Aula 22 O Sistema de Esgoto Sanitário - calculo de vazoes e dimensionamento - tratamento de esgoto

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Saneamento Ambiental I 
1 
Universidade Federal do Paraná 
Engenharia Ambiental 
Aula 22 – O Sistema de Esgoto Sanitário: 
cálculo de vazões e dimensionamento 
 
 
 
 
Profª Heloise G. Knapik 
Tratamento de Esgotos 
Dimensionamento 
Vazão e carga poluidora 
Vazão doméstica 
Estudos 
populacio
nais 
Consumo 
médio de 
água 
Vazão 
média de 
esgoto 
Vazão 
industrial 
Vazão de 
infiltração 
Cálculo 
da rede 
Relações dimensionais entre carga e 
concentração 
Equivalente 
pop. 
Tipos de esgotamento sanitário 
• SISTEMA INDIVIDUAL OU ESTÁTICO 
• Local, individual ou para poucas residências 
 
 
 
 
• SISTEMA COLETIVO OU DINÂMICO 
• Coleta e afastamento dos esgotos da área servida 
 
Tipos de esgotamento sanitário 
• SISTEMA INDIVIDUAL OU ESTÁTICO 
• Local, individual ou para poucas residências 
 
Usualmente algum sistema de infiltração no solo. 
Funciona bem nas seguintes condições: 
- Pouca densidade populacional 
- Áreas rurais 
- Solo com boas condições de infiltração 
 
Obs. O nível d’água deverá ser profundo para evitar 
contaminação com microrganismos patogênicos 
 (p. ex. fossas sépticas, negras, infiltração direta) 
Tipos de esgotamento sanitário 
• SISTEMA COLETIVO OU DINÂMICO 
• Coleta e afastamento dos esgotos da área servida 
 
 
Elevada densidade populacional → meio urbano 
- Sistema unitário ou combinado 
- Sistema separador absoluto 
 
• Sistema unitário 
 
 
 
 
• Sistema separador absoluto 
 
Tipos de esgotamento sanitário 
• Inconvenientes do sistema combinado: 
• Custos iniciais elevados 
• Grandes dimensões das canalizações 
• Riscos de refluxo de esgoto sanitário para o interior das 
residências, por ocasião de cheias 
• Extravasamento sem tratamento nas ETES na ocorrência de 
grandes cheias 
• Possível ocorrência de mal cheiro proveniente de bocas de lobo 
e demais pontos do sistema 
• O regime de chuvas torrencial no país demanda tubulações de 
grandes diâmetros, com capacidade ociosa no período seco. 
 
Tipos de esgotamento sanitário 
• Vantagens do sistema separador absoluto: 
• Afastamento das águas pluviais facilitado (menores distâncias) 
• Menores dimensões das canalizações de esgoto sanitário 
• Utilização de diferentes tipos de materiais nas tubulações 
• Redução de custos e prazos de construção 
• Melhoria das condições de tratamento do esgoto sanitário 
• Possibilidade de efetuar a obra em diferentes etapas 
• Não ocorrência de extravasamento dos esgotos nos períodos 
de chuva intensa 
 
Tipos de esgotamento sanitário 
Esgotos 
domésticos 
Despejos 
industriais 
Águas de 
infiltração 
Origem dos esgotos 
Importante analisar de forma separada a origem dos esgotos 
para a caracterização qualitativa e quantitativa dos esgotos que 
chegam à ETE 
Origem dos esgotos 
• Vazão de esgotos domésticos 
• Calculada com base no consumo de água da respectiva 
localidade (residências, comércio e instituições) 
• Consumo de água → função da população de projeto e do 
consumo médio per capita (QPC) 
• Necessário calcular a vazão média e as vazões máxima e 
mínima para fins hidráulicos e de projeto 
 
 
(1) Estudos populacionais 
(2) Consumo médio de água 
(3) Vazão média de esgoto 
(4) Variações de vazão: máxima e mínima 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(1) ESTUDOS POPULACIONAIS 
 
• (a) Índice de atendimento ou cobertura 
• (b) Projeção populacional 
• (c) População flutuante 
 
 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(1) ESTUDOS POPULACIONAIS 
 
• (a) Índice de atendimento ou cobertura 
• Fração da população servida / população total 
• Condições atuais e de projeto (meta final de 100%) 
Função de: 
• Condicionantes físicas, geográficas ou topográficas da 
localidade (nem sempre o atendimento é possível) 
• Índice de adesão (população real e potencialmente servida) 
• Etapas da implantação da rede coletora e dos interceptores 
(afeta a vazão na ETE) 
 
 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(1) ESTUDOS POPULACIONAIS 
 
• (b) Projeção populacional 
• Crescimento aritmético 
• Crescimento geométrico 
• Taxa decrescente de crescimento 
• Curva logística 
• Comparação gráfica entre cidades similares 
• Método da razão e correlação 
• Previsão com base nos empregos 
 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(1) ESTUDOS POPULACIONAIS 
 
• (c) População flutuante 
• Regiões turísticas 
• Sobrecarga no sistema em determinadas épocas (férias e 
feriados) 
• Feriados: alguns sistemas podem suportar as variações 
(tratamento com longo tempo de detenção) 
• Férias: dimensionamento para uma carga mais elevada e 
por maior tempo ( 1 a 2 meses) 
 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(2) CONSUMO MÉDIO DE ÁGUA 
 
• Várias formas de cálculo da “Quota per capita – QCP”: 
relação com renda, número de habitantes, etc. 
 
• QPC (L/hab.dia) 
 
Vazão consumida e 
não a vazão produzida 
Perdas no sistema 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(2) CONSUMO MÉDIO DE ÁGUA 
 
Porte da 
comunidade 
Faixa da população 
(hab) 
Consumo per capita 
(QPC) (L/hab.dia) 
Povoado rural < 5.000 90-140 
Vila 5.000 – 10.000 100-160 
Pequena localidade 10.000 – 50.000 110-180 
Cidade média 50.000 – 250.000 120-220 
Cidade grande > 250.000 150-300 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(2) CONSUMO MÉDIO DE ÁGUA 
 Fator de influência Comentário 
Disponibilidade de água Em locais de escassez de água o consumo tende a ser 
menor 
Clima Climas mais quentes induzem a um maior consumo 
Porte da comunidade Cidades maiores geralmente apresentam maior QPC 
Condições econômicas da 
comunidade 
Melhor nível econômico associa-se a maior consumo 
Grau de industrialização Localidades industrializadas apresentam maior consumo 
Medição do consumo residencial Presença de medição inibe um maior consumo 
Custo da água Custo mais elevado reduz o consumo 
Pressão da água Elevada pressão no sistema de distribuição induz a 
maiores gastos 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(2) CONSUMO MÉDIO DE ÁGUA 
 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(3) VAZÃO MÉDIA DE ESGOTOS 
 
Do total de água consumida, nem tudo “retorna” à rede 
coletora de esgotos: 
• Parcela incorporada à rede pluvial (água para irrigar 
jardins, lavagem de carros, etc) 
• Ligações clandestinas diretas na rede pluvial 
• Infiltração 
 
 Ex. para 40% de perdas e 80% de coeficiente de retorno: de 100 m³/d 
produzidos, apenas 60 m³/d são consumidos e destes, 48 m³/d 
retornam na forma de esgotos 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(3) VAZÃO MÉDIA DE ESGOTOS 
 
 
Coeficiente de retorno (R): razão entre a vazão de esgotos e 
a vazão de água 
 
R varia de 40 a 100% → usual 80% 
 
 
Pequenas comunidades R ≈ 40% 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(3) VAZÃO MÉDIA DE ESGOTOS 
 
 
Vazão de esgoto doméstico médio: 
 
 𝑄𝐷_𝑀𝐸𝐷 =
𝑝𝑜𝑝 .𝑄𝑃𝐶 .𝑅 
1000
 (m³/d) 
𝑄𝐷_𝑀𝐸𝐷 =
𝑝𝑜𝑝 .𝑄𝑃𝐶 .𝑅 
86400
 (L/s) 
𝑄𝐷_𝑀𝐸𝐷= vazão média de esgotos (m³/d ou L/s); QPC = cota per capita (L/hab.d); 
R = coeficiente de retorno 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(4) VARIAÇÕES DE VAZÃO – VAZÕES MÁXIMA E MÍNIMA 
 
 
 
 
• Variações horárias/ diárias/ sazonais: 
 
 
Consumo de água Geração de esgotos 
K1 = 1,2 → coeficiente do DIA de MAIOR consumoK2 = 1,5 → coeficiente da HORA de MAIOR consumo 
K3 = 0,5 → coeficiente da HORA de MENOR consumo 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(4) VARIAÇÕES DE VAZÃO – VAZÕES MÁXIMA E MÍNIMA 
 
 
 
 
 
Vazão máxima 
𝑄𝑀𝑎𝑥 = 𝑄𝑀𝑒𝑑 . 𝐾1. 𝐾2 = 1,88 𝑄𝑀𝑒𝑑 
Vazão mínima 
𝑄𝑀𝑖𝑛 = 𝑄𝑀𝑒𝑑 . 𝐾3 = 0,5 𝑄𝑀𝑒𝑑 
Origem dos esgotos 
Vazão de esgotos domésticos: 
(4) VARIAÇÕES DE VAZÃO – VAZÕES MÁXIMA E MÍNIMA 
 
• As flutuações da rede de esgoto são amortecidas ao longo 
da rede coletora 
 
• Grandes variações podem ser devidas à entrada irregular 
de águas de chuva na rede de coleta de esgotos 
 
 
Origem dos esgotos 
• Vazão de esgotos industriais 
 
• Função do tipo e porte da indústria, processo, grau de 
reciclagem/ reuso da água, adoção de práticas de 
conservação da água, etc. 
 
• Cadastro de grandes usuários: consumo de água e 
geração de efluentes 
 
• Hidrograma difere do hidrograma doméstico: função do 
horário de funcionamento da indústria, tipo de produção, 
etc. 
Origem dos esgotos 
• Vazão de infiltração 
 
• Tubos defeituosos, juntas, paredes de poços de visita 
• Fatores que influenciam na quantidade de água infiltrada: 
• Extensão da rede coletora, diâmetro das tubulações, área 
servida, tipo de solo, profundidade do lençol freático, 
topografia, densidade populacional (nº de conexões por 
unidade de área) 
• Valores medidos ou tabelados 
• NBR 9649 (ABNT): 0,05 a 1,0 L/s.km 
• Metcalf & Eddy (1991): 0,01 a 1,0 m³/d.km por mm (função do 
diâmetro) 
Origem dos esgotos 
• Vazão de esgoto total média 
 
• Somatório das parcelas de esgoto doméstico, industrial e 
de infiltração 
 
 
 
 
• Considerando dados referentes ao início e final de plano 
(p. ex. população, índice de atendimento, projeção de 
variação de consumo médio per capita, crescimento 
industrial, etc.) 
𝑄𝑀𝑒𝑑 = 𝑄𝐷_𝑀𝑒𝑑 + 𝑄𝐼𝑛𝑑_𝑚𝑒𝑑 + 𝑄𝐼𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎çã𝑜 
 
CARGA PER CAPITA: 
• Contribuição de cada indivíduo por unidade de tempo 
(g/hab.dia) 
 
Relações dimensionais entre carga e concentração 
VARIÁVEL 
Carga per capita (g/hab.dia) 
REFERÊNCIA 
Faixa Valor usual 
DBO 40.0-60.0 54.4 WHO, 1982 
Nitrogênio total 6.0-12.0 
Chapra et al., 1997; 
Von Sperling, 2007 
Nitrogênio orgânico 2.5-5.0 2.5 
Amônia 3.5-7.0 6.4 
Nitrito ≈ 0 0 
Nitrato 0-5.0 0.25 
Fósforo total 0.7-2.5 
Fósforo orgânico 0.2-1.0 0.3 
Fósforo inorgânico 0.5-1.5 0.7 
 
CARGA AFLUENTE EM UMA ETE: 
• Quantidade de massa por unidade de tempo (kg/dia) 
 
Relações dimensionais entre carga e concentração 
Carga = População x Carga per capita 
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 
𝑘𝑔
𝑑𝑖𝑎
= 
𝑃𝑜𝑝 ℎ𝑎𝑏 . 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎 (
𝑔
ℎ𝑎𝑏. 𝑑𝑖𝑎)
1000 (
𝑔
𝑘𝑔
)
 
 
CARGA AFLUENTE EM UMA ETE: 
• Quantidade de massa por unidade de tempo (kg/dia) 
 
Relações dimensionais entre carga e concentração 
Carga = Concentração x Vazão 
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 
𝑘𝑔
𝑑𝑖𝑎
= 
𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑔/𝑚3 . 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 (𝑚3/𝑑𝑖𝑎)
1000 (
𝑔
𝑘𝑔
)
 
g/m³ = mg/L 
 
CONCENTRAÇÃO DE UM DESPEJO: 
 
Relações dimensionais entre carga e concentração 
 Concentração = Carga / Vazão 
𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 
𝑔
𝑚³
= 
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑘𝑔/𝑑𝑖𝑎 . 1000 (𝑔/𝑘𝑔)
𝑉𝑎𝑧ã𝑜 (
𝑚³
𝑑𝑖𝑎
)
 
 
EQUIVALENTE POPULACIONAL: 
• Traduz a equivalência entre o potencial poluidor de uma 
indústria (comumente em termos de matéria orgânica) e uma 
determinada população. 
 
Relações dimensionais entre carga e concentração 
𝐸. 𝑃(ℎ𝑎𝑏) = 
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝐷𝐵𝑂 𝑑𝑎 𝑖𝑛𝑑ú𝑠𝑡𝑟𝑖𝑎 (
𝑘𝑔
𝑑𝑖𝑎)
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖çã𝑜 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝐷𝐵𝑂 (
𝑘𝑔
ℎ𝑎𝑏. 𝑑𝑖𝑎
)
 
EXERCÍCIO – ESTIMATIVA DE VAZÕES E 
CARGA DE ESGOTO 
33 
• Rede coletora 
• Interceptor 
• Emissário 
• Estação elevatória 
• Sifão invertido 
• Estação de tratamento 
Partes constituintes de um sistema de 
esgotamento sanitário: 
Partes do sistemas: 
• Rede coletora: 
 
• Constituído por ligações prediais, coletores de esgoto e 
seus órgãos acessórios 
 
 
 
Partes do sistemas: 
• Rede coletora: 
 
• Ligação predial: trecho do coletor predial compreendido 
entre o limite do terreno e o coletor de esgoto 
 
• Coletor de esgoto: tubulação da rede coletora que recebe 
a contribuição de esgoto dos coletores prediais em 
qualquer ponto de seu comprimento 
 
• Coletor principal: coletor de esgoto de maior extensão 
dentro de uma mesma bacia 
 
Partes do sistemas: 
• Rede coletora: 
 
• Coletor tronco: tubulação da rede coletora que recebe 
apenas contribuição de esgoto de outros coletores 
 
• Coletor predial: trecho de tubulação da instalação predial 
de esgoto compreendido entre a última inserção das 
tubulações que recebem efluentes de aparelhos 
sanitários e o coletor de esgoto 
 
• Órgãos acessórios: poços de visita, tubos de inspeção e 
limpeza, terminais de limpeza, caixas de passagem 
Partes do sistemas: 
• Interceptores e emissários: 
 
• Interceptor: canalização cuja função principal é receber e 
transportar o esgoto sanitário coletado. Localizado nas 
partes baixas da bacia. Recebe os efluentes de coletores 
de esgoto em pontos determinados. 
 
• Emissário: Tubulação que recebe as contribuições de 
esgoto exclusivamente na extremidade montante 
 
 
Partes do sistemas: 
• Sifões invertidos e passagens forçadas: 
 
• Trechos com escoamento sob pressão 
 
• Transpor obstáculos, depressões do terreno ou cursos 
d’água, rebaixados (sifões) ou sem rebaixamento 
(passagens forçadas) 
 
 
 
 
Partes do sistemas: 
• Estações elevatórias de esgoto (EEE): 
 
• São instalações destinadas a transferir os esgotos de um ponto 
(cota normalmente mais baixa) a outro (cota normalmente 
mais elevada), em diversas partes do sistema: 
• Coleta 
• Transporte 
• Processo de tratamento de esgoto 
• Disposição final 
• Utilizadas sempre que não for possível ou viável, por razões 
técnicas e econômicas, o escoamento dos esgotos por 
gravidade 
Partes do sistemas: 
• Estações elevatórias de esgoto (EEE): 
 
• Justificativa de uso: 
• Terrenos planos e extensos, evitando-se que as 
canalizações atinjam profundidades excessivas 
• Áreas novas situadas em cotas inferiores às existentes 
• Reversão de esgotos de uma bacia para outra 
• Descarga de interceptores ou emissários em ETE ou corpos 
receptores, quando não for possível fazer por gravidade. 
Partes do sistemas: 
• Estação de tratamento de esgoto (ETE): 
 
• Estação onde são utilizadas diferentes técnicas de 
tratamento, equipamentos, órgãos auxiliares ( canais, 
caixas, vertedores, tubulações); 
 
• Finalidade de reduzir a carga poluidora do esgoto 
sanitário e o condicionamento da matéria residual 
resultante do tratamento. 
 
 
 
Partes do sistemas: 
• Estação de tratamento de esgoto: 
 
 
 
 
Partes do sistemas: 
• Corpo Receptor: 
 
• Qualquer corpo aquático ou solo que recebe o 
lançamento de esgoto em estágio final 
 
 
 
 
Partes do sistemas: 
CONDIÇÕES HIDRÁULICAS: 
 
• Esgoto sanitário: mistura complexa de substâncias orgânicas e 
minerais dissolvidas, coloidais e sólidos de maior dimensão → 
pode ocorrer a formação de depósitos nas paredes e no 
fundo dos condutos 
 
• Dimensionamento: condições satisfatórias de fluxo 
 
 
 
 
Condições hidráulicas: 
Condutos Forçados Condutos Livres 
• Pressão diferente da atmosfera 
• Tubulações fechadas 
 
• Pressão da atmosférica 
• Seções fechadas(esgotos e 
águas pluviais) ou abertas 
(rios, canais de irrigação) 
 
Condições hidráulicas: 
CONDIÇÕES HIDRÁULICAS: 
 
• Transportar as vazões calculadas máximas e mínimas, tanto 
para início, como final de plano 
 
• Promover o arraste de sedimentos, garantindo a autolimpeza 
dos condutos 
 
• Evitar condições que favorecem a formação de sulfetos 
(anaerobiose séptica) e desprendimento de gás sulfídrico 
(condições ácidas) 
 
 
Condições hidráulicas: 
CONDIÇÕES HIDRÁULICAS: 
 
 
 
 
 
• Máxima altura da lâmina d’água → garantia do escoamento 
livre (fixado por norma em 75% do diâmetro, para as redes 
coletoras) 
 
• Mínima vazão → fixada em 1,5 L/s 
 
Dimensionamento 
hidráulico 
Diâmetro e declividade 
longitudinal do 
conduto 
Condições hidráulicas: 
DECLIVIDADES MÍNIMA E ECONÔMICA: 
 
• Declividade mínima: 
• Garantir o deslocamento e o transporte dos sedimentos 
usualmente encontrados no esgoto, promovendo a 
autolimpeza dos condutos, em condições de vazões máximas 
de um dia qualquer, no início do plano; 
 
• Declividade econômica: 
• Evitar o aprofundamento desnecessário dos coletores. 
 
 
Condições hidráulicas: 
CÁLCULO DO DIÂMETRO DA REDE COLETORA: 
 
• Parâmetros geométricos 
 
 
 
Condições hidráulicas: 
• A: área molhada ou área da seção transversal do escoamento 
• P: perímetro molhado (fronteira sólida em contato com o fluido) 
• B: largura na superfície do escoamento (contato com a atmosfera) 
• y: profundidade: altura do líquido acima do fundo do canal 
• Rh: raio hidráulico (razão entre a área molhada e o perímetro molhado) 
• S: declividade de fundo (declividade longitudinal) 
 
 
CÁLCULO DO DIÂMETRO DA REDE COLETORA: 
 
• Equação de Manning (escoamento livre): 
 
 
 𝑄 =
𝐴 ∙ 𝑅ℎ
2
3 ∙ 𝐼
1
2 
𝑛
 𝑅ℎ =
𝐴
𝑃
 
• Q é a vazão no conduto livre (m³/s); 
• Rh é o raio hidráulico (m); 
• I é a declividade do fundo do canal 
(m/m) 
• n é o coeficiente de rugosidade de 
Manning (depende do material de 
construção das paredes do canal) 
Condições hidráulicas: 
53 
Condições hidráulicas: 
Escoamento permanente e uniforme 
• Profundidade, seção molhada, velocidade média e vazão 
permanecem constantes no conduto 
• Linha de carga (carga piezométrica + carga cinética), superfície livre 
e o fundo do canal são paralelos 
Tipos de Tratamento 
• Tratamento preliminar (sólidos em suspensão grosseiros) 
• Tratamento primário (sólidos em suspensão sedimentáveis e 
parte da matéria orgânica) 
• Tratamento secundário (remoção de carga orgânica e 
eventualmente nutrientes) 
• Tratamento terciário (remoção de carga de nutrientes e 
poluentes específicos – metais pesados, tóxicos) 
 
• Tratamento e disposição final do lodo 
 
 
 
 
Processos 
Físicos 
Processos 
Químicos 
Processos 
Biológicos 
Tipos de Tratamento 
Tipos de Tratamento 
Tipos de Tratamento