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1 Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Hidráulica e Saneamento Caderno de Saneamento Ambiental Capítulo 4: Sistemas de Drenagem Urbana e Esgotamento Sanitário Professor Daniel Costa dos Santos Curitiba, 2013 2 Apresentação do Tema Saneamento Ambiental Este texto, composto por dois volumes, consta de uma compilação de um conjunto textos e documentos referentes as atividades a serem desenvolvidas na disciplina Saneamento Ambiental. Assim sendo, além de serem tratados os temas pertinentes aos módulos em questão, temas afins também serão tratados como o Desenvolvimento, Meio Ambiente, Uso Racional da Água, além de questões Sociais, Políticas e Econômicas. O destaque destes temas correlatos é fundamental para viabilizar o enfoque sistêmico sobre o cenário sócio-político estabelecido, de maneira que se possa melhor entender o papel do Saneamento Ambiental no mesmo. 3 Capítulo 04 Sistemas de Drenagem Urbana e Esgotamento Sanitário 4 I Considerações Iniciais O Brasil é extremamente deficitário em sistemas de esgoto tanto nas áreas urbanas quanto nas áreas rurais. Dados do IBGE demonstram que a cobertura de esgoto tratado no território nacional é de 44,50 %, sendo 51,10 % da população urbana e 15,80% da população rural. Tal realidade é acintosamente refletida no quadro epidemiológico da população brasileira pois, segundo dados do IBGE, é alta a mortalidade infantil por diarréia , patologia esta fortemente associada às condições da infra-estrutura sanitária. Neste ponto, questões cotidianas relacionadas ao ciclo do uso da água devem ser ressaltadas. Muitas comunidades pequenas, por exemplo, mesmo já tendo resolvido a questão da potabilização da água com o uso de sistemas de tratamento de água adequados, sabe-se que estes tornar-se-ão ineficientes na medida da crescente degradação dos mananciais através do lançamento de esgoto bruto sobre os mesmos. Consta de uma questão tanto de sustentabilidade ambiental, como também de saúde pública, onde a necessidade premente de promoção de ambas é indiscutível. Não obstante, é denotado o esforço do quadro científico brasileiro no sentido de encaminhar soluções de tratamento de esgoto eficazes e econômicas. Cabe citar o grande número de pesquisas objetivando, por exemplo, o aprimoramento dos reatores anaeróbios e das lagoas de estabilização. O mesmo pode ser dito em relação aos filtros biológicos em geral, onde a respectiva diversidade de modelos propicia o atendimento de finalidades específicas. Isto posto, procura este trabalho contribuir nesta empreitada de melhor atender a população brasileira em suas necessidades relativas a Saúde Pública e Salubridade Ambiental. Para tanto, o mesmo propõe o desenvolvimento de um sistema híbrido de tratamento de esgoto, o qual deve conter características de fossa séptica e lagoa de polimento em uma única unidade. A intenção é atender as pequenas comunidades, principalmente aquelas de baixa renda, as quais normalmente estão mais expostas às doenças e a ambientes degradados. 5 II Sistema de Drenagem Urbana Introdução Em áreas urbanas são comuns as enchentes e a poluição difusa, problemas estes que afetam seriamente a saúde pública e o meio ambiente. As causas destes problemas são várias, cabendo destaque a dinâmica de ocupação do solo, a redução do tempo de concentração, que aumenta a vazão de pico podendo causar enchentes à jusante, e a ineficiência dos sistemas de drenagem. Assim, a realidade pós-ocupação de uma bacia pode diferir em muito de sua realidade pré-ocupação, em termos da sua capacidade de drenagem de águas pluviais, principalmente se o tipo de ocupação for delineado por acentuada impermeabilização. De maneira a lidar com estes problemas, o objetivo da infraestrutura de drenagem urbana historicamente focou o escoamento rápido das águas pluviais para os fundos de vale, evitando assim empoçamentos e enchentes nas áreas urbanas. Em termos técnicos, o objetivo desta abordagem tradicional de concepção de sistemas de drenagem urbana foi reduzir ainda mais o tempo de concentração da água na bacia hidrográfica (considerar que o tempo de concentração já fora reduzido em função da impermeabilização decorrente do processo de ocupação do solo) pelo aumento da velocidade do escoamento superficial. E tal aumento foi propiciado tanto pela microdrenagem quanto pela macrodrenagem, conceitos estes a serem abordados na sequência. No entanto, tal filosofia de aumento do tempo de concentração, a qual balizadora das concepções dos sistemas de drenagem, apresentou problemas associados como a elevação das vazões, em especial aquelas respectivas às chuvas intensas, o aumento da erosão, dentre outros. Percebeu-se, portanto, que a revisão desta abordagem tradicional fazia-se necessária no sentido de, pelo contrário, aumentar o tempo de concentração. Dado este princípio, para o planejamento adequado para a ocupação do solo assumiram importância condicionantes como a manutenção de regiões ribeirinhas não urbanizadas, o controle e redução da poluição difusa, além da redução do risco de enchentes, do processo de erosão e do processo de assoreamento. Tipologia As intervenções de drenagem urbana podem seguir a abordagem tradicional e, ou, a abordagem da sustentabilidade. Não obstante, quanto a abrangência física, tais intervenções ocorrem nas fontes, pela microdrenagem e pela macrodrenagem. As fontes são basicamente os lotes cujo tipo de ocupação define o tipo de sistema de drenagem a ser concebida. A microdrenagem abrange unidades desde os coletores prediais de águas pluviais e sarjetas até bueiros (bocas de lobo) e galerias. Já a macrodrenagem enfoca os fundos de vale, os cursos urbanos de água e reservatórios naturais e artificiais. 1.Tipologia sob a abordagem tradicional Nas fontes as ações de drenagem ocorrem nos lotes onde, pela abordagem tradicional, prevê-se a instalação de sistemas drenagem de águas pluviais tanto para prédios quanto para estacionamentos, dependendo do tipo de ocupação do lote. A microdrenagem é 6 composta por rede primária urbana, sarjetas, bocas de lobo e galerias enquanto a macrodrenagem atende tais sistemas de microdrenagem. 2 Tipologia sob a abordagem da sustentabilidade A abordagem embasada na premissa da sustentabilidade objetiva o retardo do escoamento superficial de maneira a aumentar o tempo de concentração e de reduzir a vazão de enchente. Para tanto, medidas que controle na entrada da água pluvial nas galerias, que aumentem a infiltração e que promovam a detenção e retenção em reservatórios, o retardo do escoamento nos rios e córregos e a derivação de escoamentos podem propiciar o aumento do tempo de concentração. Microdrenagem 1 Fatores Hidrológicos 1.1 Período de Retorno (T): O período de retorno T é um parâmetro utilizado para a definição das intensidades pluviométricasde projeto. Valores de referência usuais são apresentados na tabela a seguir conforme magnitude da obra e tipo de ocupação da área. Tabela: Períodos de Retorno para diferentes ocupações da área Tipo de obra Tipo de ocupação da área T (anos) Residencial 2 Comercial 5 Microdrenagem Áreas c/ edifícios de serv. ao público 5 Aeroportos 2 – 5 Áreas comerciais e artérias de tráfego 5 – 10 Macrodrenagem Áreas comerciais e residenciais 50 – 100 Áreas de importância específica 500 Fonte: adaptado de Azevedo Netto, 1998. 1.2 Tempo de concentração (tc) O tempo de concentração é o tempo de percurso de um determinado volume de água precipitado desde o ponto mais distante da bacia hidrográfica até a seção de drenagem sob estudo. 1.3 Intensidade Pluviométrica Intensidade pluviométrica é a relação entre a altura da lâmina pluviométrica e o tempo de formação desta lâmina. Consta de um parâmetro que depende das condições locais e é função também do período de retorno. 2 Coeficiente de Escoamento Superficial (C) O Coeficiente de Escoamento Superficial C representa o percentual do volume que escoa superficialmente em relação aquele precipitado. O equacionamento é o seguinte: 7 C = Ves / Vtp, sendo Ves o volume que escoa superficialmente e o Vtp o volume total precipitado. Para a estimativa de C para uma área composta por sub-áreas com diferentes perfis de ocupação é utilizada a média ponderada conforme segue: onde n corresponde as sub-áreas. 3 Elementos de Captação e Transporte 3.1 Sarjetas Sarjetas são canais formados por faixas da via pública e o meio-fio, de seções triangulares, os quais normalmente dimensionados por meio da determinação de sua capacidade hidráulica (máxima vazão de escoamento) a fim de ser comparada com a vazão de drenagem de projeto. Tal comparação permite dimensionar tanto as sarjetas quanto as bocas de lobo. A capacidade das sarjetas pode ser estimada pela fórmula de Manning, com n = 0,016 (concreto rústico): Sarjeta triangular Ao adaptar a equação de Manning para a seção triangular da sarjeta, tem-se: Qo= 375. I 1 /2 . (z/n). yo 8/3 sendo, Qo: capacidade de uma sarjeta em l/s; yo: altura máxima de água na guia, z : inverso da declividade transversal, I : inclinação longitudinal da sarjeta (do greide da rua), n : coeficiente de rugosidade de Manning, Observar que z = yo /wo, onde, A CnAn C 2/13/2 IR n A Q H 8 wo - largura máxima do espelho d'água. ParaQo em m³/s e yo em m a equação de Manning assume a forma: Qo= 0,375. I 1 /2 . (z/n). yo 8/3 De maneira a ajustar a capacidade das sarjetas às condições reais de escoamento que incluem obstruções causadas por resíduos retidos no gradeamento da boca de lobo, recomenda-se a adoção dos fatores de redução conforme tabela a seguir: Tabela: Fatores de redução de escoamento das sarjetas Declividade da sarjeta - % Fator de redução 0,4 0,50 1-3 0,50 5,0 0,50 6,0 0,40 8,0 0,27 10 0,20 Fonte: adaptado de Azevedo Netto, 1998. Cumpre observar que geralmente as guias têm 0,15m de altura e se admite um enchimento máximo variando de 0,10 a 0,13m. Considerando o valor de 0,13 m para a lâmina e a declividade transversal da via pública de 3%, valor usual para ruas de 10m de largura, tem-se: A = 0,280 m² ; P = 4,302 e RH = 0,065m Isto posto, decorre que a capacidade da sarjeta depende apenas da declividade longitudinal da rua. 3.2 Bocas de Lobo Bocas de lobo são elementos instalados na sarjeta para drenar águas das chuvas quando a capacidade desta é ultrapassada. Quanto a tipologia, a boca de lobo pode ser de sarjeta ou mista, esta última quando a sarjeta é combinada com a guia. Para a boca de lobo de sarjeta, na equação acima L é considerado o próprio perímetro P da área livre do orifício, em metros. Já para a boca de lobo mista sua capacidade é a somatória das vazões estimadas tanto para a guia quanto para a sarjeta. Não obstante, como previsto para a estimativa da capacidade da sarjeta, para a boca de lobo igualmente são introduzidos os fatores de redução conforme tabela a seguir. Neste sentido, para efeito de dimensionamento, a boca de lobo é admitida como um vertedor de parede espessa cuja equação para estimar sua capacidade é a seguinte: onde: L: comprimento da abertura (m) H: altura da água nas proximidades (m) – 0,13m no caso padrão de sarjetas 2371,1 HLQ 9 Tabela: Fatores de redução do escoam. para bocas de lobo Localização das sarjetas Tipo de boca de lobo Percentual permitido sobre o valor teórico de guia 80 Ponto Baixo com grelha 50 combinada 65 de guia 80 Ponto grelha longitudinal 60 Intermediário grelha transversal ou longitudinal com barras transversais 60 combinada 110% dos valores indicados para a grelha correspondente Fonte: adaptado de Azevedo Netto, 1998. 3.3 Tubos de Ligação (TL) Tubos de ligação são conexões entre as bocas de lobo e os poços de visita ou as caixas de ligação. 3.4 Poços de Visita (PV) Os poços de visita são conexões que permitem o acesso às galerias para fins de inspeção e desobstrução das mesmas. Para tanto, são normalmente localizadas nos encontros de condutos assim como nas mudanças de seção, de declividade e de direção. 3.5 Galerias As galerias são tubulações coletivas que drenam águas oriundas dos sistemas prediais de águas pluviais e das bocas de lobo. Para a estimativa da capacidade de uma galeria as vazões a serem drenadas devem ser estimadas e, tratando-se de microdrenagem, o método racional pode ser utilizado. Q = C .I . A A estimativa de C para cada trecho da galeria é dada pela seguinte equação: A intensidade pluviométrica I é função do tempo de concentração e do período de retorno. O tempo de concentração tc é considerado igual a duração da chuva t.Portanto para dimensionar o primeiro trecho da galeria o tc é o mesmo da área à montante do inicio da mesma. Para os trechos sequentes o tc será a soma dos tc dos trechos anteriores com tempo de percurso tp do trecho anterior, conforme formulação que segue: tc = tc (anterior) + tp onde: An CnAn C 10 tp = L/v sendo, L = comprimento do trecho anterior v = velocidade real de escoamento do trecho anterior Estimada a vazão por trecho, para o dimensionamento do diâmetro têm-se as seguintes equações a partir da equação de Manning: D = 1,511 (n.Q.I -1/2 ) 3/8 (para lâmina = 0,9D); D = 1,511 (n.Q.I -1/2 ) 3/8 (para seção plena). sendo, Q: vazão a ser drenada; I:declividade do trecho da galeria Não obstante, para dimensionar as galerias, os seguintes critérios que devem ser considerados conforme Azevedo Netto, (1998): diâmetro mínimo das seções circulares: sugerido 300 mm; dimensão mínima na seções retangulares: sugerido altura de 0,50 m; o dimensionamento das seções circulares deve ser à seção plena ou y = 0,95 D; o dimensionamento das seções retangulares deve prever a altura mínima livre de 0,10 H (H = altura); velocidade mínima: sugerido 0,75 m/s; velocidade máxima: sugerido 5,0 m/s; declividade econômica é considerada a declividade do terreno; Medidas de Controle As medidas de controle, ou compensatórias, buscam corrigir, reverter ou prever problemas relacionados àsenchentes e à poluição difusa dos cursos hídricos, problemas estes consequência da ocupação e impermeabilização do solo. Diante deste contexto, tais medidas podem ser estruturais ou não estruturais, conforme discorrido na sequência. 1 Medidas Estruturais As medidas estruturais configuram-se basicamente por obras e são classificadas em vários tipos quanto ao princípio, à localização e à abrangência. Quanto ao princípio, as obras podem ser convencionais ou não convencionais. As convencionais preveem o rápido afastamento das águas pluviais pela implantação de galerias e canais, tamponamento de córregos, ajustes de traçado, aumento das declividades, etc. As obras não convencionais objetivam o retardo do escoamento por intervenções como o controle de entrada, o aumento da infiltração, a detenção e, ou, retenção em reservatórios, o retardo do escoamento nos rios e córregos, a derivação de escoamentos e os diques. 11 Com relação à localização, as medidas podem ser na fonte, nas vias de circulação e à jusante. Na fonte as obras, com o objetivo de retardar o escoamento para a rede de drenagem, ocorrem nos lotes, sejam nas áreas edificadas ou não edificadas. Nas vias públicas de circulação o propósito é retardar o escoamento para o corpo receptor cujas medidas podem ocorrer em calçadas, vias de tráfego, parques, dentre outros elementos da infraestrutura instalada. As obras à jusante, que igualmente objetivam o retardo do escoamento para o corpo receptor, podem ser reservatórios instalados tanto em série quanto em paralelo. Referente à abrangência, as medidas podem ser intensivas ou extensivas. As medidas intensivas são localizadas podendo ser de aceleração do escoamento como a canalização de cursos d’água, de retardamento do escoamento via implantação de reservatórios e recuperação de calhas naturais e de desvio do escoamento pela execução de tuneis de derivação e canais de desvio. As medidas extensivas são distribuídas como, por exemplo, a execução de pequenos reservatórios distribuídos pela bacia, a recomposição da cobertura vegetal e o controle da erosão. A partir desta tipologia geral é possível engendrar uma tipologia mais técnica e específica que possibilite a caracterização das medidas estruturais não convencionais, estas de grande interesse dadas as demandas da sustentabilidade ambiental. Desta forma tais medidas podem ser classificadas em medidas de controle de entrada, de infiltração, de detenção e de retenção. As medidas estruturais não convencionais de controle de entrada objetivam amortecer a vazão de entrada nas galerias das águas oriundas dos lotes. Assim, são possíveis medidas como coberturas verdes, reservatórios de detenção, reservatórios de armazenamento, etc. Já as medidas estruturais não convencionais de infiltração podem ocorrer nos lotes por meio de poços, irrigação de jardins, etc, enquanto nas vias públicas tais medidas poderão ser pela implantação de áreas de infiltração, valas de infiltração, lagoas de infiltração, bacias de percolação e pavimentos porosos. As medidas estruturais não convencionais de detenção e retenção podem ocorrer na fonte via reservatórios domiciliares, reservatórios em quadras de esporte (secos) e praças (lagos) para a melhoria da qualidade da água, ou à jusante via bacias de detenção para o controle de cheias (seco) e bacias de retenção de usos múltiplos para controle de cheias (ocupação permanente), além da melhoria da qualidade da água. 2 Medidas Não Estruturais: As medidas não estruturais abrangem diversas iniciativas que incluem programas, normatização e regulamentação pela legislação. Desta forma, diversas medidas são possíveis como a educação ambiental visando o controle da poluição difusa e da erosão, a regulamentação do uso e ocupação do solo, o seguro-enchente, a previsão de enchentes, os sistemas de alerta, entre outras possibilidades. 12 III Sistema de Esgotamento Sanitário Introdução O Sistema de Esgotamento Sanitário basicamente é composto pela coleta, tratamento e disposição final do esgoto sanitário. Dessa forma, o sistema pode ser o Unitário, no qual escoam tanto o esgoto sanitário quanto águas pluviais, ou o Separador Absoluto, onde o Sistema de Esgoto Sanitário é totalmente separado do Sistema de Drenagem Urbana. Em função de uma série de questões técnicas e de segurança sanitária, a norma brasileira recomenda o sistema separador absoluto. O sistema separador absoluto, o mesmo é composto por rede coletora, estação de tratamento de esgotos e disposição final. Segundo Alem Sobrinho, Tsutiya, 1999, o sistema separador absoluto é basicamente utilizado no Brasil, pois basicamente apresenta as seguintes vantagens: apresenta menos custo quando comparado ao sistema unitário; proporciona maior flexibilidade na execução por etapas, quando comparado a execução do sistema unitário; reduz o custo para drenagem das águas fluviais em função das mesmas não requerem tratamento e, portanto, poderem ser lançadas em cursos hídricos mais próximos; não requer, necessariamente, a pavimentação das vias públicas, condição essa importante para o bom funcionamento do sistema unitário; é reduzida a extensão de tubulações de grandes diâmetros, uma vez que não faz- se necessário a construção de falésias em todas as ruas, como seria no caso do sistema unitário. No entanto, no caso da utilização do sistema único, a rede coletora deve ser dimensionada para receber um esgoto com características diferentes daquelas normalmente previstas para o dimensionamento do sistema separador, além de ser necessário ainda atender critérios específicos para diâmetros mínimos, declividades mínimas, lâminas máximas e mínimas de escoamento, velocidades de início e final de plano, tensão trativa, etc. Em termos práticos, em muitas regiões urbanas brasileiras não há instalação de redes coletoras de esgoto e, assim, expressiva parcela da população utiliza-se do lançamento do esgoto no sistema de drenagem urbana. Tal situação tem sido preocupante por suas conseqüências negativas importantes, como por exemplo: . Apesar de haver diluição do esgoto lançado pelas águas pluviais e a decorrente redução da concentração da matéria orgânica, normalmente significativas cargas de matéria orgânica são lançadas diretamente nos corpos hídricos receptores, além de nutrientes e patógenos. . Considerando ainda que o sistema não foi adequadamente dimensionado e executado para ser um Sistema Único, este não consegue suportar certos níveis de precipitação, o que conduz a alagamentos e, conseqüentemente, à contaminação externa. 13 Caracterização do Esgoto 1 Caracterização Quantitativa do Esgoto 1.1 Vazão de Projeto A vazão de projeto varia com a região, as atividades, os hábitos, as condições sociais e econômicas, a disponibilidade de água, entre outras variáveis. Basicamente, é composta por esgoto doméstico, água de infiltração e contribuições singulares como indústrias, espaços públicos, etc. Faz-se necessário estimar a vazão de início e de final de plano, conforme equações a seguir: Qi = QDi + QIi + QSi para início de plano; Qf = QDf + QIf + QSf para final de plano, Sendo, Q: vazão total; QD: vazão de esgoto doméstico; QI: vazão de infiltração; QS: vazão de contribuição singular; i: indica início de plano; f: indica final de plano. Para o dimensionamento do dimensionamento do sistema de esgotamento sanitário, devem ser conhecidas as vazões de início (QDi) e de final (QDf) de plano.1.2 Vazão de Esgoto Doméstico (QD) As variáveis pertinentes para definir a vazão de projeto são população, contribuição per capita, coeficiente de retorno esgoto/água e coeficiente variação de vazão. A população precisa ser definida para o início e para o final de plano. Para o final de plano, os métodos de previsão populacional que podem ser utilizados são o aritmético, geométrico e regressão. Contribuição Per Capita (qc) é função do consumo efetivo de água per capita (qe) e do coeficiente de retorno. Com relação ao Coeficiente de Retorno (C), sua expressão básica é a seguinte: C = volume de esgoto coletado pela rede volume de água abastecida Normalmente, seus valores variam entre 0,6 e 0,9. Não obstante, na falta de valores obtidos em campo, a NBR 9649 recomenda o valor de 0,8. Já os Coeficientes de Variação de Vazão devem ser considerados pois a vazão de esgoto doméstico varia com a hora do dia, época do ano, temperatura e precipitação atmosférica. Portanto, coeficientes de variação de vazão devem ser considerados, quais sejam: 14 k1 : coeficiente de máxima vazão diária k1=maior vazão diária verificada no ano vazão média diária anual k2: coeficiente de máxima vazão horária k2= maior vazão observada num dia vazão média horária do mesmo dia k3 : coeficiente de mínima vazão diária k3= menor vazão diária verificada no ano vazão média diária anual A NBR 9649 apresenta os valores k1 = 1,2 ; k2 = 1,5 e k3 = 0,5. Desta maneira, as equações básicas são as seguintes: QDimed = Pi . qe . Ci / 86400 QDimax = K2 . Pi . qe . Ci / 86400 QDfméd = Pf . qe . Cf / 86400 QDf max = K1 .K2 .Pf . qe . Cf / 86400 Com essas vazões, é possível a determinação de coeficientes para o dimensionamento das redes coletoras, quais sejam o coeficiente de contribuição linear TL = QD / L e o coeficiente de contribuição por área TA = QD / A. No cálculo dessas taxas, considerar condições de início e fim de plano. 1.3 Vazão de Água de Infiltração (QI) A água de infiltração na rede coletora tem origem no lençol freático e, ou, na precipitação pluviométrica. Os pontos de infiltração da água do lençol freático na rede são as juntas, as paredes dos condutos, os poços de visita, os tubos de inspeção e limpeza, os terminais de limpeza, as caixas de passagem, as estações elevatórias, etc. No entanto, o acesso das águas pluviais á rede pode ser acidental ou clandestino. De maneira a estimar a vazão de água de infiltração na rede coletora, utiliza-se o parâmetro Taxa de Infiltração, o qual é função do material da rede, do tipo de solo, do nível do lençol freático, da qualidade de execução, do tipo de junta, entre outras variáveis. Dados usuais sobre taxas de infiltração são os seguintes: . acima do lençol freático: TI = 0,02 l / s km . abaixo do lençol freático: TI = 0,10 l / s km A NBR 9649 recomenda a faixa de 0,05 a 1,0l / s km. As vazões são as seguintes: QIi = TIi .Li Qif = TIf . Lf 15 Onde, TI: Taxa de infiltração; L: Comprimento da Rede; i: início de plano; f: final de plano. 1.4 Vazões de Contribuições Singulares (QS) A vazão das contribuições singulares deve ser medida, ou estimada, caso a caso. Além disso, o regime de variação da mesma também necessita ser conhecido, pois consta de um dado importante para o dimensionamento da rede coletora. No caso específico das indústrias, estudos preliminares fazem-se importantes no intuito de definir, além da vazão e seu regime de variação, a necessidade, ou não, de prévio tratamento do esgoto na própria planta industrial antes de ser lançado à rede coletora coletiva. Observar que o esgoto industrial necessita de pré-tratamento quando são nocivos à saúde, quando interferem no sistema de tratamento coletivo de esgoto, quando obstruem tubulações e equipamentos, quando podem agredir as tubulações, assim como quando estão à temperaturas elevadas. 1.5 Determinação da Vazão de Projeto A vazão projeto pode ser determinada através de estimativas em função das contribuições médias de esgoto, dos coeficientes de variação, das taxas de infiltração das contribuições singulares, além das condições do início fim do plano. Não obstante, a vazão de projeto pode ser determinada com a utilização de hidrogramas que medem vazões e registram as variações temporais das mesmas. As respectivas equações são as seguintes: Qimed = (Pi . qe . Ci / 86400) + TIi . Li + CSi Qimax = (K2 .Pi . qe . Ci / 86400) + TIi . Li + CSi Qf med = (Pf .qe .Cf / 86400) + TIf .Lf + CSf Qf max = (K1 .K2 .Pf .qe .Cf / 86400) + TIf .Lf + CSf 2 Caracterização Qualitativa do Esgoto O esgoto é caracterizado por suas características físicas, químicas e microbiológicas. Tais características estão apresentadas na sequência. 2.1 Características físicas Como características físicas, destaca-se a matéria sólida, a temperatura, o odor, a cor e a turbidez. O Esgoto contém aproximadamente 0.08% de matéria sólida e 99,92% de água. A temperatura é um parâmetro importantíssimo, pois rege uma série de reações bioquímicas que ocorrem no tratamento do esgoto. A cor e turbidez igualmente são características importantes, uma vez que estão relacionadas às concentrações de sólidos dissolvidos e suspensos, respectivamente. A matéria sólida classifica-se conforme segue. 16 Sólidos Orgânicos Sólidos Sedimentáveis Sólidos Minerais Sólidos Em Suspensão Sólidos Orgânicos Sólidos não Sedimentáveis Sólidos Totais Sólidos Minerais Sólidos Orgânicos Sólidos Coloidais Sólidos Minerais Sólidos Dissolvidos Sólidos Orgânicos Sólidos Dissolvidos Sólidos Minerais 2.2 Características químicas 2.2.1 Natureza dos Compostos Químicos O esgoto é composto de matéria orgânica e inorgânica. Os compostos orgânicos são uma combinação de carbono, hidrogênio e nitrogênio, assim distribuídos: Compostos de proteínas (40 a 60%): produzem nitrogênio e contém carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, fósforo, enxofre e ferro. Carboidratos (25 a 50%): contém carbono, hidrogênio e oxigênio (açúcares, amido, celulose, fibra de madeira). Gordura e óleos (10%). Surfactantes: moléculas orgânicas formadoras de espuma. Fenóis: compostos orgânicos causadores de gosto à água, os quais são oriundos dos despejos industriais. Pesticida: toxicidade Quanto aos compostos inorgânicos, encontram-se na forma de areia e minerais dissolvidos. 2.2.2 Parâmetros Químicos 2.2.2.1DBO É a quantidade de oxigênio utilizada por uma população mista de microorganismos durante a oxidação aeróbia da matéria orgânica contida no esgoto. A Curva de DBO x Tempo, tem-se a seguinte formulação: )101(LDBO ktot Essa formulação é ilustrada na seguinte ilustração. 17 A DBO carbonácea ocorre em função da seguinte reação: MO + O2 CO2 + H2O + MODD + NUTRIENTES Próximo ao 10º dia se desenvolvem bactérias nitrificantes responsáveis pela nitrificação a qual é um processo de oxidação da N-NH3 ao N-NO3. Ocorre em duas etapas: 1º: 2 NH3 + 3 O2(nitrossomas) 2 NO2 - + 2 H + + 2 H2O 2º: 2 NO2 - + O2(nitrobacter)2 NO3 - Portanto, o consumo de OD ocorre tanto pela oxidação da M.O. carbonácea quanto pela nitrificação. Observar ainda que a DBO mede o consumo de OD, exclusivamente dos microorganismos, para a oxidação da matéria orgânica biodegradável, além do eventual consumo pela nitrificação. 2.2.2.2 DQO A DQO mede o consumo de oxigênio durante a oxidação química da matéria orgânica, esta tanto biodegradável quanto não biodegradável, assim como de alguns compostos inorgânicos também. O oxidante utilizado na tese de DQO é o dicromato de potássio (K2 Cr2 O7). Uma vez que a oxidação é exclusivamente química, ou seja, não havendo nitrificação, logo a DQO é relativa tão somente a M.O carbonácea. A relação DQO / DBO pode ser de 1,7 a 2,4 para esgoto bruto e em torno de 3,0 para esgoto tratado.Observar que o esgoto tratado apresenta menor concentração de M.O. biodegradável, pois parcela substancial da mesma é removida no tratamento. Isto explica a maior relação DQO/DBO para o mesmo quando comparada àquela referente ao esgoto bruto. 05 10 15 20 DBO carbonácea DBO carbonácea + nitrificação Tempo (dias) DBO DBO4 DBO5 18 2.2.2.3 Nitrogênio O nitrogênio apresenta-se na atmosfera, esse seu reservatório natural, em grande parte na forma molecular (gasosa – N2) e em parcela menos expressiva como amônia, NH3. Por meio de descargas atmosféricas e pela ação de alguns microorganismos fixadores, como bactérias e algas, o mesmo é extraído da atmosfera. Não obstante, alguns microorganismos também absorvem o nitrogênio nas formas de amônia e de nitrato, os quais são imobilizados nas células na forma de nitrogênio orgânico. Outra atuação dos microorganismos é na desnitrificação, processo no qual do nitrato (NO3 - ) é utilizado o oxigênio (O2) para a oxidação da MO e, então, é liberada o N2 para a atmosfera. A desnitrificação ocorre na fase anóxica, a qual é aquela onde não há OD, mas há NO3 e MO para ser oxidada. No ciclo do nitrogênio, além da ação dos microorganismos já comentada, há também a ação das plantas e dos animais. As plantas absorvem o nitrogênio na forma inorgânica [amoniacal (NH4 + ) ou nitrato (NO - 3)], ou na forma orgânica [uréia (NH4) 2 CO], o qual é imobilizado na forma orgânica. Quanto aos animais, já absorvem o nitrogênio imobilizado (orgânico) em plantas e outros animais. No entanto, nos dejetos destes animais é liberado também o nitrogênio orgânico o qual é transformado em nitrogênio amoniacal pelos microorganismos decompositores. O nitrogênio amoniacal então é nitrificado a NO - 3, forma esta disponível a microorganismos e plantas. Essas formas de nitrogênio podem indicar alguns cenários ambientais, conforme segue: Nitrogênio Orgânico: compõe proteínas animais e vegetais, indica poluição recente. Nitrogênio Amoniacal: forma inorgânica de N, resultado da atuação dos decompositores heterótrofos sobre o nitrogênio orgânico. Nitrito: (NO2 - ) Resultado da oxidação de amônia (NH3). Nitrato (NO3 - ) Resultado da oxidação do nitrito. 2.2.2.4 Fósforo Usualmente, as formas de interesse ambiental são os ortofosfatos, polifosfatos e fósforo orgânico. 2.3 Características Biológicas Os principais são bactérias, fungos, protozoários, vírus, algas e grupos de plantas e de animais. A atuação das bactérias é na decomposição, enquanto a atuação das algas é nas lagoas de estabilização, via oxidação aeróbia e redução fotossintética. Não obstante, ocorre em algumas situações o florescimento de algas em mananciais hídricos devido ao aporte nos mesmos de esgoto com elevadas concentrações de nutrientes. Como indicadores de poluição, são medidas as concentrações as bactérias do grupo coliformes. 19 3 Características Quanti-Qualitativas Constam de parâmetros que associam características quantitativas e qualitativas do esgoto. É o caso da Carga Orgânica (CDBO; CSS), da População Equivalente (Pe) e da População Hidráulica Equivalente (PHE). A Carga Orgânica é um parâmetro utilizado para projetar processos de tratamento de esgoto. É apresentado em DBO ou SS. População Equivalente é o número de habitantes que produzem uma carga orgânica igual ao esgoto de uma determinada indústria, enquanto que a População Hidráulica Equivalente é o número de habitantes que produzem uma vazão igual a de uma determinada indústria. As respectivas formulações matemáticas constam a seguir: dia L1000 L mg dia m L mg C 3 DBO dia.1000 Kg dia g dia L1000mg CDBO 1000 QDBO )dia/Kg(C )dia/m()L/mg( DBO 3 )dia.hab/g( )dia/kg(DBO )hab( 54 C Pe )dia.hab/m( )dia/m( )hab(HE 3 3 2.0 Q P Isolando a DBO: DBO (mg/L) = 1000 . CDBO / Q ; CDBO : kg DBO / dia ; Q : m 3 / dia, Observar que a DBO do esgoto bruto, assim como a vazão, contém as parcelas de esgoto doméstico, do esgoto industrial e da infiltração. Logo, a CDBOe a Q são dadas pelas seguintes equações, respectivamente: CDBO = CDBO/ED + CDBO/I + CDBO/CS Q = QED + QIA + QIB Outro parâmetro importante é a População Equivalente, PE, que apresenta a seguinte equação: PE = CDBO/CS / CDBO/Pessoa Rede de Coleta 1 Componentes e Tipologia A rede coletora é um conjunto de canalizações que coleta e conduz os esgotos sanitários. É composta por tubulações e acessórios, quais sejam: a) Tubulações: Coletor Secundário, Coletor Tronco, Interceptor e Emissário; 20 b) Acessórios: Usualmente são os seguintes: Sifões Invertidos, Poços de Visita (P.V.), Terminal de Limpeza (TL) e Terminal de Inspeção e Limpeza (TIL). A rede coletora pode ser classificada quanto a macro-estrutura e quanto a micro- estrutura. Quanto a macro-estrutura, tem-se: a) Perpendicular: coletores tronco independentes e perpendiculares ao curso da água, com ou sem interceptor; b) Leque: para terrenos acidentados; c) Distrital e Radial: necessita recalque, como em cidades planas. Quanto a micro-estrutura, divide-se em redes simples ou dupla, onde na rede simples a tubulação é lançada sob a via de tráfego, enquanto na rede dupla é lançada uma tubulação sob cada passeio. 2 Dimensionamento 2.1 Requisitos Hidráulicos e Sanitários Para o dimensionamento de uma rede coletora é importante atender requisitos hidráulicos e sanitários. Nesse contexto, é importante destacar: As tubulações devem ter a capacidade de conduzir vazões máximas e mínimas; As tubulações são dimensionadas para que o regime de escoamento seja livre em coletores e interceptores e forçado em sifões invertidos e linhas de recalque. Nos emissários, o escoamento pode ser livre ou forçado; Deve ser garantida a autolimpeza das tubulações. Para tanto, no dimensionamento, podem ser adotados dois critérios para verificação, quais sejam, o Critério da Velocidade e o Critério da Tensão Trativa. O Critério da Velocidade estabelece uma velocidade mínima de transporte da matéria sólida, sendo que essa velocidade deve ser tal que garanta que a lâmina mínima seja sempre atendida. A Tensão Trativa é a tensão tangencial exercida sobre a parede do tubo pelo líquido escoando, onde o valor crítico da mesma, denominado Tensão Trativa Crítica, é aquele valor mínimo capaz de iniciar o movimento das partículas depositadas nas tubulações. Para ambos critérios, é fundamental haver uma declividademínima na tubulação; O atendimento da declividade mínima da tubulação, propiciando assim a autolimpeza nas tubulações, é importante também para evitar ou minimizar a geração de sulfeto de hidrogênio (H2S) na mesma. Isso pode ocorrer, pois a matéria orgânica ao estagnar-se no fundo da tubulação pode entrar em decomposição anaeróbia, condição essa geradora de H2S. Nos trechos da rede coletora onde é previsto o escoamento livre, deve ser garantido que a lâmina máxima seja atendida de maneira a propiciar um espaço para o escoamento dos gases e para evitar trechos sob escoamento forçado; A velocidade máxima deve ser obedecida a fim de não causar abrasão nos tubos. 21 2.2 Equações Básicas e Critérios de Dimensionamento 2.2.1 Vazões de Projeto para Rede Coletora É importante definir a vazão de início e de final de plano, conforme equações apresentadas no Item 1.5. As vazões máximas de início de plano são importantes para definir a capacidade de autolimpeza das tubulações. As vazões médias de final de plano são determinantes para avaliar a capacidade de autodepuração do corpo hídrico receptor e para definir e dimensionar o sistema de tratamento de esgoto. A vazão máxima de final de plano é importante para definir os diâmetros dos trechos da rede coletora. 2.2.2 Taxas de Contribuição As equações são as seguintes: a) Cálculo de Taxa de Contribuição Linear Inicial (TLi): TLi = (QDi / Li) + Ti b) Cálculo de Taxa de Contribuição Linear Final (TLf): TLf = (QDf / Lf) + Tf Podem ser estimadas também as Taxas de Contribuição por Área, tanto inicial quanto final. 2.2.3 Vazões de Projeto para Trechos de Tubulação Devem ser estimadas as vazões de montante, de jusante e de contribuição, conforme equações seguintes. a) Vazão de Montante: QMi = somatório das vazões iniciais de montante QMf = somatório das vazões finais de montante b) Vazão de Contribuição no Trecho: inicial: QTi = TLi . Lt final: QTf = TLf . Lt onde: Lt é o comprimento do trecho. c) Vazão de Jusante: inicial: QJi = QMi + QTi final: QJf = QMf + QTf Considerar que, conforme norma, o a vazão mínima deve ser de 1,5 l/s em cada trecho de tubulação da rede. 2.2.4 Determinação da Declividade I: Calcular a declividade mínima da tubulação e a declividade do terreno. Para Imin, tem- se Imin = 0,0055.(Qimax) -0,47 , onde Qimax é em L/s e I é em m/m. A maior entre as duas declividades calculadas será a declividade I de projeto. Cabe destacar que tal equação foi construída em função da equação de Manning, a qual V = (RH 2/3 . I 1/2 ) / n. 2.2.5 Determinação do Diâmetro: 22 Determinar o diâmetro para Qfmax , Y/D = 0,75 e n = 0,013 , conforme norma. Logo, para D tem-se D = [0,0463. (Qfmax/ I 0,5 )] 0,375 , sendo Qf em m 3 /s e D em m. Observar que a relação (y/D) máximo 0,75 deve ser atendida para garantir o escoamento livre nos trechos pertinentes. Destaca-se também que o diâmetro mínimo deve ser de 100 mm, conforme norma específica. 2.2.6 Determinação dos Raios Hidráulicos Inicial (RHi) e Final (RHf): Valores determinados conforme aplicação da equação de Manning. O Rhi é importante para definir a Tensão Trativa Crítica. Os parâmetros e valores da Eq. de Manning são apresentados em tabela em anexo. No entanto, a tabela auxiliar para determinação do raio hidráulico, em função de Y/D, consta a seguir: Tabela: Relação entre Raio Hidráulico e Lâmina do Escoamento Y/D = RH/D Y/D = RH/D 0,025 0,016 0,550 0,265 0,050 0,033 0,600 0,278 0,075 0,048 0,650 0,288 0,100 0,064 0,700 0,297 0,125 0,079 0,750 0,302 0,150 0,093 0,775 0,304 0,175 0,107 0,800 0,304 0,200 0,121 0,825 0,304 0,225 0,134 0,850 0,304 0,250 0,147 0,875 0,301 0,300 0,171 0,900 0,299 0,350 0,194 0,925 0,294 0,400 0,215 0,950 0,287 0,450 0,234 0,975 0,277 0,500 0,250 1,000 0,250 2.2.7 Determinação das Velocidades Inicial (Vi) e Final (Vf): Valores determinados conforme aplicação da equação de Manning. Observar que pelo Critério da Velocidade para autolimpeza das tubulações, recomenda-se V 0,6 m/s e (y/D) mínimo 0, 2, valores a serem observados no início do plano. Já a velocidade máxima, que ocorrerá no final do plano, deve ser inferior a 5,0 m/s para evitar o efeito de abrasão sobre os tubos. 2.2.8 Determinação da Tensão Trativa: É dada pela equação i = . RH. I, onde i em kgf / m2, = 1000 kgf / m3, RH em m e I em m/m. Conforme já comentado, o raio hidráulico considerado é o raio hidráulico inicial pois é nas condições de início de plano que interessa avaliar a condição de autolimpeza. A recomendação é garantir τc 0,10 kgf / m2 para coletores e τc 0,15 kgf / m 2 para interceptores. 2.2.9 Velocidade Crítica: 23 A equação é Vc = 6 (gRH) 0,5 , onde se Vf>Vc, logo Yf / D = 0,5. A entrada de ar no meio líquido tende aumentar a altura da lâmina de água na tubulação. Passa a ocorrer uma oscilação entre o regime livre e a força de o que pode danificar o tudo. Logo, quando VfVc, momento a partir de qual há entrada de ar na tubulação, é importante propiciar (y/D)0,5 de maneira a garantir a ventilação de tudo. Conforme em Sobrinho, Tsuya, o número de Boussinesq é que melhor representa o fenômeno de entrada de ar no meio líquido. Sua formulação é a seguinte: B = Vc / (g . RH ) 0,5 Quando B = 6,0 , inicia-se o processo de mistura ar líquido. Logo, Vc = 6(g . RH ) 0,5 onde,Vc: velocidade crítica, m/s;g = 9,81 m/s 2 ;RH = m. Observar que neste caso a velocidade do escoamento V é igual a Vc. No entanto, para B>6,0 , V > Vc. 3 Diretrizes para Concepção da Rede Coletora de Esgoto As fases para concepção e projeto de uma rede coletora de esgoto são a caracterização de fatores intervenientes, o diagnóstico sistema existente, a definição dos parâmetros de projeto, a definição de alternativas e pré – dimensionamento das mesmas, a definição da alternativa mais atrativa, considerando custo benefício e impactos e o estabelecimento das diretrizes gerais do projeto. Não obstante, as seguintes diretrizes podem ser consideradas para definir o melhor traçado do sistema de esgoto: - Estudo da população a ser atendida; - Separar pontos de grandes contribuições singulares (indústrias, hospitais, etc.); - Prever as vazões; - Fazer um traçado preliminar, observando a topografia; - Traçado da rede de coletores de esgoto na via pública: Profundidades máximas dos coletores: Passeio: de 2,0 a 2,5 m, dependendo do tipo de solo; Via de Tráfego e nos terços: de 3,0 a 4,0 m. Profundidades mínimas dos coletores de esgoto na via pública: Passeio: recobrimento superior a 0,90 m; Via de Tráfego: recobrimento superior a 0,65 m. - Encaminhar a localização da tubulação na via, onde há dois tipos de redes, a Rede Dupla e a Rede Simples. A rede dupla é ilustrada na figura a seguir. 24 Edifício Edifício Edifício Edifício Edifício Edifício Edifício Edifício Edifício Edifício Edifício Edifício Rede de Esgoto Alinhamento Predial Calçada Rede de Água TIL (Terminal de Inspeção e Limpeza) Conexão Cruzeta Sua utilização é recomendada na ocorrência de pelo menos um dos seguintes casos: Vias Públicas com tráfego intenso; Vias Públicas com largura entre os alinhamentos dos lotes igual ou superior a 14 m para ruas asfaltadas, ou 18 m para ruas de terra; Vias com interferênciasque impossibilitem o assentamento de coletores nas vias de tráfego, ou que constituam empecilho à execução das ligações prediais. Nesses casos, a tubulação poderá ser assentada no passeio, desde que a sua largura seja de preferência superior a 2,0 m e a profundidade do coletor não exceda a 2,0 m ou a 2,5 m, dependendo do tipo de solo, e que não existam interferências que dificultem a obra. Caso não sejam possíveis estas soluções, pode-se lançar a rede na via de tráfego, próxima à sarjeta. Quanto a rede simples, pode ser utilizada caso não ocorra nenhuma das observações citadas acima, os coletores poderão ser lançados no eixo ou no terço da via de tráfego. Observar figura a seguir. TIL ou PV - Via de Tráfego TIL - Passeio TIL - Ligação Condominial TIL ou PV Via Tráfego TIL Passeio TIL Ligação Domiciliar 25 A configuração das posições das tubulações de água e esgoto no leito carroçável é apresentada na figura a seguir. Cabe observar que a rede coletora de esgoto deve ficar abaixo da rede de distribuição de água a fim de evitar contaminação da água nesta última quando houver vazamentos na primeira. O lançamento das canalizações em valas rasas requer alguns procedimentos no sentido de protegê-las da atuação de esforços excessivos causados pelas atividades seja sobre o leito carroçável, seja sobre o passeio. Outro fator a ser ilustrado refere-se as conexões utilizadas nas redes coletoras, como os poços de visita. Na figura seguinte, são apresentados esquemas demonstrando poços de visita com configuração típica e poços com configuração onde é instalado um tubo de queda. Rede de Esgoto 90 cm Rede de Água 80 cm Coletor Predial Passeio Caixa de Inspeção Caixa de Inspeção Alinhamento Predial 1/3 da distância da via de tráfego TIL - Ligação Domiciliar 26 Generalidades sobre Tratamento de Esgoto 1 Princípios Sobre o Tratamento de Esgoto Os sistemas de tratamento de esgoto têm por função basicamente a remoção de matéria orgânica, nutrientes e microrganismos patogênicos de maneira a promover a proteção ambiental e a saúde pública, respectivamente. Neste sentido o tratamento pode ser de natureza física, química e biológica. Considerando que esse texto prioriza a abordagem do tratamento do esgoto doméstico, serão destacados conceitos sobre a biologia do tratamento do esgoto. 1.1 Princípios Relacionados a Física do Tratamento do Esgoto Os processos físicos objetivam, através de processos de interceptação (grades) e de processos de sedimentação (caixas de areia, decantadores, fossas sépticas, etc.), a remoção dos sólidos grosseiros e sedimentáveis, respectivamente. 1.2 Princípios Relacionados à Biologia do Tratamento do Esgoto Os processos biológicos, conjuntamente com os processos físicos, são os mais utilizados no Brasil para o tratamento de esgoto doméstico. Basicamente dividem-se em processos aeróbios, cujo agente oxidante é o oxigênio dissolvido, e em anaeróbios onde os agentes Poço de visita típico Poço de visita com tubo de queda 27 oxidantes são nitratos, sulfatos e dióxido de carbono. São exemplos representativos o sistema de lodo ativado, a lagoa de estabilização, o reator anaeróbio, o filtro biológico e a própria fossa séptica, já citada. Existem ainda os processos biológicos facultativos onde, em uma mesma unidade, desenvolvem-se simultaneamente os processos aeróbios e anaeróbios. 1.2.1 Sobre a Atuação dos Microrganismos Classificação e Estrutura Celular Os microrganismos classificam-se em Monera / Protista, onde a diferenciação celular inexiste, e Vegetal / Animal, onde a diferenciação celular elevada, contendo células, tecidos, órgãos e aparelhos. A estrutura das células é apresentada na ilustração a seguir. Matéria e Energia Utilizadas Necessidades do Ser Vivo são crescimento, locomoção, reprodução e, para tanto, são necessários energia, carbono e nutrientes pelo mesmo. As Fontes de Energia a luminosa e a química, enquanto as Fontes de Carbono são o CO2 e a matéria orgânica. Assim, os microrganismos podem ser autótrofos e heterótrofos. Os microorganismos autótrofos utilizam gás carbônico (CO2), água, nutrientes e energia luminosa, retidas na clorofila, para a síntese, por meio da fotossíntese, de novas células. Neste sentido, os microorganismos autótrofos são considerados “acumuladores de energia”. Já os microorganismos heterótrofos utilizam a M.O. para obter a energia para síntese de novas células. Especificamente, esta energia é obtida pela oxidação da glicose. São considerados consumidores de energia. O Metabolismo dos Microrganismos é função da atuação das enzimas que catalizam reações químicas, onde as Endoenzimas são Enzimas Intracelulares e as Exoenzimas são Enzimas Extracelulares. Nesse processo, na remoção de MO do Esgoto ocorre uma assimilação de energia nas células, sendo que as formas de geração são a Respiração (desassimilação oxidativa) e a Fermentação (desassimilação fermentativa). Na Oxidação a matéria orgânica ou inorgânica, a qual é Área Nuclear (DNA) Membrana Celular Parede Celular Ribossomas ( RNA) Citoplasma 28 doadora de elétrons, é reduzida pelo agente oxidante (O2, NO3 - , SO4 2- , CO2), que é aceptor de elétron. Os Aceptores Preferenciais, os quais liberam mais energia são O2, NO3 - , SO4 2- , CO2. Quanto a Respiração, os organismos classificam-se em aeróbios estritos, que utilizam oxigênio, os facultativos que utilizam oxigênio e depois o nitrato e os anaeróbios que utilizam o sulfato e o dióxido de carbono.As formas preferenciais são: 1 o Aeróbia / O2; 2 o Anóxica / NO3 - (desnitrificação) ; 3 o Anaeróbia / SO4 2- (dessulfatação) ; 4 o Anaeróbia / CO2 (metanogênese) . No caso da metanogênese, têm-se os tipos Hidrogenotrófica, onde o metano produzido a partir do H + , e a Acetotrófica, onde o metano produzido a partir do C orgânico na forma de acetato (ácido acético). O conjunto de reações acima citado apresenta as seguintes formulações: 1) Aeróbia: C6H12O6 + 6O2>6C02 + 6H2O 2) Desnitrificação (Condições Anóxicas): 2NO3 - -N + 2H + > N2 + 2,5O2 + H20 3) Dessulfatação (Condições Anaeróbias): CH3COOH + SO4 2- + 2H + > H2S + 2H2O +2CO2 4) MetanogêneseHidrogenotrófica (Condições Anaeróbias) 4H2 + CO2> CH4 + 2H2O 5) MetanogêneseAcetotrófica (Condições Anaeróbias) CH3C00H > CH4 + CO2 Neste contexto, observar que a produção de lodo é maior nas reações aeróbias pois estas liberam mais energia, implicando em maior velocidade na reprodução do microorganismos e conseqüente maior velocidade (maiores taxas) na estabilização da MO. O substrato menos oxidado (mais reduzido) tem mais energia. Logo, o mesmo dispõe de mais elétrons para doar. 1.2.2 Sobre a Tipologia dos Microrganismos Basicamente são as Bactérias, as Algas, os Protozoários, os Rotíferos e os Fungos. As Bactérias são organismos unicelulares e os principais estabilizadores da MO. Podem ser heterotróficas ou autotróficas e atuam nos Processos Aeróbios, Anaeróbios e Facultativos. As bactérias Heterotróficas usam matéria orgânica como fonte de energiae carbono e são classificadas em função do uso do oxigênio, a saber: Aeróbias: O.D (livre) Matéria Orgânica+ O.D (LIVRE) CO2 + H2O + Energia 29 Anaeróbias: ausência de O.D, usam oxigênio ligado a outros compostos. Matéria Orgânica+ NO - 3 CO2 + N2 + Energia Matéria Orgânica+ SO - 4 CO2 + H2S + Energia Matéria Orgânica Ácidos Orgânicos + CO2 + H2O + Energia CH4 + CO2 + Energia As bactérias Autotróficas usam matéria inorgânica como fonte de e CO2 como fonte de carbono. A classificação é a seguinte: Da nitrificação: Oxidam NH3 em primeiro NO - 2 e em segundo NO - 3. Do enxofre: H2S + Oxigênio H2 SO4 +Energia Matéria Orgânica+ SO - 4 CO2 + H2S + Energia Matéria Orgânica Ácidos Orgânicos + CO2 + H2O + Energia CH4 + CO2 + Energia Do ferro: Fe ++ (ferroso) + Oxigênio Fe +++ (férrico) +Energia Fe +++ em solução aquosa Fe (OH)3+Energia : Assimilado pelas bactérias e posteriormente liberado. As Algas utilizam CO2 na fotossíntese e para sobrevivência e reprodução e liberam O2. A energia é solar, porém, na falta de luz, o O2 é usado para degradar o nutriente armazenado, visando a produção de energia. Cabe ainda destacar que as mesmas são atuantes nas lagoas facultativas e produzem oxigênio livre via fotossíntese. Os Protozoários são organismos Unicelulares que se alimentam de Algas, Bactérias e outros Microorganismos. Alguns são Patogênicos e atuam nos Processos Aeróbios e Facultativos. Já os Rotíferos alimentam-se de Bactérias e MO a presença dos mesmos no Efluente indica eficiência do tratamento. Já os Fungos sobrevivem em baixo pH e são filamentosos e, assim, dificultam decantabilidade do lodo. 1.2.3 Crescimento dos Microrganismos O crescimento dos microrganismos pode ser disperso, onde há formação de flocos que ficam suspensos na água, e aderido, onde há fixação sobre um meio suporte, formando biofilme. No crescimento disperso, há formação de flocos, onde o floco consta de composto aglutinado numa estrutura. A composição do mesmo é MO, material inerte e microrganismos, havendo gradiente de OD no interior do floco. Este formado, a MO suspensa é removida via sedimentação. No Crescimento Aderido, há formação de Biofilme onde há a fixação de microorganismos em suporte sólido ou suspenso. Assim, ocorre que o biofilme viabiliza retenção de elevada concentração de biomassa por considerável período de tempo. Os estágios de formação do Biofilme são os seguintes: 30 Espessura Fina: Superfície do suporte não totalmente coberta Espessura Intermediária: Espessura constante da camada ativa Espessura Elevada: - crescimento e decaimento bacteriano ocorrendo simultaneamente; - desalojamento de partes do biofilme; - entupimento do biofiltro. Para engendrar um comparativo entre o crescimento disperso e aderido, é importante considerar variáveis como o TDH, tempo de detenção hidráulica, e o Tgc, tempo de geração celular. Assim, a) Sistema Disperso: para crescimento microbiano, Tdh>Tgc , de maneira a assegurar o crescimento das células dentro do reator. b) Sistema com Biofilme Tdh pode ser menor que Tgc, pois as células ficam aderidas no suporte, implicando em menor volume do reator; fixação das células no suporte reduz necessidade de posterior clarificação; taxa de remoção de substrato pode ser maior que para o sistema disperso; para biofilme de espessura elevada, há limitações para a difusão da MO no mesmo. A fim de exemplificação, entre os sistemas dispersos cabe citar as Lagoas de Estabilização e os Lodos Ativados, enquanto entre os aderidos cita-se o Filtro Biológico, Biodisco, Biofiltro Aerado, Filtro Anaeróbio, Disposição no Solo, entre outros. 1.3 Aspectos Relacionados à Química do Tratamento do Esgoto Os processos químicos, de larga aplicação no tratamento dos efluentes industriais, são importantes tanto nos fenômenos de coagulação e floculação para posterior decantação dos sólidos não decantáveis, quanto nos fenômenos de desinfecção do esgoto. 2 Autodepuração de Cursos Hídricos Equilíbrio natural entre os fenômenos de desoxigenação e reaeração em um recurso hídrico, a medida que a matéria orgânica estabiliza-se ao longo do tempo. A decomposição pode ser aeróbia e anaeróbia, enquanto a reaeração é física ou via fotossíntese. A formulação do processo, em condições aeróbias, pode ser pelo modelo Streeter-Phelps, conforme o seguinte equacionamento: t.k o t.kt.k 12 o1 221 10D)1010( kk Lk D D: déficit de O.D no tempo t (mg/L); K1: coeficiente de desoxigenação (dia –1 ) com valores de: 0.08 a 0.10 para esgoto tratado; 0.20 a 0.30 para esgoto bruto. 31 K2: coeficiente de reaeração (dia –1 ) com valores de: 0.09 para escoamento lento; 1.3 para escoamento rápido. t: tempo após lançamento do esgoto (dia). Do: Valores de saturação de OD (mg/L), que variam com a temperatura. Observar tabela abaixo. Temperatura ( o C) p/água 10 15 20 25 O.D sat (mg/L) 11.3 10.2 9.2 8.4 Sistemas de Tratamento de Esgoto 1 Considerações Sobre o Tratamento 1.1 Efluentes Domésticos Conforme já comentado, os sistemas de tratamento de esgoto têm por função basicamente a remoção de matéria orgânica, nutrientes e microorganismos patogênicos, e podem ser de natureza física, química e biológica. Não obstante, em função da eficiência destes processos de tratamento, os mesmos são também classificados em preliminar, primário, secundário e terciário, configurando assim níveis de tratamento. Nos níveis preliminar e primário, predominam os processos físicos, enquanto no nível secundário predominam os processos biológicos. No nível terciário, por sua vez, ocorrem fenômenos químicos e biológicos, predominantemente. Sobre alguns destes sistemas no entanto, são pertinentes algumas observações. Os sistemas de lodos ativados usuais classificam-se em convencionais, por aeração prolongada e de fluxo intermitente. São sistemas de grande eficiência na remoção de matéria orgânica, porém para tanto, faz-se necessário considerável consumo de energia. Os reatores anaeróbios no entanto são menos eficientes na remoção de matéria orgânica que os sistemas de lodos ativados, mas além destes reatores não consumirem energia, geram a mesma em forma de biogás. Cabe citar os tipos Tanque Séptico, UASB, modelos estes usuais no Brasil. Outro tipo de sistema bastante usado no Brasil, principalmente na Região Nordeste em função do clima apropriado, é a Lagoa de Estabilização. Existem diversas variantes como a Lagoa Facultativa, a Lagoa Anaeróbia, a Lagoa Aeróbia, Lagoa Aerada, e a Lagoa de Maturação (Polimento). Diversas combinações entre as mesmas são possíveis, configurando portanto sistemas conjugados. 1.2 Efluentes Industriais 1.2.1 Estudos Preliminares para Concepção do Sistema de Tratamento 32 Inicialmente, algumas variáveis quantitativas e qualitativas devem ser definidas. As quantitativas são a vazão, a população equivalente (Pe) e a população hidráulica equivalente (Phe). As variáveis qualitativas são várias, onde a natureza do despejo definirá aquelas a serem identificadas. Em geral, são importantes a DBO, DQO, óleos e graxas, pH, sólidos totais, suspensos e dissolvidos, nutrientes, metais pesados, entre outras. A vazão é específica para cada indústria, assim como sua variação ao longo do tempo.A população equivalente é o número de habitantes que produzem uma carga orgânica igual ao esgoto de uma determinada indústria. A população hidráulica equivalente, por sua vez, é o número de habitantes que produzem uma vazão igual a de uma determinada indústria. Quanto a caracterização qualitativa do esgoto industrial, para fins de ilustração, é apresentada uma caracterização genérica do mesmo na tabela a seguir, na qual constam também valores de variáveis usuais em esgoto sanitário, para fins de comparação. Tabela: Algumas Características do Esgoto Doméstico e Industrial Parâmetros Esgoto Doméstico Esgoto Industrial Laticínios Abat. de Bovinos Sólidos Totais (mg/L) 800 1600 3300 DBO (mg/L) 200 1000 1400 NTotal (mg/L) 35 50 150 Fósforo Total(mg/L) 10 12 16 Observar o quanto é alta a DBO do esgoto de laticínios e abatedouros de bovinos quando comparados ao esgoto doméstico. São características fundamentais na concepção do tratamento do esgoto industrial. Ou do sistema público de tratamento de esgoto, que recebe uma composição de esgoto doméstico e industrial. A concentração da matéria orgânica, entre outras variáveis não menos importantes, definem se há necessidade ou não de pré-tratamento de esgoto na própria indústria. Os efluentes industriais necessitam de pré-tratamento também quando o esgoto é nocivo à saúde, interfere no sistema de tratamento, obstrui e agride tubulações e equipamentos e estão a temperaturas elevadas. São questões importantíssimas a serem observadas antes do lançamento do esgoto na rede pública de esgotamento sanitário. 1.2.2 Processos de Tratamento de Efluentes Industriais Os efluentes industriais apresentam características muito específicas em função da natureza do processo industrial. Neste sentido, processo de tratamento deve ser concebido e projetado caso a caso. No entanto, é possível sintetizar princípios gerais para o tratamento dos efluentes industriais. Os métodos de tratamento de efluentes industriais classificam-se em físicos, químicos e biológicos. Os tratamentos físicos são importantes para remoção de sólidos em geral, óleos e gorduras. Os sólidos grosseiros são retidos pelo gradeamento, enquanto os sólidos finos são retidos por peneiras. A areia é retida me caixas de areia ou desarenadores. No tanque retentor, a seção transversal de escoamento aumenta enquanto a velocidade e a turbulência do mesmo diminuem. Nestas condições, os sólidos mais densos que o 33 líquido decantam e os menos densos ascendem. No entanto, neste processo de ascensão, os sólidos de maior dimensão ascendem mais rapidamente que aqueles de menor dimensão. A taxa de aplicação, que é a própria velocidade mínima (Vmín) de ascensão, é dada pela seguinte equação: Vmín = Q / As, onde Q é a vazão do líquido e As é a superfície livre. Para a remoção dos sólidos mais densos que os líquidos tem-se a decantação e a flotação. Na decantação, os sólidos sedimentáveis tendem a se separem do líquido. Na flotação, o ar comprimido é insuflado e, consequentemente, dissolvido no líquido. O ar dissolve-se na água a 20 o C na concentração de 75 mg/l, quando sob à pressão absoluta de 4,0 Kg / cm 2 . No entanto, sob pressão atmosférica, para a mesma temperatura, o ar dissolve-se na água à concentração de 20 mg/l. Neste sentido, quando esta água saturada de ar é submetida à pressão atmosférica, 55,00 mg/l de ar se transfere para a atmosfera e carreia as partículas mais densas que a água. O tratamento químico é empregado para remoção de substâncias coloidais e dissolvidas, entre as quais cabe destacar as causadoras de cor e turbidez, e os metais pesados. A coagulação e floculação são importantes nesse processo. O tratamento químico é importante também para a neutralização dos despejos industriais. Considerando que os corpos hídricos receptores devam ser mantidos em faixas adequadas e pH, se o efluente a ser tratado estiver acidificado, logo precisará ser neutralizado por uma base. Por exemplo, é possível utilizar soda cáustica para neutralizar o ácido sulfúrico que acidifica o efluente. Quando, no entanto, o efluente estiver alcalinizado, será necessário neutralizá-lo com o uso de um ácido. O próprio ácido sulfúrico pode ser utilizado como neutralizador de uma base. Porém, no processo de neutralização, sais são formados. No caso de adição de soda cáustica para neutralizar o ácido sulfúrico, já comentado, é gerado o sulfato de sódio solúvel. Isto posto, faz-se importante destacar que para a remoção de sais pode ser utilizada a osmose reversa. Neste processo o caminho natural imposto pela pressão osmótica é revertido. No caminho natural na osmose os sais contidos em uma solução, em menor concentração, deslocam-se através de um corpo semipermeável para uma solução de maior concentração. Este deslocamento, portanto, ocorre sob pressão osmótica. Não obstante, na osmose reversa a pressão osmótica é superada por uma pressão aplicada ao sistema, onde o líquido é forçado a deslocar-se pela membrana semipermeável da solução mais concentrada para a solução menos concentrada. Neste processo são removidos sais, assim como contaminantes orgânicos, íons, vírus, bactérias e colóides. Os tratamentos biológicos são importantíssimos também para o tratamento dos efluentes industriais. Para efluentes com considerável demanda bioquímica de oxigênio, quando é o caso, por exemplo, de efluentes de laticínios e abatedouros de bovinos, conforme já apresentado, a lagoa anaeróbia é muito apropriada e útil para a remoção de uma parcela considerável de matéria orgânica. Já as lagoas de maturação igualmente são de grande aplicação, tanto na remoção de patógenos quanto na remoção de nutrientes. 34 2 Apresentação dos Sistemas de Tratamento de Esgoto 2.1 Tratamento Preliminar Consta de gradeamento grosseiro e fino, caixa de areia e medidor de vazão. Desta maneira, o Tratamento Preliminar objetiva proteger sistemas de recalque, sistemas de tratamento e corpo receptor. A remoção de sólidos grosseiros ocorre pela instalação de Grades e Trituradores. A remoção de areia é importante para evitar abrasividade e obstruções no sistema, além de facilitar o escoamento do lodo. Os tipos usuais são a Caixa de Areia e o Desarenador. A remoção de gorduras e sólidos flutuantes é para evitar a obstrução dos coletores, aderências nas peças, sobrecarga das unidades de tratamento. Os tipos usuais são as caixas de gordura domiciliares, tanques aerados, disposição de remoção em decantadores. E o medidor de vazão é importantíssimo para o monitoramento da ETE. Tal medidor pode ser uma calha Parshall, por exemplo. 2.2 Tratamento Primário O Tratamento Primário objetiva a sedimentação e digestão de matéria sedimentável, além da retenção de óleos e graxas. O material sedimentável forma um lodo o qual deve ser digerido e estabilizado. Após isso, o mesmo deve ser disposto em Leitos de Secagem, Lagoas de Lodo, Filtro Prensa, Filtro a Vácuo e Centrífuga. Os óleos e graxas retidas formam um sobrenadante conhecido como escuma, e deve ser removida do tanque periodicamente. 2.2.1 Fossas Sépticas e Tratamentos Complementares 2.2.2.1 Fossas Sépticas As fossas sépticas são dispositivos de tratamento de esgoto cuja finalidade básica é a remoção de matéria orgânica. Trata-se de um sistema bastante difundido no Brasil dada sua simplicidade construtiva, fator este facilitador para sua utilização em domicílios e comunidades de pequeno porte que não estejam cobertas por sistemas públicos de tratamento de esgoto. Trata-sede uma unidade (prismática ou circular) de escoamento horizontal e contínuo e, quanto ao seu funcionamento, basicamente atuam os processos físicos de decantação, dos sólidos em suspensão, e de flotação de óleos e graxas, além dos processos biológicos de estabilização anaeróbia da matéria orgânica. Quanto a função dos tanques sépticos, os seguintes pontos são importantes como a proteção dos corpos hídricos e dos solos, o controle da proliferação de insetos, a promoção da saúde pública, etc. Assim, o uso do sistema de tanque séptico somente é indicado para: Área desprovida de rede pública coletora de esgoto; Alternativa de tratamento de esgoto em áreas providas de rede coletora local. Retenção prévia dos sólidos sedimentáveis, quando da utilização de rede coletora com diâmetro e/ou declividade reduzidos para transporte de efluente livre de sólidos sedimentáveis. Os tipos de tanques são a Câmara única, as Câmaras em série e as Câmaras sobrepostas. Quanto a forma, podem ser prismáticas e circulares. A Geometria dos Tanques prismáticos, com relação as medidas internas mínimas por exemplo, a norma vigente estabelece que a relação comprimento / largura (C/L) a ser adotada nos projetos esteja 35 na faixa de 2,0 à 4,0. Para tanques circulares no entanto, deve ser observado a relação D 2.H , sendo D o diâmetro e H a altura do tanque. Recomenda ainda profundidades máximas (Hmáx) e mínimas (Hmin) em função do volume útil, quais sejam: Para Vu< 6,0 m³ Hmáx = 2,20 m ; Hmín = 1,20 m Para 6,0 m³ <Vu< 10,0 m³ Hmáx = 2,50 m ; Hmín = 1,50 m Para Vu> 10,0 m³ Hmáx = 2,80 m ; Hmín = 1,80 m A eficiência do sistema e a definição da Disposição do efluente são outros pontos importantes para a aplicação dessa tecnologia. Segundo JORDÃO, PESSOA (1975), experiências indicaram valores de eficiência na faixa de 35 a 60% na remoção de DBO, e aproximadamente 60% na remoção de sólidos em suspensão. Sperling et al (1996), no entanto, apresentam valores de eficiência de remoção de 30 a 40% de remoção de matéria orgânica, 60 a 70% na remoção de sólidos em suspensão e 30 a 40% de remoção de patogênicos. A bibliografia é consensual no fato que tal eficiência é moderada no referente a remoção da matéria orgânica e fraca na remoção de patógenos. Tais evidências são esclarecedoras indicando a necessidade de tratamento adicional do efluente da fossa séptica, tanto para potencializar a remoção de matéria orgânica, quanto a remoção de patogênicos. Para tanto existem diversas alternativas como filtro anaeróbio, vala de infiltração, vala de filtração, disposição controlada no solo, assim como aquelas específicas à desinfecção como a cloração, ultravioleta, ozônio, entre outros. Tais alternativas serão apresentadas na sequência. Enfim, uma questão, já abordada, deve ser ressaltada: a fossa séptica, para os fins que se propõe, é um sistema útil na remoção parcial da matéria orgânica, mas pouco eficaz na remoção de microorganismos patogênicos, fato este que sugere a contínua busca de soluções mais resolutivas que garantam a proteção ambiental e segurança sanitária. Dentre as variáveis para o projeto e dimensionamento, é fato que as mesmas são várias, entre as quais cabe citar a contribuição per capita diária de esgoto (C), a contribuição per capita de lodo fresco, o número de contribuintes (N), o tempo de detenção (Td), a taxa de acumulação de lodo digerido, a área horizontal (A) e o volume útil (Vu). A norma pertinente é a NBR 7229 “Projeto, Construção e Operação de Sistemas de Tanques Sépticos”, onde a metodologia de dimensionamento e recomendações diversas são apresentadas. A contribuição C é função do número de pessoas por residência e dos valores de contribuição per capita por tipologia de residência. O Período de Detenção dos Despejos (Td), outro preceito importante da norma em questão. Esta se refere ao tempo de detenção, estabelecendo que, para uma faixa de contribuição diária de 1.500 L à 9.000 L, o Td varia inversamente proporcional de 1,00 dia à 0,5 dia. Para o dimensionamento, a NBR 7229 apresenta a seguinte rotina: a) Número total de pessoas ou habitantes na edificação: b) Contribuição de despejos (C): Tabela 1 NBR 7229. c) Contribuição diária total (C’): C’ = C x no de pessoas ou habitantes na edificação. 36 d) Período de detenção (T): Tabela 2 NBR 7229. e) Taxa de acumulação de lodo digerido (k): Tabela 3 NBR 7229. f) Contribuição de lodo fresco (Lf): TABELA 1 NBR 7229. g) Volume útil do tanque séptico: V = 1000 + N.(C.T+ K.Lf) Esse volume é o volume útil do tanque, respectivo ao volume de ocupado pelo esgoto que está sendo tratado. O volume “seco”, aquele que não está em contato com o tanque, deve ser somado ao útil para se obter o volume total. Na execução, deve ser observado: Para o afastamento mínimo das fontes de água recomenda-se 20,00 metros; A localização da fossa deve facilitar a conexão do coletor predial ao futuro coletor público; Deve haver facilidade de acesso para viabilizar a limpeza do tanque séptico. E, para a Operação, deve-se observar que a remoção do lodo digerido deve obedecer ao previsto em projeto e que a disposição do mesmo deve ser em aterro sanitário, na ETE ou na rede coletora de esgoto. 2.2.2.1 Disposição dos Efluentes das Fossas Sépticas Sumidouro Consta de um poço para infiltração do esgoto no solo. O dimensionamento é função da Taxa de Absorção do Solo (TAS). a. Requisito Básico: TAS 40 l / m2.dia, condição esperada em solos com argila arenosa e, ou, siltosa. b. Dados de Projeto Área de Infiltração: considerar a área vertical (abaixo da tubulação de entrada),acrescida da superfície do fundo. Diâmetro interno mínimo = 0,30 m. Distância mínima do fundo do sumidouro e o nível máximo do lençol freático: 1,50m. Distância mínima do Sumidouro aos poços de água: 20,0 m. Área de Absorção do Esgoto (A): A = ПR2 + 2ПR . H = Q / TAS, sendo R, H e Q o raio, a altura útil e a vazão afluente do sumidouro, respectivamente. Volume do Sumidouro (V):V = ПR2 . H c. Detalhes Construtivos Material: alvenaria, pedra ou concreto; Material fundo do sumidouro: camada de 50 cm de brita. 37 Valas de Infiltração São valas através das quais o esgoto se infiltra no solo. a. Requisito básico:40 l / m2.dia > TAS > 20 l / m2.dia, faixa esperada em solos com argila medianamente compacta à argila pouco siltosa ou arenosa. b. Dados de Projeto: Número mínimo de valas: 2 unidades Distância mínima do fundo da vala e o nível máximo do lençol freático: 1,50m. Distância mínima entre a vala de infiltração e os poços de água: 20,0 m Declividade da Tubulação: 1:300 a 1:500 Espaçamento entre valas 1,0 m Largura mínima: 0,50m Altura: 0,50 a 1,00m Comprimento máximo de cada vala: 30m Critério de Dimensionamento Considerando a Área de Infiltração: A = Q / TAS ; C = A / L , sendo C o comprimento e L a largura útil da vala. Considerar a área lateral (abaixo da tubulação de entrada) acrescida da área do fundo da vala. Critério Prático Alternativo de Dimensionamento: L = 6 m x nº de pessoas atendidas. c. Detalhes construtivos Deve ser observado: Distribuição dos efluentes para as valas através de caixas de distribuição; Usual: duas valas por fossa séptica. Valas de Filtração Valas destinadas a filtrar os efluentes antes de serem lançados em águas superficiais. a. Requisito Básico: Uso em solos de baixa taxa de absorção. TAS < 20 l / m2.dia. Tal taxa é
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