetro,
de forma a calcular-se o volume total dos coletores.
Uma vez preenchidos todos os campos do quadro A, os caudais de projeto do quadro B são calculados
automaticamente, assim como todos os outros parâmetros de dimensionamento.
No quadro C, é definido um fator de segurança, no campo [7]. Por defeito, é considerado unitário,
embora existam alguns autores que aconselham a consideração de uma margem de segurança da
ordem dos 20%, ou seja considerando um fator de segurança de 1,2.
No quadro D, define-se o volume efetivo do reservatório. Para verificar que sistema está bem
dimensionado, deve confirmar-se que o tempo de reposição dos níveis de vácuo, constante no quadro
E, se enquadra no intervalo desejado, ou seja, entre 1 e 3 min. No caso desta condição não se verificar,
os parâmetros de dimensionamento podem ser ajustados através da alteração do número de bombas
de águas residuais [6], do número de bombas de vácuo [9] ou da dimensão do reservatório [8].
53
5. Aplicação ao caso de estudo do sistema Algés - Alcântara
5.1. Apresentação do caso de estudo
5.1.1. Enquadramento geral
O presente caso de estudo pretende analisar a viabilidade da instalação de um sistema de drenagem
sob vácuo na frente ribeirinha que se desenvolve entre Algés e Alcântara, em Lisboa, de forma a
constituir uma solução eficaz de drenagem das águas residuais que atualmente são descarregadas
diretamente para o rio Tejo sem qualquer tipo de tratamento. A zona em estudo, representada na
Figura 5.1, abrange toda a zona a sul da linha férrea da Linha de Cascais, junto ao rio Tejo, entre o
Centro Champalimaud, em Algés, e a doca de Santo Amaro, em Alcântara.
Figura 5.1 – Localização da área em estudo (zona a amarelo)
A área em estudo constitui uma das zonas mais emblemáticas da cidade de Lisboa e uma zona
histórica para Portugal uma vez que era o local de onde partiam as Naus para a conquista de novos
continentes na era dos Descobrimentos. Trata-se de uma das zonas mais procuradas da capital e
com grande afluência de pessoas. Esta zona é composta essencialmente por comércios e serviços
dispondo de um grande número de equipamentos tais como museus, monumentos históricos,
espaços verdes, restaurantes, docas de recreio, entre outros.
Atualmente, devido à ausência de sistemas de bombagem capazes de transportar os efluentes para
o sistema intercetor gravítico situado do outro lado linha férrea e, tratando-se de uma zona baixa
próxima do rio, grande parte dos efluentes gerados pelos equipamentos nessa zona são
descarregados diretamente para o rio Tejo. A consideração da instalação de um sistema de drenagem
de águas residuais sob vácuo surge da necessidade da implantação de um sistema de drenagem que
permita encaminhar, de forma económica, os efluentes para a estação de tratamento mais próxima,
54
neste caso para a ETAR de Alcântara, evitando assim a descarga direta de efluentes não tratados no
rio Tejo.
5.1.2. Deficiências do sistema existente
Nos últimos 30 anos, tem-se verificado uma preocupação crescente, por parte da Câmara Municipal
de Lisboa, em controlar os efluentes descarregados e tratar a componente doméstica das águas
residuais. Os sistemas de drenagem de Lisboa são, maioritariamente, unitários. Até aos anos 80,
grande parte dos efluentes da cidade eram descarregados diretamente para o rio Tejo, com exceção
dos efluentes afluentes à ETAR de Beirolas, na zona oriental da cidade. Nos finais dessa década,
procedeu-se à construção do sistema intercetor e das ETAR de Alcântara e de Chelas com o objetivo
de tratar grande parte da carga poluente dos efluentes antes da sua descarga para o rio.
O sistema de drenagem de Lisboa é muito diversificado e bastante complexo. Devido ao facto da rede
de drenagem ser unitária, é necessário dispor de vários dispositivos, tais como descarregadores, de
forma a desviar a componente doméstica dos efluentes e encaminhá-la para o intercetor. O sistema
intercetor divide-se em 3 frentes: a frente Algés-Alcântara; Cais do Sodré-Alcântara e Terreiro do
Paço-Cais do Sodré (ver Anexo 4). A construção do sistema intercetor teve início nos finais da década
de 80 e só foi concluído em 2011, após a conclusão das obras da Simtejo na frente ribeirinha entre o
Terreiro do Trigo e o Cais do Sodré. A capacidade de tratamento da ETAR de Alcântara também foi
ampliada em 2011. Atualmente, o caudal máximo que a ETAR consegue tratar é de aproximadamente
6,6 m3/s, servindo uma população equivalente de cerca de 725 000 habitantes. De acordo com o
Decreto-Lei nº152/97 de 19 de Junho 1997, as descargas de águas residuais urbanas em meios
aquáticos requerem tratamento cujos níveis de exigência são definidos consoante se tratem de zonas
sensíveis, normais ou menos sensíveis. Independentemente das obrigações legais e do facto da
margem norte do estuário do tejo oferecer uma elevada capacidade de diluição, a intensa utilização
da zona marginal do estuário, na frente ribeirinha Algés-Alcântara, para fins recreativos, sobretudo
navegação e lazer, justifica um esforço global e integrado, no sentido de controlar as descargas de
efluentes não tratados, cujos efeitos do ponto de vista da contaminação bacteriológica e de
visibilidade são indesejáveis (HIDRA, 2006). A construção do sistema intercetor e da ETAR de
Alcântara permitiram melhorar substancialmente a qualidade dos efluentes descarregados para o
estuário do Tejo. Em condições de tempo seco, os efluentes domésticos são, praticamente, desviados
na sua totalidade para tratamento e, em condições de tempo húmido, permite que as águas pluviais
com maior carga poluente (“first-flush”) sejam intercetadas e tratadas.
Analisando agora o sistema intercetor da frente ribeirinha Algés-Alcântara, pode constatar-se através
da Figura 5.2, que os efluentes domésticos da zona situada a jusante do intercetor (na zona a sul da
linha férrea, junto ao rio Tejo) não são intercetados e continuam a ser descarregados diretamente
para o rio. Segundo o Decreto-Lei nº152/97, esta zona não é classificada como zona sensível ou
menos sensível, no entanto, é requerido o tratamento secundário da totalidade dos efluentes
domésticos (concentração da CBO5 ≤ 25 mg/l ou percentagem de redução da CBO5 de70 a 90%).
Segundo o Plano Geral de Drenagem de Lisboa (2007), previa-se nessa zona, a construção de redes
55
de drenagem separativas juntamente com a construção de 3 novas estações elevatórias de forma a
bombar os caudais domésticos até ao sistema intercetor e assim serem encaminhados até a ETAR
de Alcântara (ver figuras 5.3.1 e 5.3.2 do capítulo 5.3). Este plano, apesar de já ter sido aprovado
pela Câmara Municipal de Lisboa em 2007, ainda não foi integralmente executado.
Figura 5.2 – Sistema intercetor com indicação das bacias intercetadas e zona não intercetada (vermelho)
Na Figura 5.3 encontram-se representadas algumas das descargas na zona. A presença de matéria
orgânica na descarga é evidenciada pela elevada concentração de tainhas, que em tempo húmido
nadam para o interior das infraestruturas.
Figura 5.3 – Ilustração de algumas das descargas presentes na zona em estudo
56
5.1.3. Solução de sistema sob vácuo
Apesar de estar prevista a interceção da totalidade dos caudais domésticos da zona do intercetor
Algés-Alcântara, esse objetivo ainda não foi totalmente concretizado, pelo que se propõe, através do
presente caso de estudo, apresentar uma solução alternativa de drenagem e comparar as suas
eventuais vantagens face à solução preconizada no Plano Geral de Drenagem de Lisboa (2007).
Tendo em conta os princípios já referidos no Capítulo 2, a frente ribeirinha Algés-Alcântara apresenta
características que podem tornar uma solução de drenagem sob vácuo mais favorável do que uma
solução gravítica convencional.
A zona de estudo apresenta uma topografia plana com cotas que variam entre 3,5 m e 4,1 m. De uma
forma geral, a opção por um sistema de drenagem gravítico em terrenos planos requer a utilização
de várias estações elevatórias. No caso dos sistemas sob vácuo, apenas é necessário uma única
estação elevatória que constitui a estação de vácuo.
Tratando-se de uma zona ribeirinha, o nível freático é elevado e variável em função do nível da maré.
Os sistemas sob vácuo, devido ao facto de serem completamente estanques e da soleira dos
coletores poder estar situada a profundidades inferiores, reduz o risco de flutuação e da ocorrência
de contaminação ou entrada de águas subterrâneas para o interior do sistema. Apesar de não
existirem infraestruturas enterradas de relevo no subsolo da área em estudo, trata-se de uma zona
de difícil escavação devido à sua proximidade com o meio aquático, pelo que a adoção de um sistema
sob vácuo permite simplificar e minimizar a escavação.
Em termos de custos, pelas razões anteriormente referidas, é possível que a solução de vácuo se
revele mais económica do que a solução convencional. A solução de vácuo permitirá, reduzir os
custos através da diminuição dos volumes de escavação, utilização de tubagens de menor diâmetros,
requerendo a utilização de meios mecânicos menos complexos e diminuindo o número de sistemas
de bombagem necessários.
De seguida, irá proceder-se ao pré-dimensionamento do sistema sob vácuo para a zona em estudo
e, posteriormente, será feita uma análise comparativa com a solução gravítica proposta no Plano
Geral de Drenagem de Lisboa (2007).
5.2. Conceção e pré-dimensionamento do sistema
5.2.1. Descrição do sistema
A solução de drenagem sob vácuo desenvolvida é constituída por coletores em PVC, com diâmetros
que variam entre 100 mm e 250 mm. O traçado em planta e em perfil da rede foram elaborados de
acordo com os critérios e princípios que foram enunciados no capítulo 3. Na Figura 5.4 apresenta-se
a planta de implantação do sistema com a indicação da localização dos vários poços de recolha.
Estes poços foram implantados de forma a permitir a recolha dos equipamentos presentes na área
de estudo. A planta de implantação do sistema também se encontra representada à escala 1:10000
nos desenhos 01 a 03.
57
Figura 5.4 – Planta de implantação do sistema de drenagem sob vácuo da zona ribeirinha Algés – Alcântara
A estação de vácuo foi implantada na zona verde situada entre a estação fluvial de Belém e o Museu
da Eletricidade, de forma a estar próxima do “centro de massa” do sistema. O sistema é composto
por duas linhas independentes, designadas por linha I e II. A linha I tem uma extensão de
aproximadamente 2175 m e desenvolve-se desde a estação de vácuo até a doca de Santo em
Alcântara. A linha II tem um comprimento de aproximadamente 2120 m e desenvolve-se desde a
estação de vácuo até o Centro Champalimaud, em Algés. As águas residuais são transportadas
através da rede de coletores até a estação de vácuo sendo posteriormente bombadas até ao sistema
intercetor. No Quadro 5.1 apresentam-se as principais características do sistema projetado.
Quadro 5.1 – Principais características do sistema de drenagem sob vácuo
Comprimento total dos coletores principais 4294 m
População equivalente ligada ao sistema 3800 hab
Nº de poços domiciliários equipados com válvulas de interface 37
Nº de degraus de elevação 28
Nº de válvulas de seccionamento 22
5.2.2. Caudais de projeto
Antes de se poder determinar os caudais de projeto, é necessário estimar os caudais de águas
residuais gerados na área em estudo. Devido ao facto da zona ser essencialmente composta por
estabelecimentos de restauração, equipamentos turísticos e culturais, optou-se por fazer uma
estimativa das populações equivalentes de cada uma das infraestruturas uma vez que as fórmulas
usadas para o dimensionamento do sistema foram definidas para caudais de águas residuais
domésticas em que a principal variável é a população servida. Procedeu-se ao levantamento das
infraestruturas presentes no terreno e estimaram-se os caudais de águas residuais gerados por cada
uma delas. No anexo 5 apresenta-se a listagem das infraestruturas presentes na zona e, no anexo 6,
a descrição das metodologias utilizadas para estimar os caudais de águas residuais. Com base no
estudo prévio dos projetos das infraestruturas de drenagem para a frente ribeirinha Algés-Alcântara
(HIDRA, 2006), assumiu-se que a capitação de águas residuais associada à zona em estudo era de
Sistema Interceptor
58
250 L/(hab.dia). A população equivalente foi determinada dividindo os caudais de águas residuais
pela capitação.
A partir dos dados recolhidos, contabilizou-se uma população equivalente de 3800 hab o que, de
acordo com a capitação considerada, corresponde a um caudal médio de águas residuais de
aproximadamente 11 L/s.
Propõe-se agora comparar os valores do caudal de dimensionamento calculado pela fórmula
tradicional apresentada no DL 23/95 e pela fórmula simplificada definida pela EPA. Aplicando a
fórmula simplificada da EPA [eq.(3.9)] resulta:
𝑄𝑑𝑖𝑚 =0.143 ∙ 3800 + 20
15850= 35.5 ∙ 10−3𝑚3/𝑠
No caso de se aplicar o método tradicional [eq.(3.6)] tem-se:
𝑄𝑑𝑖𝑚 = 𝑓𝑝 ∙ 𝑄𝑚 = 3.5 ∙ 11. 10−3 = 38.5 ∙ 10−3𝑚3/𝑠
Com base nos valores obtidos, pode constatar-se que as duas formulações dão origem a resultados
bastante semelhantes. As diferenças observadas resultam, por um lado, da escolha do fator de ponta
que, de acordo com os princípios já enunciados no capítulo 3, toma valores entre 3 e 4 e, por outro,
devido aos parâmetros e hipóteses admitidas na definição da fórmula simplificada. Considerando a
incerteza na determinação do fator de ponta, podemos notar que o valor obtido pela fórmula
simplificada insere-se na gama de valores obtidos no caso de se variar o fator de ponta entre 3 e 4
(ou seja, que equivale a caudais de projeto entre 33.10-3 e 44.10-3 m3/s).
No presente caso de estudo, optou-se por adotar a formulação apresentada pela EPA uma vez que
permite obter valores aceitáveis e por ser de mais fácil aplicação.
5.2.3. Verificação hidráulica
Após do traçado em planta e da identificação dos vários poços domiciliários, procedeu-se ao traçado
em perfil longitudinal de acordo com os princípios que foram enunciados no capítulo 3 e seguindo a
metodologia apresentada no capítulo 4. Uma vez definido o traçado em planta e em perfil das duas
linhas do sistema, pretende-se agora validar esse traçado assegurando que o sistema tenha energia
suficiente para garantir um funcionamento adequado. O processo de verificação hidráulica consiste,
basicamente, em confirmar que a soma das perdas de carga, contínuas e localizadas, ao longo de
cada uma das linhas, seja inferior à energia disponível para garantir o transporte do efluente.
A verificação hidráulica foi feita com o recurso à ferramenta de cálculo apresentada no capítulo 4.3.2
seguindo os princípios enunciados no capítulo 4.2.4.1. Admitiu-se uma relação ar/efluente de 2:1 e
níveis de funcionamento sob vácuo, junto à estação de vácuo, entre 5,5 e 6,8 mca, ou seja, no caso
mais desfavorável, a carga disponível para o transporte do efluente é de 4,0 mca (1,5 mca necessários
para a operação das válvulas de interface). Considerou-se uma ocupação média de 3,5hab/fogo. De
forma a minimizar as perdas de carga localizadas, optou-se por degraus de elevação, em perfil, com
alturas de 0,30 m.
59
Na Figura 5.5 e Figura 5.7 apresentam-se, respetivamente, o traçado em planta e em perfil da linha I
e, no Quadro 5.2, apresentam-se os cálculos de verificação hidráulica.
Figura 5.5 – Planta de implantação do coletor principal - linha I
Da mesma forma, encontram-se representados, na Figura 5.6 e Figura 5.8 respetivamente, o traçado
em planta e em perfil longitudinal da linha II e apresentam-se, no Quadro 5.3, os cálculos efetuados
para a verificação hidráulica.
Figura 5.6 – Planta de implantação do coletor principal - linha II
Observando o somatório das perdas de carga das duas linhas, pode constatar-se que ambas são
inferiores a 4,0 mca, verificando assim o critério de verificação hidráulica. O cumprimento da condição
de verificação permite a validação do traçado da rede, sendo agora possível proceder-se ao
dimensionamento da estação de vácuo, de acordo com os caudais de dimensionamento previstos.
60
Figura 5.7 – Perfil longitudinal do coletor principal - linha I
61
Quadro 5.2 – Verificação hidráulica para dimensionamento da Linha I
Relação A/E L D nº degraus hdegraus Hc HL
afl. acum. afl. acum. [-] [m] afl. acum. [mm] [-] [m] [m] [m]
V20 - V18 27 27 95 95 2:1 186 2,11E-03 2,11E-03 100 1 0,3 0,321 0,200
V18 - V14 59 86 206 301 2:1 121 1,86E-03 3,97E-03 150 2 0,3 0,093 0,300
V14 - V9 162 248 567 868 2:1 96 7,22E-03 9,09E-03 200 0 - 0,084 0,000
V9 - V4 176 424 616 1484 2:1 106 7,41E-03 1,46E-02 250 0 - 0,076 0,000
V4 - V3 34 458 119 1603 2:1 810 8,30E-03 1,57E-02 250 5 0,3 0,662 0,250
V3 - E.V. 178 636 623 2226 2:1 856,3 1,30E-02 2,13E-02 250 6 0,3 1,232 0,300
Total 636 2226 2175,3 2,13E-02 14 2,469 1,050
Σ Hc = 2,469 m
Σ HL = 1,050 m
Σ HTotal = 3,519 m ≤ 4m
Troçonº fogos População [hab]
Verificação hidráulica para dimensionamento da Linha 1
Qdim [m3/s]
62
Figura 5.8 – Perfil longitudinal do coletor principal - linha II
63
Quadro 5.3 – Verificação hidráulica para dimensionamento da Linha II
Relação A/E L D nº degraus hdegraus Hc HL
afl. acum. afl. acum. [-] [m] afl. acum. [mm] [-] [m] [m] [m]
II.12 - II.11 148 148 518 518 2:1 312 5,93E-03 5,93E-03 150 2 0,3 0,505 0,300
II.11 - II.10 31 179 109 627 2:1 192,7 9,78E-04 6,91E-03 200 1 0,3 0,102 0,100
II.10 - II.9 60 239 210 837 2:1 330 7,82E-03 8,80E-03 200 2 0,3 0,274 0,200
II.9 - II.7 71 310 249 1086 2:1 312,3 3,22E-03 1,10E-02 200 3 0,3 0,394 0,300
II.7 - II.5 75 385 263 1349 2:1 299 1,02E-02 1,34E-02 250 1 0,3 0,182 0,050
II.5 - II.2 42 427 147 1496 2:1 189 4,54E-03 1,47E-02 250 1 0,3 0,137 0,050
II.2 - II.1 9 436 32 1528 2:1 303,2 1,05E-02 1,50E-02 250 2 0,3 0,228 0,100
II.1 - E.V. 15 451 53 1581 2:1 180,5 5,02E-03 1,55E-02 250 2 0,3 0,144 0,100
Total 451 1581 2118,7 1,55E-02 14 1,966 1,200
Σ Hc = 1,966 m
Σ HL = 1,200 m
Σ HTotal = 3,166 m ≤ 4m
Verificação hidráulica para dimensionamento da Linha 2
Troçonº fogos População [hab] Qdim [m
3/s]
64
5.2.4. Dimensionamento da estação de vácuo
A estação de vácuo foi dimensionada com recurso à ferramenta de cálculo que foi apresentada no
capítulo 4.3.3. Foram inseridos os dados de projeto tendo-se admitido um fator de ponta de 3,5. Foi
considerado um grupo eletrobomba composto por duas bombas com mais uma de reserva e um grupo
de vácuo composto também por duas bombas de vácuo e outra de reserva. Os resultados obtidos
são apresentados na Figura 5.9.
De acordo com os dados considerados, obteve-se um volume necessário para o reservatório de
14223 L tendo-se optado por um volume de reserva de 15000 L. Obteve-se um tempo de reposição
de vácuo de 2,30 min garantindo assim o cumprimento do critério de dimensionamento (entre 1 a
3 min).
Com base nos parâmetros que foram determinados apresenta-se, no Quadro 5.4, uma possível
solução para a escolha de equipamento:
Quadro 5.4 – Escolha dos grupos eletrobomba e das bombas de vácuo
Prevê-se que a conduta elevatória, que transfere os efluentes para o intercetor gravítico, tenha uma
extensão de aproximadamente 150 m. No anexo 7 são apresentadas as fichas técnicas das bombas
selecionadas.
Tendo em conta o local previsto para a implantação da estação de vácuo e da seleção proposta,
apresenta-se na Figura 5.10 um esquema cotado da estação de vácuo e da ligação ao sistema
intercetor existente.
Bombas elevatória de águas residuais Bombas de vácuo
nº bombas 3 3
Capacidade requerida grupo [m3/s] 0.038 0.308
Capacidade requerida p/ bomba [m3/s] 0.019 0.154
Marca Herborner Busch
Modelo AQR/80-1-260 50Hz MM 1502 BV 50Hz
Custo Unit.* [€] 3 000.00 € 13 000.00 €
Custo total [€] 9 000.00 € 39 000.00 €
*valores fornecidos pela FLOVAC
65
Pré-dimensionamento dos órgãos da estação de vácuo
Figura 5.9 – Resultados de pré-dimensionamento de componentes da estação de vácuo
66
Figura 5.10 – Representação esquemática da estação de vácuo e ligação ao sistema intercetor
5.3. Estimativa de custos e discussão de resultados
5.3.1. Estimativa de custos
De acordo com as especificidades da solução de drenagem convencional preconizada pelo PGDL e da
solução alternativa de drenagem sob vácuo definida anteriormente, realizou-se uma estimativa dos
custos associados à implantação de cada um dos sistemas, de forma a poder compará-los e analisar
qual a solução mais favorável do ponto de vista económico.
Apresenta-se no Quadro 5.5, a estimativa de custos da implantação do sistema sob vácuo.
67
Quadro 5.5 – Estimativa de custos da implantação do sistema de drenagem sob vácuo
1 426.608 €
MOVIMENTOS DE TERRAS
1,01Levantamento e reposição de pavimento betuminoso nos
troços implantados sob a faixa de rodagem m2 16,0 2.300 36.800 €
1,02Escavação em abertura de valas para implantação de
condutas m3 14,0 5.153 72.139 €
1,03 Recobrimento da vala com produto escavadom3 7,0 4.895 34.266 €
1,04Transporte dos produtos sobrantes a vazadouro, incluindo
carga e descarga. m3 5,0 1.803 9.017 €
TUBAGENS
1,05Tubagens de PVC com diâmetro de 100mm
incluindo fornecimento e instalação m 9,0 186 1.674 €
1,06Tubagens de PVC com diâmetro de 150mm
incluindo fornecimento e instalação m 17,0 433 7.361 €
1,07Tubagens de PVC com diâmetro de 200mm
incluindo fornecimento e instalação m 25,0 931 23.275 €
1,08Tubagens de PVC com diâmetro de 250mm
incluindo fornecimento e instalação m 35,0 2.744 96.040 €
ACESSÓRIOS
1,09 Degraus de elevação (h=0,30m)un 45,0 28 1.260 €
1,10Válvulas de seccionamento para colectores com 100mm de
diâmetro un 310,0 3 930 €
1,11Válvulas de seccionamento para colectores com 150mm de
diâmetro un 350,0 7 2.450 €
1,12Válvulas de seccionamento para colectores com 200mm de
diâmetro un 485,0 3 1.455 €
1,13Válvulas de seccionamento para colectores com 250mm de
diâmetro un 600,0 9 5.400 €
POÇOS DOMICILIÁRIOS
1,14 Configuração Standard (incluindo válvula de interface) un 3.280,0 35 114.800 €
1,15 Buffer Tank (incluindo válvula de interface) un 4.320,0 2 8.640 €
1,16 Acessórios (tomada de ar, contador de ciclos, etc.) un 300,0 37 11.100 €
SUBTOTAL - Rede de drenagem sob vácuo 426.608 €
2 288.500 €
EQUIPAMENTO
2.01 Bombas elevatórias (Herborner AQR/80-1-200 50Hz) un 3.000,0 3 9.000 €
2.02 Bombas de vácuo (Busch MM 1502 BV 50Hz) un 13.000,0 3 39.000 €
2.03 Reservatório de águas residuais com reserva de vácuo m3 1.000,0 15 15.000 €
2.04 Conduta elevatória m 50,0 150 7.500 €
2.05 Geradores un 5.000,0 1 5.000 €
2.06 Quadro de comando - - - 500 €
2.07 Sistema de monitorização e alerta - - - 25.000 €
CONSTRUÇÃO CIVIL
2.08 Construção do edif if ício em betão armado - - - 112.500 €
CUSTOS DE INSTALAÇÃO
2.09
Custos da mão de obra do pessoal necessário à
construção do edif icado e à instalação e calibração dos
vários equipamentos.
- - -
75.000 €
SUBTOTAL - Estação de vácuo 288.500 €
715.108 €ESTIMATIVA DE CUSTOS DO SISTEMA DE DRENAGEM SOB VÁCUO
REDE DE DRENAGEM SOB VÁCUO
SISTEMA DE DRENAGEM SOB VÁCUO - FRENTE RIBEIRINHA ALGÉS-ALCÂNTARA
IT EM C ÓD IGO D ESC R IÇÃ O UN P R . UN IT P R . T OT A L (EUR )QT D E
ESTAÇÃO DE VÁCUO
LISTA DAS QUANTIDADES DA ÁREA EM ESTUDO
68
A solução gravítica de drenagem das águas residuais domésticas na frente ribeirinha Algés-Alcântara
proposta pelo Plano Geral de Drenagem de Lisboa de 2007 (PGDL) encontra-se representada na
Figura 5.11. Esta solução divide-se em três subsistemas, que se encontram representados na Figura
5.12 e na Figura 5.13. Cada subsistema está afeto a uma bacia de drenagem. Estas bacias são
designadas por KA, KB e KCD e correspondem, respetivamente, às zonas ribeirinhas das bacias de
drenagem de Algés, Jerónimos e Ajuda/Cordoaria.
Figura 5.11 – Planta de enquadramento das soluções propostas na área de estudo no PGDL (2007)
Figura 5.12 – Representação esquemática da solução proposta para a bacia KA e KB (a vermelho)
Figura 5.13 – Representação esquemática da solução proposta para a bacia KCD (a vermelho)
Apresenta-se, no Quadro 5.6, as principais características de cada um dos subsistemas da solução de
drenagem gravítica.
69
Quadro 5.6 – Características principais da solução de drenagem gravítica
Sistema Coletor gravítico
[m] Conduta elevatória
[m] Nº Estações elevatórias
KA 828 116 1
KB 860 64 1
KCD 1496 44 1
Total 3184 224 3
Analogamente ao que foi feito para o sistema sob vácuo, apresenta-se no Quadro 5.7 a lista de
quantidades e a respetiva estimativa de custos para a solução de drenagem convencional, de acordo
com as características apresentadas.
Quadro 5.7 – Estimativa de custos da implantação do sistema de drenagem convencional
1 441.463 €
MOVIMENTOS DE TERRAS
1,01Levantamento e reposição de pavimento betuminoso nos
troços implantados sob a faixa de rodagem m2 16,0 3.821 61.133 €
1,02Escavação em abertura de valas para implantação de
condutas m3 14,0 6.134 85.882 €
1,03 Recobrimento da vala com produto escavadom3 7,0 5.521 38.647 €
1,04Transporte dos produtos sobrantes a vazadouro, incluindo
carga e descarga. m3 5,0 2.454 12.269 €
TUBAGENS
1,05
Colector enterrado, formado por tubo de betão simples,
fabricado por compressão radial, classe N (Normal), carga
de ruptura 90 kN/m², de 315 mm de diâmetro nominal
(interior) incluindo fornecimento e instalação. m 46,0 2.547 117.171 €
1,06
Colector enterrado, formado por tubo de betão simples,
fabricado por compressão radial, classe N (Normal), carga
de ruptura 90 kN/m², de 400 mm de diâmetro nominal
(interior) incluindo fornecimento e instalação. m 57,0 637 36.298 €
1,07Conduta elevatória DN400 incluindo fornecimento e
instalação m 80,0 224 17.920 €
1,08Custo adicional dos colectores implantados em pavimentos
betuminosos m 16,0 3.184 50.944 €
CÂMARAS DE VISITA
1,09Câmara de inspecção de elementos pré-fabricados de
betão simples afastadas de 60 em 60m. un 400,0 53 21.200 €
SUBTOTAL - Rede de drenagem convencional 441.463 €
2 450.000 €
2.01Estação elevatória (incluindo equipamento, construção civil
e custo de instalação) un 150.000,0 3 450.000 €
SUBTOTAL - Sistemas elevatórios 450.000 €
891.463 €
REDE DE DRENAGEM CONVENCIONAL
SISTEMAS ELEVATÓRIOS
ESTIMATIVA DE CUSTOS DO SISTEMA DE DRENAGEM GRAVÍTICO
SISTEMA DE DRENAGEM GRAVÍTICO - FRENTE RIBEIRINHA ALGÉS-ALCÂNTARA
LISTA DAS QUANTIDADES DA ÁREA EM ESTUDO
IT EM C ÓD IGO D ESC R IÇÃ O UN P R . UN IT QT D E P R . T OT A L (EUR )
70
5.3.2. Discussão de resultados
Pretende-se determinar, com base na estimativa de custos realizada para as duas soluções, qual a
solução mais económica, em termos de investimento inicial. No Quadro 5.8 apresenta-se a comparação
dos custos dos componentes principais de cada um dos sistemas.
Quadro 5.8 – Comparação da estimativa de custos dos vários componentes
Componente do sistema Sistema Gravítico Sistema sob vácuo
Movimentos de terras 197 930 € 152 223 €
Rede de coletores 222 333 € 128 350 €
Caixas de visita / Poços domiciliários 21 200 € 134 540 €
Estações elevatórias / Estação de vácuo 450 000 € 288 500 €
Válvulas de seccionamento -- 11 495 €
Total 891 463 € 715 108 €
Com base neste quadro, pode constatar-se que a solução de drenagem sob vácuo tem um custo inicial
inferior, sendo a diferença de aproximadamente 20%. Verifica-se que as principais vantagens do
sistema de drenagem sob vácuo, em termos económicos, resultam de uma redução dos custos de
implantação da rede de coletores, uma vez que esta é composta por coletores de pequeno diâmetro
em PVC e assentes a pequenas profundidades. Por outro lado, verifica-se que, quando o sistema
gravítico é composto por mais do que uma estação elevatória, a estação de vácuo pode apresentar
custos de implantação menores.
A análise realizada não teve em conta os custos de exploração. Em termos de custos de implantação,
a solução de drenagem sob vácuo aparenta ser uma boa solução, no entanto, é importante ter em
consideração os custos de operação e manutenção que poderão tornar esta solução mais dispendiosa.
Apesar da gestão do sistema sob vácuo poder ser feita remotamente ao nível da estação de vácuo,
dado o elevado número de válvulas de interface, existe uma maior probabilidade de ocorrerem avarias
incrementando as despesas de manutenção. Para além do fator económico, há que ter em conta que
a solução sob vácuo implica a criação de equipas com conhecimentos especializados neste tipo de
tecnologias.
A altura manométrica do grupo eletrobomba de uma estação elevatória é, tipicamente, superior à do
grupo eletrobomba da estação de vácuo, uma vez que o poço de bombagem de uma estação elevatória
encontra-se, geralmente, implantado a cotas mais baixas. No entanto, no caso do sistema sob vácuo,
deve ainda considerar-se a depressão induzida pelas bombas de vácuo podendo assim a altura total
de elevação ser próxima ou superior à da solução convencional, o que pode tornar os custos
energéticos do sistema sob vácuo superiores aos do sistema gravítico.
Uma solução sob vácuo permitiria, no entanto, uma redução dos custos relativos aos impactos sociais
que a implantação de um sistema de drenagem na zona em estudo implicaria, uma vez que se trata de
uma zona histórica e com grande afluência de turistas. Por outro lado, um sistema de drenagem sob
vácuo permite evitar a afluência de caudais de infiltração e de caudais pluviais resultando numa
significativa diminuição dos caudais que são encaminhados para tratamento, com a consequente
redução dos encargos associados.
71
6. Conclusão
Os sistemas de drenagem de águas residuais sob vácuo conheceram uma grande evolução desde o
final do século XX, tendo sido muito utilizados nos Estados Unidos da América. Atualmente, estes
sistemas já se encontram instalados em grande parte do mundo, existindo em Portugal três sistemas
em operação. A grande particularidade destes sistemas advém do facto dos coletores serem de
pequeno diâmetro, implantados a pequenas profundidades, acompanhando o terreno (podendo existir
troços ascendentes) e exigindo uma única fonte de energia.
Os sistemas sob vácuo pretendem constituir uma solução alternativa aos sistemas de drenagem
gravíticos. Apresentam-se, em regra, como uma melhor solução do ponto de vista ambiental, por se
tratar de um sistema estanque, sem risco de contaminação dos solos e sem ocorrência de condições
de septicidade. Do ponto de vista económico, podem permitir uma economia significativa de primeiro
investimento, principalmente nas situações em que os sistemas convencionais demonstram
dificuldades de implantação, como é o caso, por exemplo, em terrenos planos ou muito irregulares, em
que os sistemas sob vácuo permitem reduzir consideravelmente os volumes de escavação e diminuir
o número de estações elevatórias que um sistema convencional exigiria. As grandes desvantagens
prendem-se com maiores encargos de operação e manutenção, maior risco de ocorrerem avarias e ser
necessária a assistência de técnicos especializados. Estes sistemas têm também a desvantagem de
não serem aplicáveis a todas as situações de terreno (por exemplo, nos casos em que o terreno
apresenta grandes desníveis).
A operação do sistema de drenagem sob vácuo tem lugar, fundamentalmente, na estação de vácuo,
possibilitando uma gestão centralizada do sistema e não requerendo um grande número de operadores.
A gestão do sistema deve ser feita de forma integrada, uma vez que a alteração de um dos parâmetros
pode ter repercussões em diversos órgãos do sistema. É por isso recomendável que a gestão seja feita
por uma equipa de operadores especializados e com bom conhecimento do sistema. Os parâmetros
do sistema são continuamente monitorizados na estação de vácuo, o que permite detetar a ocorrência
de eventuais anomalias e proceder-se rapidamente às intervenções necessárias.
A conceção de um sistema de drenagem sob vácuo requer, numa primeira fase, a recolha de
informação de base sobre o local de implantação do sistema e a definição preliminar do traçado da
rede e, numa segunda fase, os cálculos de dimensionamento hidráulico e estrutural do sistema. O
dimensionamento hidráulico do sistema consiste na definição dos caudais de projeto, na verificação
hidráulica da rede de coletores e no dimensionamento dos órgãos que compõem a estação de vácuo.
Torna-se necessário verificar se a rede que foi projetada dispõe de energia suficiente para garantir o
bom funcionamento do sistema. Uma vez que os níveis de vácuo do sistema variam entre 5,5 e 6,8
mca, se considerarmos que no caso mais desfavorável os níveis de vácuo são de 5,5 mca e admitindo
que é necessário 1,5 mca para a operação das válvulas de vácuo, restam apenas 4 mca disponíveis
para garantir o escoamento do efluente. Deste modo, a condição hidráulica é verificada se a soma das
perdas de carga contínuas e localizadas no troço mais condicionante for inferior a 4 m. No caso desta
72
condição não se verificar, deve ajustar-se o traçado da rede de modo a diminuir as perdas de carga.
Após a verificação hidráulica da rede, são dimensionados os vários órgãos da estação de vácuo, sendo
necessário assegurar que as bombas de vácuo tenham capacidade suficiente para restabelecer os
níveis de vácuo, num período de tempo entre 1 e 3 min.
Os critérios de traçado e de dimensionamento deste tipo de sistemas apresentam um carácter
profundamente empírico e experimental. Grande parte da investigação e desenvolvimento dos sistemas
foram realizados por empresas privadas, tais como a AIRVAC, que detêm um vasto conhecimento
técnico-científico e desenvolveram as suas próprias tecnologias. A bibliografia disponível permite
assimilar facilmente os aspetos relativos à descrição dos sistemas e dos seus componentes, campos
de aplicação, critérios de traçado e de dimensionamento. No entanto, relativamente ao funcionamento
hidráulico e tecnológico, a informação disponível é escassa e pouco precisa. O facto do conhecimento
desta tecnologia e dos manuais de operação e dimensionamento estarem na posse de um conjunto
restrito de empresas especializadas condiciona muito a expansão e aplicação deste tipo de sistemas.
Em Portugal, apesar de já existirem alguns sistemas de drenagem sob vácuo, ainda constituem uma
tecnologia pouco conhecida e pouco utilizada. Existem inúmeros casos em Portugal onde estes
sistemas apresentariam muitas vantagens face aos sistemas convencionais, particularmente em zonas
planas e com níveis freáticos elevados, tal como foi evidenciado no caso de estudo na frente ribeirinha
Algés-Alcântara, em Lisboa. Uma das principais razões para a escassa aplicação destes sistemas, a
nível nacional, deve-se ao facto de existirem poucas empresas especializadas que comercializam e
que tenham capacidade para dimensionar e implantar este tipo de tecnologias.
Torna-se fundamental, para permitir a difusão dos sistemas sob vácuo, que as empresas
especializadas, que detenham as patentes, partilhem os seus conhecimentos de forma a viabilizar a
investigação e o acesso mais facilitado a este tipo de tecnologia.
73
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Manual. United States of America, Washington: U.S. Environmental Protection Agency. EPA
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74
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Anexos
I
Anexo 1 – Visita de estudo ao sistema de drenagem sob vácuo no empreendimento turístico e campo de golfe da Aroeira, em Almada
O sistema de drenagem de águas residuais sob vácuo da herdade da Aroeira foi o primeiro sistema
deste tipo a ser instalado em Portugal. Este sistema foi instalado no ano 2000 pela empresa MMPS
Construções Lda., atual representante dos sistemas da FLOVAC em Portugal, com um custo para a
execução da empreitada de 300 000 €. A MMPS é a empresa que participou em todas as fases da
construção deste sistema sendo atualmente responsável pela operação e manutenção do sistema.
A FLOVAC apenas foi criada no ano de 2005, daí os primeiros sistemas instalados ainda serem da
AIRVAC. A passagem de testemunho prende-se pelo facto da AIRVAC ter sido comprada pela
ROEDIGER que detinha a liderança do mercado de sistemas sob vácuo na Europa. Em 2005, vários
diretores de empresas do sector juntaram-se de forma a concorrerem com os sistemas da ROEDIGER
criando assim a FLOVAC.
O sistema de esgoto sob vácuo da herdade da Aroeira é composto por:
1 estação de vácuo;
2 linhas de vácuo;
8 poços de captação;
17 válvulas de interface.
Na figura A1.1 apresenta-se a planta de implantação do sistema.
Figura A1.1 - Planta de implantação do sistema de esgoto por vácuo na herdade da Aroeira
II
Vantagens e desvantagens do sistema
O sistema implantado na Aroeira trata-se de um sistema misto. Ao contrário do que sucede num sistema
puramente por vácuo, este sistema não tem poços domiciliários. Neste caso, devido à pré-existência
de um sistema gravítico, optou-se por ligar um grande número de fogos a um depósito de
armazenamento e amortecimento (“buffer tank”) ao qual é instalado uma ou várias válvulas de interface
para garantir a transição do sistema gravítico para um sistema sob vácuo.
A razão pela qual se optou pela implantação de um sistema sob vácuo prendeu-se ao facto de a
construção de um sistema inteiramente gravítico requerer a construção de 4 estações elevatórias e a
escavação de valas atingindo até 7m de profundidade. Com um sistema sob vácuo, foi possível reduzir
o número de estações elevatórias de 4 para apenas uma e permitiu reduzir consideravelmente o
equipamento e o volume de escavações uma vez que as tubagens sob vácuo são de diâmetro reduzido
e acompanham o perfil do terreno. Para além dos benefícios financeiros, o sistema sob vácuo permitiu
diminuir o tempo de construção sem comprometer a atividade desportiva do golfe.
Por se tratar de um sistema misto, existem algumas particularidades que devem ser tidas em conta
para o seu dimensionamento. Verificou-se, após a instalação do sistema, que o sistema gravítico
encontra-se bastante danificado e permite infiltrações de águas pluviais gerando a afluência de grandes
caudais em época de chuva. Para além disso, verificou-se que o sistema também recebe águas pluviais
provenientes dos loteamentos e águas provenientes do esvaziamento das piscinas. Tais
condicionantes obrigam a que o sistema seja dimensionado para um caudal muito superior ao do que
é habitual para este tipo de sistemas e leva a um maior gasto energético aumentando significativamente
os custos de exploração e manutenção.
Apesar do sistema estar ligado apenas a cerca de 500 habitações, os volumes que chegam ao sistema
sob vácuo são em muito superiores aos que se obteriam no caso do sistema ser inteiramente sob
vácuo. A sobrecarga do sistema faz com que haja uma perda considerável da eficiência do sistema
pondo em causa a vantagem económica que estes sistemas teriam face a um sistema gravítico.
Depósitos de armazenamento e amortecimento e válvulas de interface
Em vez dos tradicionais poços domiciliários, optou-se por aproveitar as câmaras de visita já existentes
do sistema gravítico convertendo-os em depósitos de armazenamento e amortecimento. A grande
profundidade destes poços garante uma capacidade de armazenamento suficiente no caso da afluência
de volumes que excedem a capacidade de sucção nas válvulas. Em cada poço é instalado um tubo de
pitôt para acionar a válvula quando for atingido o volume pré-definido e o tubo de aspiração por onde é
aspirado o esgoto. Em cada depósito é instalado uma ou mais válvulas de interface.
Na figura A1.2 apresenta-se um exemplo de um dos poços de recolha do sistema constituído pelo
depósito de armazenamento e amortecimento, a câmara da válvula de interface e uma válvula de
seccionamento caso seja necessário efetuar manobras de manutenção na válvula.
III
Para fazer face aos grandes volumes que afluem ao sistema, existem entradas de ar extra que foram
instaladas de modo a permitirem apenas a entrada de ar no sistema de forma que a água depositada
nas depressões da rede de coletores (antes das elevações em “dente de serra”) possa ser transportada
até o reservatório da estação de vácuo. Na figura A1.3 pode observar-se um poço com 2 válvulas de
interface e onde também está inserida uma entrada extra de ar no sistema. Esta entrada de ar também
permite, em zonas mais distante da estação de vácuo, de vazar a rede de coletores e aumentar assim
o vácuo nessas zonas.
Figura A1.2 – Exemplo de um poço de recolha e sistema de interface
Válvula de seccionamento
Câmara da válvula de interface
Depósito de armazenamento e amortecimento
Tubo de aspiração
Tubo de pitot
Tomada de ar Controlador da válvula
Contador
IV
Figura A1.3 - Câmara com 2 válvulas de interface e uma tomada extra de ar
Rede de coletores
A rede de coletores, como se pode observar na figura A1.1, é composta por condutas de diâmetros
entre 110 até 160mm. As tubagens são de PVC e a estanqueidade do sistema é garantida por 2 tipos
de ligações: juntas de PEAD electrosoldadas ou por colagem química que funde as tubagens de PVC.
Os troços ascendentes têm perfil em “dente de serra” como se pode observar na figura A1.4.
Figura A1.4 - Elevação com perfil em "dente de serra"
Medidor de pressão
Entrada extra de ar
V
Estação de vácuo
A estação de vácuo é constituída por:
- Reservatório de águas residuais com reserva de vácuo;
- 2 bombas de águas residuais;
- 3 bombas de vácuo;
- Painel de controlo;
- Poço para libertação de gases com filtro de casca de pinheiro.
A estação de vácuo, que se pode observar na figura A1.5, é de pequena dimensão e encontra-se
dissimulada através de uma rede por forma a não causar grandes impactes visuais com a envolvente.
Foi dimensionada para um caudal de 300l/dia/hab com um fator de ponta de 2,4 ao longo de 10h
Figura A1.5 - Exterior da estação de vácuo
a) Reservatório de águas residuais com reserva de vácuo
O reservatório de águas residuais inclui uma reserva de vácuo bastante grande de modo a manter
níveis adequados de vácuo em todo o sistema. As duas linhas de coletores principais da rede estão
diretamente ligadas ao reservatório. O sistema foi programado para que o nível da água residual no
reservatório nunca ultrapasse a cota de chegada dessas linhas de modo a não afogar o sistema. Por
outro lado, o nível mínimo de água residual no reservatório é calibrado em função das bombas de águas
residuais no sentido de as manter sempre submersas. O reservatório tem uma capacidade de 11000
litros em que 1/3 é para águas residuais e o restante constitui a reserva de vácuo. Na figura A1.6 pode
observar-se a ligação das 2 linhas ao reservatório.
VI
Figura A1.6 - Reservatório de águas residuais com reserva de vácuo
b) Bombas de águas residuais
Existem 2 bombas de águas residuais, cada uma com uma capacidade de 80m3/h. As bombas de águas
residuais permitem o transporte das águas residuais até um coletor gravítico de grande diâmetro
situado fora dos limites da herdade. As bombas podem ser observadas na figura A1.7.
Figura A1.7 - Bombas de águas residuais
VII
c) Bombas de vácuo
Originalmente, foram instaladas 2 bombas de vácuo mas, dado a grande solicitação do sistema, foi
colocado uma terceira de modo a reduzir o tempo de funcionamento das mesmas. O sistema foi
dimensionado de modo a que as bombas não tivessem mais de 10 arranques por hora (sendo o tempo
mínimo de trabalho considerado, para cada arranque, entre os 5 e os 10min). As bombas estão
diretamente ligadas ao reservatório, como se pode observar na figura A1.8, e estão programadas para
manter um nível de vácuo de 850mbar.
Figura A1.8 - Bombas de vácuo ligadas ao reservatório
Os gases libertados pelas águas residuais são libertados através de um poço preenchido com casca
de pinheiro (figura A1.9) funcionando como filtro eliminando os odores.
Figura A1.9 - Poço para libertação de gases preenchido com casca de pinheiro
VIII
d) Painel de controlo
O painel de controlo, ilustrado na figura A1.10, é o órgão da estação que concentra os instrumentos de
comando e é onde é processada toda a informação que é monitorizada nos vários componentes do
sistema. O painel de controlo permite assegurar um funcionamento automático do sistema e inclui um
sistema de alerta caso seja detetado alguma anomalia no sistema. Quando surge um problema no
sistema, é enviado uma notificação do mesmo a um operador por via SMS.
Com vista à melhoria do sistema, encontra-se atualmente em estudo a possibilidade de colocação de
um grupo gerador de modo a garantir que o sistema permaneça em funcionamento em casos de
ocorrerem falhas de energia.
Figura A1.10 - Painel de controlo da estação de vácuo
IX
Anexo 2 – Valores utilizados para o cálculo de NPSH
Figura A2.1 – Representação esquemática das várias grandezas (com os respetivos valores típicos)
intervenientes no cálculo do NPSHdisp (adaptada de AIRVAC)
Quadro A2.1 – Valores típicos das grandezas envolvidas no cálculo do NPSHdisp
Grandeza Descrição Valores típicos [m]
NPSHdisp Carga absoluta útil na aspiração disponível (a calcular)
ha Pressão na superfície do líquido
10,33 m (para nível médio das águas do mar) 10,12 m (a 150 m de altitude) 10,00 m (a 300m de altitude) 8,96 m (a 1200 m de altitude)
hav Altura geométrica de aspiração (a calcular)
Vmax Nível máximo de vácuo no reservatório de armazenamento
5,50 mca 6,80 mca
hs Altura da água residual acima do eixo de referência das bombas
0,3 m (mínimo)
hvap Pressão do vapor absoluta da água residual, à temperatura de bombagem
0,25 mca
hf Perda de carga nas bombas de águas residuais 0,60 m (bombas verticais) 0,30 m (bombas horizontais)
NPSHreq Carga absoluta útil na aspiração exigida (pela bomba)
varia consoante as bombas
X
Anexo 3 – Valores de referência para estimativa dos caudais de águas residuais gerados
Quadro A3.1 – Valores de referência para estimativa de caudais de águas residuais gerados por equipamentos e serviços [adaptado de Metcalf (2003) e Walski (2004)]
Tipo de equipamento Taxa de efluentes gerados
L/(pessoa ou unidade)/dia
Unidade habitacional, residencial
Hotel 200-400
Instituição
De tipo normal 400-600
Hospital 700-1200
Escritório 40-60
Parque de pique-niques, com sanitas com autoclismos 20-40
Restaurante (incluindo sanita)
Normal 25-40
Apenas resíduos da cozinha 11-19
Refeições rápidas 11-19
Bar e cocktail lounge 8-12
De tipo normal, por lugar 120-180
De tipo normal, 24 horas, por lugar 160-220
Taberna, por lugar 60-100
Loja
Primeiros 7.5 m de fachada 1600-2000
Cada 7.5 m adicionais de fachada 1400-1600
Quadro A3.2 – Valores de referência para estimativa de caudais de águas residuais gerados por infraestruturas classificadas do tipo industrial [adaptado de Metcalf (2003) e Walski (2004)]
Categoria Taxa de efluentes gerados
L/funcionário/dia
Serviços de lazer e recreação 1624
Serviços de saúde 345
Serviços de educação 417
Serviços sociais 402
Museus 788
Organizações associativas 803
XI
Anexo 4 – Sistema intercetor do sistema de Alcântara
Sistema intercetor da frente ribeirinha Algés – Alcântara
Figura A4.1 – Planta do sistema intercetor da frente ribeirinha Algés-Alcântara
Figura A4.2 – Representação esquemática do sistema intercetor da frente ribeirinha Algés – Alcântara
(adaptada de Hidra, 2006)
XII
Sistemas intercetores da frente ribeirinha Terreiro do Trigo – Cais do Sodré e Cais do Sodré – Alcântara
Figura A4.3 - Planta dos sistemas intercetores da frente ribeirinha Terreiro do Trigo – Cais do Sodré e Cais
do Sodré – Alcântara
Figura A4.4 – Representação esquemática dos sistemas intercetores da frente ribeirinha Terreiro do Trigo – Cais do Sodré e Cais do Sodré – Alcântara (adaptada de Martins, 2010)
XIII
Anexo 5 – Listagem dos equipamentos e serviços presentes na área de estudo
Restaurantes
- Rut dos pregos - Bar Marine - Doka Grill - Doca - Tertúlia do Tejo - merceariavencedora.com - Capricciosa - Pasta caffé - 5 oceanos - Don Pomodoro - Doca peixe - Café da ponte - Las brasitas - Café In
- Gin Mare - Piazza di mare - Associação Naval de Lisboa - Associação Regional de vela do centro - Clube naval de Lisboa - Posto naútico – Clube Sportivo de
Pedrouço - Federação portuguesa de vela - Nosolo Italia - Portugália - Cafetaria Mensagem (Hotel Altis
Belém) - Vela latina
Snack-Bars, Pastelarias, Pubs e Discotecas
- Café Op Art
- Artisani
- Repª da Cerveja
- Doca de Santo
- Gin Club
- Irish & Co
- Hawaii
- Bar Ganda lata
- Esplanada Tejo
- Bar 38º41' (Hotel)
- Ciao Ciao Italia
- Vela latina Snack-Bar
- Café Lisboa vista do Tejo
- Café do forte
- Havana
- Grupo In
- Discoteca BBC
Museus, Monumentos e Instalações Culturais
- Museu da Electricidade
- Museu da arte popular
- Museu dos combatentes
- Padrão dos descobrimentos
- Torre de Belém
Instalações comerciais
- Espaço docas - Nautiradar - DND.pt
Instalações hoteleiras
- Hotel & Spa Altis Belém 5*
Instalações portuárias
- Doca de Santo Amaro - Doca de Belém - Doca do Bom Sucesso
Diversos
- Associação Naval - Clube ferroviário - escola de remo - Porto de Lisboa - Slowfast Cycles (serviço bicicletas) - BMW Sailing Academy - Alcântara Clube de Padel - Estação fluvial de Belém
- ANC - Associação Nacional de Cruzeiros
- Posto de abastecimento - Galp - Posto de abastecimento - BP - Posto GNR - Fundação Champalimaud
XIV
Anexo 6 – Estimativa das populações equivalentes associadas aos equipamentos da zona ribeirinha Algés – Alcântara
A estimativa dos caudais de águas residuais gerados pelos equipamentos da zona ribeirinha Algés –
Alcântara foi definida com base em tabelas (Metcalf, 2003; Walski, 2004) que definem os valores
médios dos caudais de águas residuais gerados em função do tipo de equipamento e em função da
unidade característica. No caso dos restaurantes, optou-se por utilizar a metodologia que já tinha sido
usada no estudo prévio das infraestruturas de drenagem da frente ribeirinha Algés – Alcântara (HIDRA,
2006) que considerava uma população equivalente de 33% do número total de refeições máximas
servidas (estimadas em função do número de lugares de cada restaurante e considerando duas
refeições diárias por lugar).
Apresenta-se no Quadro A6.1, os caudais de águas residuais gerados e a população equivalente para
cada um dos equipamentos.
Quadro A6.1 – Estimativa dos equivalentes populacionais associados a cada equipamento
ID Nome Tipo Unidade de
medição Nº
Unidades Pop equiv.
[hab] Caudal AR
[L/d] Caudal AR
[L/s]
1 Café Op Art Bar/Pastelaria lugares 40 27 6750 0,078
2 Associação Naval Diversos - - - - -
3 Rut dos pregos Restaurante lugares 100 66 16500 0,191
4 Doca de recreio de Alcântara Marina/Doca - - - - -
5 Bar Marine Restaurante lugares 50 33 8250 0,095
6 Clube ferroviário - escola de remo Diversos funcionários 1 6 1624 0,019
7 Artisani Bar/Pastelaria lugares 50 33 8250 0,095
8 Repª da Cerveja Bar/Pastelaria lugares 100 67 16750 0,194
9 Doca de Santo Bar/Pastelaria lugares 100 67 16750 0,194
10 Gin Club Bar/Pastelaria lugares 75 50 12500 0,145
11 Porto de Lisboa Diversos funcionários 5 1 250 0,003
12 Irish & Co Bar/Pastelaria lugares/refeições 150/300 100 25000 0,289
13 Doka Grill Restaurante lugares 220 145 36250 0,420
14 Hawaii Bar/Pastelaria lugares 100 67 16750 0,194
15 Havana Discoteca lotação 500 76 19000 0,220
16 Grupo In Discoteca - - - - -
17 Doca 6 Restaurante lugares/refeições 75/150 50 12500 0,145
18 Tertúlia do Tejo Restaurante lugares 120 80 20000 0,231
19 Slowfast Cycles (serviço bicicletas) Diversos lugares 15 10 2500 0,029
20 merceariavencedora.com Restaurante lugares 100 67 16750 0,194
21 Capricciosa Restaurante lugares 200 132 33000 0,382
22 Espaço docas Loja - - 7 1800 0,021
23 Pasta caffé Restaurante lugares/refeições 120/240 80 20000 0,231
24 5 oceanos Restaurante lugares 120 80 20000 0,231
25 Don Pomodoro Restaurante lugares 110 73 18250 0,211
26 Doca peixe Restaurante lugares 130 87 21750 0,252
27 Café da ponte Restaurante lugares 120 80 20000 0,231
28 Las brasitas Restaurante lugares/refeições 180/360 120 30000 0,347
29 BMW Sailing Academy Diversos - - - - -
30 Alcântara Clube de Padel Diversos - - - - -
31 Café In Restaurante lugares/refeições 200/400 135 33750 0,391
32 Gin Mare Restaurante lugares 250 167 41750 0,483
33 Piazza di mare Restaurante lugares/refeições 230/460 155 38750 0,448
34 Discoteca BBC Discoteca lugares/refeições 150/300 100 25000 0,289
35 Museu da Eletricidade Museu funcionários 20 63 15800 0,183
XV
ID Nome Tipo Unidade de
medição Nº
Unidades Pop equiv.
[hab] Caudal AR
[L/d] Caudal AR
[L/s]
36 Estação fluvial de Belém Diversos - - - - -
37 Bar Ganda lata Bar/Pastelaria lugares 80 53 13250 0,153
38 Doca de Belém Marina/Doca - - - - -
39 ANC - Associação Nacional de
Cruzeiros Diversos funcionários 2 0,4 100 0,001
40 Nautiradar Loja - - 7 1800 0,021
41 DND.pt Loja - - 7 1800 0,021
42 Associação Naval de Lisboa Restaurante lugares 70 46 11500 0,133
43 Associação Regional de vela do
centro Restaurante lugares 50 33 8250 0,095
44 Clube naval de Lisboa Restaurante lugares 80 53 13250 0,153
45 Centro naútico - Clube Sportivo de
pedrouço Restaurante lugares 50 33 8250 0,095
46 Federação portuguesa de vela Diversos funcionários 4 0,8 200 0,002
47 Posto de abastecimento - Galp Diversos - - - - -
48 Padrão dos descobrimentos Atracão turística
funcionários 5 16 3950 0,046
49 Nosolo Italia Restaurante lugares 120 80 20000 0,231
50 Portugália Restaurante lugares 250 167 41750 0,483
51 Museu da arte popular Museu funcionários 8 25 6320 0,073
52 Esplanada Tejo - Belém Terrace Bar/Pastelaria lugares/refeições 77/153 51 12750 0,148
53 Doca do Bom Sucesso Marina/Doca - - - - -
54 Hotel & Spa Altis Belém 5* Hotel quartos 50 60 15000 0,174
55 Cafetaria Mensagem (Hotel Altis
Belém) Restaurante lugares 100 67 16750 0,194
56 Bar 38º41' (Hotel Altis Belém) Bar/Pastelaria lugares 50 33 8250 0,095
57 Ciao Ciao Italia Bar/Pastelaria lugares 10 7 1750 0,020
58 Posto de abastecimento - BP Diversos - - - - -
59 Vela latina Restaurante Restaurante
lugares/refeições 300/600 200 50000 0,579 60 Vela latina Self-Service Restaurante
61 Vela latina Snack-Bar Bar/Pastelaria
62 Café Lisboa vista do Tejo Bar/Pastelaria funcionários 2 0,4 100 0,001
63 Posto GNR Diversos funcionários 30 8 2040 0,024
64 Torre de Belém Atracão turística
funcionários 5 16 3950 0,046
65 Museu dos combatentes Museu funcionários 8 25 6320 0,073
66 Café do forte Bar/Pastelaria lugares 100 67 16750 0,194
67
Fundação Champalimaud
Laboratórios funcionários 15 21 5175 0,060
68 Centro Clínico
camas 50 200 50000 0,579
69 funcionários 100 16 4000 0,046
70 Auditório lugares 400 48 12000 0,139
71 Centro
exposições - - - - -
72 Darwin's Café lugares 154 102 25410 0,294
73 Cafetaria lugares 200 132 33000 0,382
Total 3800 hab 949889 l/dia 11 l/s
XVI
Anexo 7 – Ficha técnica do grupo eletrobomba e grupo de vácuo
Figura A7.1 – Ficha técnica do grupo eletrobomba da estação de vácuo (AQR/80-1-200 50Hz)
XVII
Figura A7.2 – Ficha técnica das bombas de vácuo (MM 1502 AV 50Hz)
Peças desenhadas
Emissário B
II.2II.3
II.4
II.5
II.5.1
II.6II.7
II.7.1
II.7.2
II.8II.9
II.9.1
II.9.2
II.10
II.10.1
II.10.2
II.10.3
II.11
II.12
II.11.1
II.11.1.2
II.11.1.1
V22V23
V24
V25
V26
V27
V28
V29
B1
V30
V31
V32
V33
V34
V35
B2
D4
D6
D6.1
D9
I
N
T
E
R
C
P
T
O
R
P
A
R
A
L
E
L
O
des escalasdata
ref
CASO DE ESTUDO
proj
MEC_62871
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO - DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CASO DE ESTUDO: IMPLANTAÇÃO DE SISTEMA DE
DRENAGEM SOB VÁCUO PARA A FRENTE RIBEIRINHA
ALGÉS-ALCÂNTARA
SETEMBRO 2015
PLANTA DO TRAÇADO DA REDE DE
DRENAGEM SOB VÁCUO
1:5 000
Grandes emissários unitários/pluviais
Interceptor Algés-Alcântara (doméstico)
Interceptor Algés-Alcântara (conduta elevatória)
Ligação dos descarregadores ao interceptor
Colectores pluviais
Colectores unitários
Descarregadores
Colector sob vácuo secundário
Colector sob vácuo principal
V33
B2
Ligação a poço domiciliário
Ligação a tanque de recolha (Buffer Tank)
Válvula de seccionamento
E.V.
Estação de vácuo
YOHANN LEBOEUF (Nº62871)
Emissário B
Emissário C
Emissário D
EV
II.1
II.1.1
II.2II.3
II.4
II.5
II.5.1
II.6II.7
II.7.1
II.7.2
II.8
V21
II.0 I.0
I.1
I.2
I.3
V1
V2
V3
V22V23
V24
V25
V26
V27
V28
V29
D6
D6.1
D9
D8
D7
D12
D10
EE2
des escalasdata
ref
CASO DE ESTUDO
proj
MEC_62871
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO - DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CASO DE ESTUDO: IMPLANTAÇÃO DE SISTEMA DE
DRENAGEM SOB VÁCUO PARA A FRENTE RIBEIRINHA
ALGÉS-ALCÂNTARA
SETEMBRO 2015
PLANTA DO TRAÇADO DA REDE DE
DRENAGEM SOB VÁCUO
1:5 000
Grandes emissários unitários/pluviais
Interceptor Algés-Alcântara (doméstico)
Interceptor Algés-Alcântara (conduta elevatória)
Ligação dos descarregadores ao interceptor
Colectores pluviais
Colectores unitários
Descarregadores
Colector sob vácuo secundário
Colector sob vácuo principal
V33
B2
Ligação a poço domiciliário
Ligação a tanque de recolha (Buffer Tank)
Válvula de seccionamento
E.V.
Estação de vácuo
YOHANN LEBOEUF (Nº62871)
Emissário D
Emissário E
I.1
I.2
I.3
I.4I.5
I.6I.7
I.8I.9 I.10I.11
I.12I.13
I.14
I.15 I.16 I.17 I.18
I.19
I.20
V1
V2
V3
V4V5
V6V7
V8V9
V10V11
V12V13
V14
V15 V16 V17V18
V19
V20
D12
D10
DJ2
DJ1
D19C
D16
EE3
EE2
PARA ETAR
DE ALCÂNTARA
des escalasdata
ref
CASO DE ESTUDO
proj
MEC_62871
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO - DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CASO DE ESTUDO: IMPLANTAÇÃO DE SISTEMA DE
DRENAGEM SOB VÁCUO PARA A FRENTE RIBEIRINHA
ALGÉS-ALCÂNTARA
SETEMBRO 2015
PLANTA DO TRAÇADO DA REDE DE
DRENAGEM SOB VÁCUO
1:5 000
Grandes emissários unitários/pluviais
Interceptor Algés-Alcântara (doméstico)
Interceptor Algés-Alcântara (conduta elevatória)
Ligação dos descarregadores ao interceptor
Colectores pluviais
Colectores unitários
Descarregadores
Colector sob vácuo secundário
Colector sob vácuo principal
V33
B2
Ligação a poço domiciliário
Ligação a tanque de recolha (Buffer Tank )
Válvula de seccionamento
E.V.
Estação de vácuo
YOHANN LEBOEUF (Nº62871)
I.20
3,70
0,0
0
47,00
0,00200
150
486,40
2,70
1,00
3,80
47
,0
0
50,00
3,80
97
,0
0
89,21
3,90
18
6,2
1
58,29
3,85
24
4,5
0
46,90
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2,27
1,43
2,22
1,38
des escalasdata
ref
CASO DE ESTUDO
proj
MEC_62871
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO - DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CASO DE ESTUDO: IMPLANTAÇÃO DE SISTEMA DE
DRENAGEM SOB VÁCUO PARA A FRENTE RIBEIRINHA
ALGÉS-ALCÂNTARA
SETEMBRO 2015
PERFIL LONGITUDINAL DO
COLETOR PRINCIPAL - LINHA I
1:4 000
YOHANN LEBOEUF (Nº62871)
-5.00
Origem
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Perfis
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(m)
(m/m)
(mm)
(m)
Terreno
Designação
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Perfis
Soleira
Profundidade da Soleira
DISTÂNCIAS
Diâmetros
Declives
(m)
(m)
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(mm)
(m)
Terreno
Designação
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Origem
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(m)
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17
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des escalasdata
ref
CASO DE ESTUDO
proj
MEC_62871
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO - DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CASO DE ESTUDO: IMPLANTAÇÃO DE SISTEMA DE
DRENAGEM SOB VÁCUO PARA A FRENTE RIBEIRINHA
ALGÉS-ALCÂNTARA
SETEMBRO 2015
PERFIL LONGITUDINAL DO
COLETOR PRINCIPAL - LINHA II
1:4 000
YOHANN LEBOEUF (Nº62871)