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Saneamento Ambiental I

1

Universidade Federal do Paraná Engenharia Ambiental

Aula 22 – O Sistema de Esgoto Sanitário: cálculo de vazões e dimensionamento

Profª Heloise G. Knapik

Tratamento de Esgotos

Dimensionamento

Vazão e carga poluidora

Vazão doméstica

Estudos populacio

nais

Consumo médio de

água

Vazão média de

esgoto

Vazão industrial

Vazão de infiltração

Cálculo da rede

Relações dimensionais entre carga e concentração

Equivalente pop.

Tipos de esgotamento sanitário

• SISTEMA INDIVIDUAL OU ESTÁTICO

• Local, individual ou para poucas residências

• SISTEMA COLETIVO OU DINÂMICO

• Coleta e afastamento dos esgotos da área servida


• SISTEMA INDIVIDUAL OU ESTÁTICO

• Local, individual ou para poucas residências

Usualmente algum sistema de infiltração no solo.

Funciona bem nas seguintes condições:

- Pouca densidade populacional

- Áreas rurais

- Solo com boas condições de infiltração

Obs. O nível d’água deverá ser profundo para evitar contaminação com microrganismos patogênicos (p. ex. fossas sépticas, negras, infiltração direta)


• SISTEMA COLETIVO OU DINÂMICO

• Coleta e afastamento dos esgotos da área servida

Elevada densidade populacional → meio urbano

- Sistema unitário ou combinado

- Sistema separador absoluto

• Sistema unitário

• Sistema separador absoluto


• Inconvenientes do sistema combinado:

• Custos iniciais elevados

• Grandes dimensões das canalizações

• Riscos de refluxo de esgoto sanitário para o interior das residências, por ocasião de cheias

• Extravasamento sem tratamento nas ETES na ocorrência de grandes cheias

• Possível ocorrência de mal cheiro proveniente de bocas de lobo e demais pontos do sistema

• O regime de chuvas torrencial no país demanda tubulações de grandes diâmetros, com capacidade ociosa no período seco.


• Vantagens do sistema separador absoluto:

• Afastamento das águas pluviais facilitado (menores distâncias)

• Menores dimensões das canalizações de esgoto sanitário

• Utilização de diferentes tipos de materiais nas tubulações

• Redução de custos e prazos de construção

• Melhoria das condições de tratamento do esgoto sanitário

• Possibilidade de efetuar a obra em diferentes etapas

• Não ocorrência de extravasamento dos esgotos nos períodos de chuva intensa


Esgotos domésticos

Despejos industriais

Águas de infiltração

Origem dos esgotos

Importante analisar de forma separada a origem dos esgotos para a caracterização qualitativa e quantitativa dos esgotos que

chegam à ETE

Origem dos esgotos

• Vazão de esgotos domésticos

• Calculada com base no consumo de água da respectiva localidade (residências, comércio e instituições)

• Consumo de água → função da população de projeto e do consumo médio per capita (QPC)

• Necessário calcular a vazão média e as vazões máxima e mínima para fins hidráulicos e de projeto

(1) Estudos populacionais (2) Consumo médio de água (3) Vazão média de esgoto (4) Variações de vazão: máxima e mínima

Origem dos esgotos

Vazão de esgotos domésticos:

(1) ESTUDOS POPULACIONAIS

• (a) Índice de atendimento ou cobertura

• (b) Projeção populacional

• (c) População flutuante

Origem dos esgotos



• (a) Índice de atendimento ou cobertura

• Fração da população servida / população total

• Condições atuais e de projeto (meta final de 100%)

Função de:

• Condicionantes físicas, geográficas ou topográficas da localidade (nem sempre o atendimento é possível)

• Índice de adesão (população real e potencialmente servida)

• Etapas da implantação da rede coletora e dos interceptores (afeta a vazão na ETE)

Origem dos esgotos



• (b) Projeção populacional

• Crescimento aritmético

• Crescimento geométrico

• Taxa decrescente de crescimento

• Curva logística

• Comparação gráfica entre cidades similares

• Método da razão e correlação

• Previsão com base nos empregos

Origem dos esgotos



• (c) População flutuante

• Regiões turísticas

• Sobrecarga no sistema em determinadas épocas (férias e feriados)

• Feriados: alguns sistemas podem suportar as variações (tratamento com longo tempo de detenção)

• Férias: dimensionamento para uma carga mais elevada e por maior tempo ( 1 a 2 meses)

Origem dos esgotos


(2) CONSUMO MÉDIO DE ÁGUA

• Várias formas de cálculo da “Quota per capita – QCP”: relação com renda, número de habitantes, etc.

• QPC (L/hab.dia)

Vazão consumida e não a vazão produzida

Perdas no sistema

Origem dos esgotos



Porte da comunidade

Faixa da população (hab)

Consumo per capita (QPC) (L/hab.dia)

Povoado rural < 5.000 90-140

Vila 5.000 – 10.000 100-160

Pequena localidade 10.000 – 50.000 110-180

Cidade média 50.000 – 250.000 120-220

Cidade grande > 250.000 150-300

Origem dos esgotos



Fator de influência Comentário

Disponibilidade de água Em locais de escassez de água o consumo tende a ser menor

Clima Climas mais quentes induzem a um maior consumo

Porte da comunidade Cidades maiores geralmente apresentam maior QPC

Condições econômicas da comunidade

Melhor nível econômico associa-se a maior consumo

Grau de industrialização Localidades industrializadas apresentam maior consumo

Medição do consumo residencial Presença de medição inibe um maior consumo

Custo da água Custo mais elevado reduz o consumo

Pressão da água Elevada pressão no sistema de distribuição induz a maiores gastos

Origem dos esgotos



Origem dos esgotos


(3) VAZÃO MÉDIA DE ESGOTOS

Do total de água consumida, nem tudo “retorna” à rede coletora de esgotos:

• Parcela incorporada à rede pluvial (água para irrigar jardins, lavagem de carros, etc)

• Ligações clandestinas diretas na rede pluvial

• Infiltração

Ex. para 40% de perdas e 80% de coeficiente de retorno: de 100 m³/d produzidos, apenas 60 m³/d são consumidos e destes, 48 m³/d

retornam na forma de esgotos

Origem dos esgotos



Coeficiente de retorno (R): razão entre a vazão de esgotos e a vazão de água

R varia de 40 a 100% → usual 80%

Pequenas comunidades R ≈ 40%

Origem dos esgotos



Vazão de esgoto doméstico médio:

𝑄𝐷_𝑀𝐸𝐷 =𝑝𝑜𝑝 .𝑄𝑃𝐶 .𝑅

1000 (m³/d)

𝑄𝐷_𝑀𝐸𝐷 =𝑝𝑜𝑝 .𝑄𝑃𝐶 .𝑅

86400 (L/s)

𝑄𝐷_𝑀𝐸𝐷= vazão média de esgotos (m³/d ou L/s); QPC = cota per capita (L/hab.d); R = coeficiente de retorno

Origem dos esgotos


(4) VARIAÇÕES DE VAZÃO – VAZÕES MÁXIMA E MÍNIMA

• Variações horárias/ diárias/ sazonais:

Consumo de água Geração de esgotos

K1 = 1,2 → coeficiente do DIA de MAIOR consumo

K2 = 1,5 → coeficiente da HORA de MAIOR consumo

K3 = 0,5 → coeficiente da HORA de MENOR consumo

Origem dos esgotos



Vazão máxima

𝑄𝑀𝑎𝑥 = 𝑄𝑀𝑒𝑑 . 𝐾1. 𝐾2 = 1,88 𝑄𝑀𝑒𝑑

Vazão mínima

𝑄𝑀𝑖𝑛 = 𝑄𝑀𝑒𝑑 . 𝐾3 = 0,5 𝑄𝑀𝑒𝑑

Origem dos esgotos



• As flutuações da rede de esgoto são amortecidas ao longo da rede coletora

• Grandes variações podem ser devidas à entrada irregular de águas de chuva na rede de coleta de esgotos

Origem dos esgotos

• Vazão de esgotos industriais

• Função do tipo e porte da indústria, processo, grau de reciclagem/ reuso da água, adoção de práticas de conservação da água, etc.

• Cadastro de grandes usuários: consumo de água e geração de efluentes

• Hidrograma difere do hidrograma doméstico: função do horário de funcionamento da indústria, tipo de produção, etc.

Origem dos esgotos

• Vazão de infiltração

• Tubos defeituosos, juntas, paredes de poços de visita

• Fatores que influenciam na quantidade de água infiltrada:

• Extensão da rede coletora, diâmetro das tubulações, área servida, tipo de solo, profundidade do lençol freático, topografia, densidade populacional (nº de conexões por unidade de área)

• Valores medidos ou tabelados

• NBR 9649 (ABNT): 0,05 a 1,0 L/s.km • Metcalf & Eddy (1991): 0,01 a 1,0 m³/d.km por mm (função do

diâmetro)

Origem dos esgotos

• Vazão de esgoto total média

• Somatório das parcelas de esgoto doméstico, industrial e de infiltração

• Considerando dados referentes ao início e final de plano (p. ex. população, índice de atendimento, projeção de variação de consumo médio per capita, crescimento industrial, etc.)

𝑄𝑀𝑒𝑑 = 𝑄𝐷_𝑀𝑒𝑑 + 𝑄𝐼𝑛𝑑_𝑚𝑒𝑑 + 𝑄𝐼𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎çã𝑜

CARGA PER CAPITA:

• Contribuição de cada indivíduo por unidade de tempo (g/hab.dia)


VARIÁVEL Carga per capita (g/hab.dia)

REFERÊNCIA Faixa Valor usual

DBO 40.0-60.0 54.4 WHO, 1982

Nitrogênio total 6.0-12.0

Chapra et al., 1997; Von Sperling, 2007

Nitrogênio orgânico 2.5-5.0 2.5

Amônia 3.5-7.0 6.4

Nitrito ≈ 0 0

Nitrato 0-5.0 0.25

Fósforo total 0.7-2.5

Fósforo orgânico 0.2-1.0 0.3

Fósforo inorgânico 0.5-1.5 0.7

CARGA AFLUENTE EM UMA ETE:

• Quantidade de massa por unidade de tempo (kg/dia)


Carga = População x Carga per capita

𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑘𝑔

𝑑𝑖𝑎=

𝑃𝑜𝑝 ℎ𝑎𝑏 . 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎 (𝑔

ℎ𝑎𝑏. 𝑑𝑖𝑎)

1000 (𝑔𝑘𝑔

)

CARGA AFLUENTE EM UMA ETE:

• Quantidade de massa por unidade de tempo (kg/dia)


Carga = Concentração x Vazão

𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑘𝑔

𝑑𝑖𝑎=

𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑔/𝑚3 . 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 (𝑚3/𝑑𝑖𝑎)

1000 (𝑔𝑘𝑔

)

g/m³ = mg/L

CONCENTRAÇÃO DE UM DESPEJO:


Concentração = Carga / Vazão

𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑔

𝑚³=

𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑘𝑔/𝑑𝑖𝑎 . 1000 (𝑔/𝑘𝑔)

𝑉𝑎𝑧ã𝑜 (𝑚³𝑑𝑖𝑎

)

EQUIVALENTE POPULACIONAL:

• Traduz a equivalência entre o potencial poluidor de uma indústria (comumente em termos de matéria orgânica) e uma determinada população.


𝐸. 𝑃(ℎ𝑎𝑏) = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝐷𝐵𝑂 𝑑𝑎 𝑖𝑛𝑑ú𝑠𝑡𝑟𝑖𝑎 (

𝑘𝑔𝑑𝑖𝑎

)

𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖çã𝑜 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝐷𝐵𝑂 (𝑘𝑔

ℎ𝑎𝑏. 𝑑𝑖𝑎)

EXERCÍCIO – ESTIMATIVA DE VAZÕES E CARGA DE ESGOTO

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• Rede coletora

• Interceptor

• Emissário

• Estação elevatória

• Sifão invertido

• Estação de tratamento

Partes constituintes de um sistema de esgotamento sanitário:

Partes do sistemas:

• Rede coletora:

• Constituído por ligações prediais, coletores de esgoto e seus órgãos acessórios

Partes do sistemas:

• Rede coletora:

• Ligação predial: trecho do coletor predial compreendido entre o limite do terreno e o coletor de esgoto

• Coletor de esgoto: tubulação da rede coletora que recebe a contribuição de esgoto dos coletores prediais em qualquer ponto de seu comprimento

• Coletor principal: coletor de esgoto de maior extensão dentro de uma mesma bacia

Partes do sistemas:

• Rede coletora:

• Coletor tronco: tubulação da rede coletora que recebe apenas contribuição de esgoto de outros coletores

• Coletor predial: trecho de tubulação da instalação predial de esgoto compreendido entre a última inserção das tubulações que recebem efluentes de aparelhos sanitários e o coletor de esgoto

• Órgãos acessórios: poços de visita, tubos de inspeção e limpeza, terminais de limpeza, caixas de passagem

Partes do sistemas:

• Interceptores e emissários:

• Interceptor: canalização cuja função principal é receber e transportar o esgoto sanitário coletado. Localizado nas partes baixas da bacia. Recebe os efluentes de coletores de esgoto em pontos determinados.

• Emissário: Tubulação que recebe as contribuições de esgoto exclusivamente na extremidade montante

Partes do sistemas:

• Sifões invertidos e passagens forçadas:

• Trechos com escoamento sob pressão

• Transpor obstáculos, depressões do terreno ou cursos d’água, rebaixados (sifões) ou sem rebaixamento (passagens forçadas)

Partes do sistemas:

• Estações elevatórias de esgoto (EEE):

• São instalações destinadas a transferir os esgotos de um ponto (cota normalmente mais baixa) a outro (cota normalmente mais elevada), em diversas partes do sistema:

• Coleta

• Transporte

• Processo de tratamento de esgoto

• Disposição final

• Utilizadas sempre que não for possível ou viável, por razões técnicas e econômicas, o escoamento dos esgotos por gravidade

Partes do sistemas:

• Estações elevatórias de esgoto (EEE):

• Justificativa de uso:

• Terrenos planos e extensos, evitando-se que as canalizações atinjam profundidades excessivas

• Áreas novas situadas em cotas inferiores às existentes

• Reversão de esgotos de uma bacia para outra

• Descarga de interceptores ou emissários em ETE ou corpos receptores, quando não for possível fazer por gravidade.

Partes do sistemas:

• Estação de tratamento de esgoto (ETE):

• Estação onde são utilizadas diferentes técnicas de tratamento, equipamentos, órgãos auxiliares ( canais, caixas, vertedores, tubulações);

• Finalidade de reduzir a carga poluidora do esgoto sanitário e o condicionamento da matéria residual resultante do tratamento.

Partes do sistemas:

• Estação de tratamento de esgoto:

Partes do sistemas:

• Corpo Receptor:

• Qualquer corpo aquático ou solo que recebe o lançamento de esgoto em estágio final

Partes do sistemas:

CONDIÇÕES HIDRÁULICAS:

• Esgoto sanitário: mistura complexa de substâncias orgânicas e minerais dissolvidas, coloidais e sólidos de maior dimensão → pode ocorrer a formação de depósitos nas paredes e no fundo dos condutos

• Dimensionamento: condições satisfatórias de fluxo

Condições hidráulicas:

Condutos Forçados Condutos Livres

• Pressão diferente da atmosfera

• Tubulações fechadas

• Pressão da atmosférica

• Seções fechadas (esgotos e águas pluviais) ou abertas (rios, canais de irrigação)



• Transportar as vazões calculadas máximas e mínimas, tanto para início, como final de plano

• Promover o arraste de sedimentos, garantindo a autolimpeza dos condutos

• Evitar condições que favorecem a formação de sulfetos (anaerobiose séptica) e desprendimento de gás sulfídrico (condições ácidas)



• Máxima altura da lâmina d’água → garantia do escoamento livre (fixado por norma em 75% do diâmetro, para as redes coletoras)

• Mínima vazão → fixada em 1,5 L/s

Dimensionamento hidráulico

Diâmetro e declividade longitudinal do

conduto


DECLIVIDADES MÍNIMA E ECONÔMICA:

• Declividade mínima:

• Garantir o deslocamento e o transporte dos sedimentos usualmente encontrados no esgoto, promovendo a autolimpeza dos condutos, em condições de vazões máximas de um dia qualquer, no início do plano;

• Declividade econômica:

• Evitar o aprofundamento desnecessário dos coletores.


CÁLCULO DO DIÂMETRO DA REDE COLETORA:

• Parâmetros geométricos


• A: área molhada ou área da seção transversal do escoamento

• P: perímetro molhado (fronteira sólida em contato com o fluido)

• B: largura na superfície do escoamento (contato com a atmosfera)

• y: profundidade: altura do líquido acima do fundo do canal

• Rh: raio hidráulico (razão entre a área molhada e o perímetro molhado)

• S: declividade de fundo (declividade longitudinal)

CÁLCULO DO DIÂMETRO DA REDE COLETORA:

• Equação de Manning (escoamento livre):

𝑄 =𝐴 ∙ 𝑅ℎ

23 ∙ 𝐼

12

𝑛

𝑅ℎ =𝐴

𝑃

• Q é a vazão no conduto livre (m³/s);

• Rh é o raio hidráulico (m);

• I é a declividade do fundo do canal (m/m)

• n é o coeficiente de rugosidade de Manning (depende do material de construção das paredes do canal)


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Escoamento permanente e uniforme

• Profundidade, seção molhada, velocidade média e vazão permanecem constantes no conduto

• Linha de carga (carga piezométrica + carga cinética), superfície livre e o fundo do canal são paralelos

Tipos de Tratamento

• Tratamento preliminar (sólidos em suspensão grosseiros)

• Tratamento primário (sólidos em suspensão sedimentáveis e parte da matéria orgânica)

• Tratamento secundário (remoção de carga orgânica e eventualmente nutrientes)

• Tratamento terciário (remoção de carga de nutrientes e poluentes específicos – metais pesados, tóxicos)

• Tratamento e disposição final do lodo

Processos Físicos

Processos Químicos

Processos Biológicos

Tipos de Tratamento

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