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Notas de Aula Saneamento I 1º Semestre / 2018 1 / 47 CAPITULO 01 Apresentação da Disciplina Plano de aula 2 / 47 Tópicos Atividades 1ª Apresentação da Disciplina e dos planos de ensino. Apresentação de conceitos de Saneamento Básico - Realização de atividades para aplicação dos conceitos. 2ª Concepção de sistemas de abastecimento de água - Partes constituintes do sistema, normas para projetos de sistemas de abastecimento de água. 3ª Gerenciamento dos sistemas de abastecimento de água, atividades a serem desenvolvidas para o estudo de concepção. Tipos de mananciais e estruturas de captação 4ª Consumo de água. Tipos de consumo, classificação dos consumidores, usos da água. 5ª Modelos de previsão de consumo, estudo populacional e vazões de dimensionamento. 6ª Modelos de previsão de consumo, estudo populacional e vazões de dimensionamento. 7ª Captação, adução e reservação. 8ª Tipos de captação, classificação das adutoras, hidráulica para adutoras, dimensionamento de adutoras. 10ª Reservatórios, classificação dos reservatórios, dimensionamento de reservatórios. 11ª Redes de distribuição - Tipos de redes, traçado de redes 12ª Dimensionamento de redes de distribuição 13ª Materiais para redes de distribuição, acessórios de tubulação e dispositivos de proteção 14ª Tratamento de água para fins potáveis 15ª Noções básicas de tratamentos de água para fins potáveis 16ª Noções básicas de tratamentos de água para fins potáveis Avaliações: Seminário Virtual 02/05/2018 A2 - Avaliação Regimental 16/05/2018 A1 - Avaliação final 06/06/2018 AF - Avaliação final 20/06/2018 3 / 47 A nota será composta por: 5 pontos (avaliação regimental-A1) + 4 pontos (avaliação parcial A2) + 1 ponto (trabalho ou maquete ou seminário virtual). É considerado(a) aprovado(a) na disciplina o(a) aluno(a) que obtiver Nota Final (NF) igual ou superior a 6,0 (seis) e que tenha, no mínimo,75% (setenta e cinco por cento) de frequência aos trabalhos acadêmicos efetivos. BIBLIOGRAFIA – Básica TSUTIYA, Milton Tomoyuki. Abastecimento de Água. São Paulo: Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2004. 643 p. BAPTISTA, M.; LARA, M - Fundamentos de Engenharia Hidráulica - 3a. ed. - Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2010. LIBÂNIO, M. - Fundamentos de Qualidade e Tratamento de Água - Campinas-SP: Átomo, 2010. RICHTER, C. A.; AZEVEDO NETTO, J. M. Tratamento de Agua: Tecnologia Atualizada - São Paulo: Edgard Blucher, 2003. 4 / 47 CAPITULO 02 Introdução Conceitos Básicos 5 / 47 Porque derramarei água sobre o sedento, e rios sobre a terra seca; derramarei o meu Espírito sobre a tua posteridade, e a minha bênção sobre os teus descendentes. (Isaías 44). Antes de iniciarmos o curso é prudente que nos familiarizemos com alguns termos utilizados nas aulas de saneamento além de promovermos uma breve contextualização histórica. Alguns termos empregados ao longo do curso são definidos abaixo: Saneamento é o conjunto de medidas que visa preservar ou modificar as condições do meio ambiente com a finalidade de prevenir doenças e promover a saúde, melhorar a qualidade de vida da população e à produtividade do indivíduo e facilitar a atividade econômica (OMS). Saneamento básico é o conjunto de serviços, infraestruturas e instalações operacionais de: abastecimento de água potável, esgotamento sanitário, limpeza urbana, manejo de resíduos sólidos e drenagem e manejo das águas pluviais. SAA: Sistema de abastecimento de água. É o conjunto de obras, equipamentos e serviços destinados ao abastecimento de água potável de uma comunidade para fins de consumo doméstico, serviços públicos, consumo industrial e outros usos. Adução: transporte de água bruta e/ou água tratada para um sistema de abastecimento de água. Manancial: Fonte onde se retira a água. ETA: Estação de tratamento de água. Instalação que visa melhorar as características qualitativas da água dos pontos de vista físico, químico, bacteriológico para fins de consumo. Rede de distribuição: Rede de tubos que visa a condução da água tratada para os consumidores que estiverem interligados a rede. Reservação: armazenamento da água para atender a diversos propósitos, como variação de consumo e a manutenção da pressão mínima na rede de distribuição. Bacia hidrográfica: é o conjunto de terras que fazem a drenagem da água das precipitações para esse curso de água. Engenharia sanitária: A Engenharia sanitária é o ramo da engenharia que trata da exploração e do uso da água, dos projetos e das obras de saneamento básico e de saneamento geral, tais como sistemas de abastecimento de água, de esgotos sanitários, de limpeza urbana, aí incluídos os sistemas de tratamento. Eutrofização: caracteriza-se pelo crescimento excessivo de algas ocasionado pelo despejo incontrolado de nutrientes no meio aquático, podendo acarretar consequências desagradáveis em relação aos aspectos ambiental e estético do manancial. 6 / 47 1. Introdução: Em um momento em que se debate a ampliação do saneamento básico no Brasil, sob a perspectiva de um ambiente de escassez de recursos naturais, encontra-se o desafio de promover o acesso de parcela considerável da população não abastecida pela rede pública. Segundo dados instituto Trata Brasil, há 34 milhões de brasileiros sem acesso a água encanada e 103 milhões que não estão conectadas às redes de esgoto, no entanto, ainda que a situação seja alarmante, o setor de saneamento oferece oportunidades, tendo em vista que foram gerados 726,6 mil empregos diretos, indiretos e de efeito renda em todo o país, sendo 209,8 mil diretos nos serviços e 516,8 mil gerados pelos investimentos (ITB, 2016). Em um cenário de estagnação econômica a capacitação da mão de obra adquire relevância para o desenvolvimento da matriz tecnológica do setor, a medida que possibilita o surgimento de soluções inovadoras em produtos e serviços. 2. Histórico: O aumento da população nos diversos agrupamentos na história humana impulsionou o desenvolvimento dos sistemas de abastecimento de água a fim de garantir a sobrevivência dessas comunidades. A escassez da água pode ter levado a extinção de várias civilizações, tais como, o povo Maia, que teria abandonado suas cidades, pela carência de água e pela erosão do solo provocadas pela destruição da mata primitiva. No Brasil do período colonial a captação de água para abastecimento era realizada, individualmente, nos mananciais e, as ações de saneamento, voltadas, prioritariamente, à drenagem com menor importância ao abastecimento de água. 7 / 47 A partir do século XVIII, o abastecimento público de água se fazia através de chafarizes e fontes próprias. As outras ações ditas de saneamento, tais como, remoção de dejetos e de lixo, eram tratadas de forma individualizada pelas famílias (COSTA, 1994). Historicamente o saneamento básico começou a se desenvolver no Brasil a partir do crescimento dos núcleos urbanos, particularmente no início do século XIX, em cidades como Salvador e Rio de Janeiro, a fim e garantir as demandas populacionais peloacesso a água potável e afastamento das águas servidas. A administração portuguesa determinava que a captação e a distribuição da água eram de responsabilidade exclusiva de cada vila, embora as atribuições municipais fossem mal delimitadas e subordinadas à centralização monárquica. O serviço de abastecimento de água era, inicialmente, realizado pelo transporte da água por aquedutos, conforme indicado na figura 2, e a distribuição à população feita por meio dos chafarizes conforme indicado na figura 3. Figura 2: Aqueduto da Carioca https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/30/Aqueduto_da_Carioca_Transformado_em_Viaduto_para_Bo ndes_(Rio_de_Janeiro_-_Brasil)_-_1896.jpg 8 / 47 Figura 3: Chafariz público http://arquivopublicoop.blogspot.com.br/2013/09/servicos-de-agua-e-esgoto-em-ouro-preto.html O paradigma técnico dominante se baseia em um sistema de distribuição de água por meio de tubulações montadas em malhas interconectadas, conforme indicado na figura 4. O esgoto é coletado e a própria água servida é utilizada para transportar os resíduos para o tratamento, caracterizando um modelo organizacional de indústria de rede. Figura 4: Sistema de abastecimento de água http://image.slidesharecdn.com/etapasdotratamentodegua-140628152609-phpapp01/95/etapas-do-tratamento-de- gua-4-638.jpg?cb=1403969563 9 / 47 CAPITULO 03 Sistema de Abastecimento de Água Conceitos Básicos 10 / 47 O rio atinge seus objetivos porque aprendeu a contornar obstáculos. (Lao-Tsé) Captação: Conjunto de estruturas e dispositivos, construídos ou montados juntos a um manancial, para a tomada de água destinada ao sistema de abastecimento. Nos mananciais de superfície, os rios, córregos, lagos e reservatórios artificialmente formados nos quais não é viável a captação direta das águas, frequentemente são utilizadas as seguintes estruturas captação, tais como barragens (a), canal de derivação (b), torre de tomada (c) e canal de regularização (d). a) Barragens: Figura 1: Barragem para Elevação de Nível b) Canais de derivação: c) Torre de tomada: d) Canal de regularização 11 / 47 Gradeamento Grade: dispositivo constituído de barras paralelas destinado a impedir a passagem de materiais grosseiros, flutuantes ou em suspensão. O gradeamento consiste na utilização de grades para remoção de sólidos grosseiros potencialmente danosos aos equipamentos posteriores, utilizando-se telas de malhas largas ou finas. Telas de malhas largas: são feitas de material anti- corrosivo, espaçado de 2,5 a 5,0 cm. As telas de malhas largas são aplicadas nos mananciais de superfície para impedir a passagem de sobrenadantes. Telas de malhas finas: são de metais ou arames não corrosivos, com abertura de 0,35 cm 2 ou menos. São aplicados em tomadas de água de mananciais que não recebem materiais grosseiros, ou como crivo nas canalizações para bombas de recalque. Estes equipamentos podem ser manuais ou motorizados de acordo com a necessidade operacional, em estações de maior porte podem ser utilizadas caixas de areia aeradas, as quais permitem a redução das suas dimensões. À medida que as partículas adquirem proporções maiores ou para reter materiais fibrosos são utilizadas peneiras que se caracterizam por possuírem aberturas entre 0,25 a 5,00 mm, as quais podem ainda ser estáticas ou motorizadas (NUVOLARI et al., 2011, p. 266-287). 12 / 47 Desarenação A desarenação tem o objetivo de reter partículas maiores do que 0,2 mm através da remoção gravimétrica, não sendo desejável a retenção de partículas orgânicas sedimentáveis juntamente com a areia. Dessa forma, a velocidade para passagem do esgoto no equipamento situa-se entre 0,15 a 0,30 m.s -1 , suficiente para a sedimentação da areia, mas acima da velocidade de sedimentação da matéria orgânica (NUVOLARI et al., 2011, p. 287). 13 / 47 CAPITULO 04 Estudo Populacional Cálculo de vazão de projeto 14 / 47 Fazes jorrar as nascentes nos vales e correrem as águas entre os montes (Salmos 104:10). 1. Estimativa populacional da área do projeto: O estudo populacional destina-se a estimar com base em metodologias estabelecidas a população a ser abastecida por um determinado período de tempo, denominado período de projeto. Há vários métodos utilizados para as projeções populacionais, destacando-se: Método dos componentes demográficos; Crescimento aritmético, Crescimento geométrico, Método da curva logística, Método da extrapolação gráfica, 1.1 Método dos componentes demográficos 𝑃 = 𝑃0 + (𝑁 −𝑀) + (𝐼 − 𝐸) 𝑃 = População atendida na data t (hab) P0 = População na data inicial t0. (hab) N = Nascimentos (no periodo t-t0) M = óbitos; I = imigrantes no período; E = emigrantes (N-M) = crescimento vegetativo no período; (I-E) = crescimento social no período. 1.2 Método aritmético 𝑷 = 𝑷𝟐 + 𝒌𝒂 ∗ (𝒕𝟐 − 𝒕𝟏) , onde 𝒌𝒂: 𝑘𝑎 = 𝑃2 − 𝑃1 𝑡2 − 𝑡1 𝑃2= População no instante 𝑡2(hab) 𝑃1= População no instante 𝑡1(hab) 𝑘𝑎= Taxa de crescimento populacional (hab/ano) 1.3 Método geométrico 15 / 47 𝑷 = 𝑷𝟐. 𝒆 𝒌𝒈.(𝒕−𝒕𝟎) , onde 𝒌𝒈: 𝑘𝑔 = 𝑙𝑛𝑃2 − 𝑙𝑛𝑃1 𝑡2 − 𝑡1 𝑃2= População no instante 𝑡2(hab) 𝑃1= População no instante 𝑡1(hab) 𝑘𝑔= Taxa de crescimento populacional 1.4 Método da curva logística 𝑷 = 𝑲 𝟏 + 𝒆𝒂−𝒃𝑻 , onde 𝑲,𝒃 𝒆 𝒂: 𝑘 = 2. 𝑃0. 𝑃1𝑃2 − (𝑃1) 2. (𝑃0 + 𝑃2) 𝑃0. 𝑃2 − (𝑃1)2 𝑏 = − 1 0,4343𝑑 . 𝑙𝑜𝑔 𝑃0. (𝐾 − 𝑃1) 𝑃1. (𝐾 − 𝑃0) 𝑎 = 1 0,4343 . 𝑙𝑜𝑔 (𝐾 − 𝑃0) 𝑃0 𝑃2= População no instante 𝑡2(hab) 𝑃1= População no instante 𝑡1(hab) 𝑃0= População no instante 𝑡0(hab) 𝐾= População de Saturação (hab) d = intervalo constante entre os anos t0, t1 e t2 1.5 Método da extrapolação gráfica Consiste no traçado de uma curva arbitrária, que se ajusta aos dados das populações, que se ajusta aos dados já observados, das populações de outras comunidades com características semelhantes ao estudo, mas que tenham uma população maior. O estudo populacional deverá avaliar as condições sócias e econômicas da área a ser atendida a fim de comparar os resultados obtidos pelos métodos estatísticos, adotando os resultados mais adequados para o perfil da área a ser abastecida. O estudo populacional pode variar substancialmente em função do método adotado. 16 / 47 1.6 Estimativa através da densidade populacional. A população (P) também pode ser estimada baseando-se na densidade populacional (d), que é relação entre à média do número de pessoas residentes por unidade de área (a) em uma dada localidade. Dessa forma, conhecendo-se a densidade populacional da região e a área a ser esgotada estima-se a população: 𝑷 = 𝒅 ∗ 𝒂 → 𝒉𝒂𝒃 𝒉𝒂 ∗ha=hab Densidade populacionalnas regiões brasileiras: 1° Sudeste = 67,77 hab/km² 4° Centro-Oeste = 5,86 hab/km² 2º Sul = 38,38 hab/km² 5º Norte = 2,66 hab/km² 3º Nordeste = 27,33 hab/km² 2. População flutuante: O estudo demográfico deverá contemplar a população que se estabelece no núcleo urbano por curtos períodos de tempo, como no caso dos municípios de veraneio, estâncias climáticas e hidrominerais. Ano População 1970 6418 t0 1980 P0 6650 1991 8251 t1 1996 P1 8884 2000 8968 t2 2010 P2 10138 k a = k g = 116 0,014 11047 11047 → k d = c= 0,661 0,05255 K1 = -0,071 2015 10710 2016 10826 1,08% 2017 10942 1,07% Ano População Tx cresc. Ano População Tx cresc. Ano População Tx cresc. Ano População Tx cresc. Ano População Tx cresc. Média das populações Tx cresc. 2015 10710 - 2015 10876 - 2015 10348 - 2015 10477 - 2015 11579 - 10798 - 2016 10826 1,08% 2016 11029 1,42% 2016 10384 0,35% 2016 10514 0,36% 2016 11723 1,24% 10895 0,90% 2017 10942 1,07% 2017 11186 1,42% 2017 10418 0,33% 2017 10549 0,33% 2017 11868 1,24% 10992 0,89% 2018 11058 1,06% 2018 11344 1,42% 2018 10450 0,31% 2018 10582 0,31% 2018 12015 1,24% 11090 0,88% 2019 11174 1,05% 2019 11504 1,42% 2019 10480 0,29% 2019 10613 0,29% 2019 12163 1,24% 11187 0,88% 2020 11290 1,04% 2020 11667 1,42% 2020 10509 0,28% 2020 10642 0,27% 2020 12314 1,24% 11284 0,87% 2021 11406 1,03% 2021 11832 1,42% 2021 10537 0,26% 2021 10668 0,25% 2021 12466 1,24% 11382 0,86% 2022 11522 1,02% 2022 12000 1,42% 2022 10563 0,25% 2022 10694 0,24% 2022 12620 1,24% 11480 0,86% 2023 11638 1,01% 2023 12170 1,42% 2023 10588 0,23% 2023 10717 0,22% 2023 12777 1,24% 11578 0,85% 2024 11754 1,00% 2024 12342 1,42% 2024 10611 0,22% 2024 10739 0,21% 2024 12935 1,24% 11676 0,85% 2025 11870 0,99% 2025 12517 1,42% 2025 10633 0,21% 2025 10760 0,19% 2025 13095 1,24% 11775 0,85% 2026 11986 0,98% 2026 12694 1,42% 2026 10655 0,20% 2026 10779 0,18% 2026 13257 1,24% 11874 0,84% 2027 12102 0,97% 2027 12873 1,42% 2027 10675 0,19% 2027 10797 0,17% 2027 13421 1,24% 11974 0,84% 2028 12218 0,96% 2028 13056 1,42% 2028 10694 0,18% 2028 10814 0,16% 2028 13587 1,24% 12074 0,84% 2029 12334 0,95% 2029 13240 1,42% 2029 10712 0,17% 2029 10830 0,15% 2029 13755 1,24% 12174 0,83% 2030 12450 0,94% 2030 13428 1,42% 2030 10729 0,16% 2030 10844 0,14% 2030 13925 1,24% 12275 0,83% 2031 12566 0,93% 2031 13618 1,42% 2031 10745 0,15% 2031 10858 0,13% 2031 14098 1,24% 12377 0,83% 2032 12682 0,92% 2032 13811 1,42% 2032 10761 0,14% 2032 10871 0,12% 2032 14272 1,24% 12479 0,83% 2033 12798 0,91% 2033 14006 1,42% 2033 10775 0,14% 2033 10883 0,11% 2033 14449 1,24% 12582 0,82% 2034 12914 0,91% 2034 14204 1,42% 2034 10789 0,13% 2034 10894 0,10% 2034 14627 1,24% 12686 0,82% 2035 13030 0,90% 2035 14405 1,42% 2035 10802 0,12% 2035 10904 0,10% 2035 14808 1,24% 12790 0,82% 2036 13146 0,89% 2036 14609 1,42% 2036 10815 0,12% 2036 10914 0,09% 2036 14992 1,24% 12895 0,82% 2037 13262 0,88% 2037 14816 1,42% 2037 10827 0,11% 2037 10923 0,08% 2037 15177 1,24% 13001 0,82% 2038 13378 0,87% 2038 15026 1,42% 2038 10838 0,10% 2038 10931 0,08% 2038 15365 1,24% 13108 0,82% 2039 13494 0,87% 2039 15238 1,42% 2039 10849 0,10% 2039 10939 0,07% 2039 15555 1,24% 13215 0,82% 2040 13610 0,86% 2040 15454 1,42% 2040 10859 0,09% 2040 10947 0,07% 2040 15748 1,24% 13323 0,82% 2041 13726 0,85% 2041 15673 1,42% 2041 10868 0,09% 2041 10954 0,06% 2041 15943 1,24% 13433 0,82% 2042 13842 0,85% 2042 15895 1,42% 2042 10878 0,08% 2042 10960 0,06% 2042 16140 1,24% 13543 0,82% 2043 13958 0,84% 2043 16120 1,42% 2043 10886 0,08% 2043 10966 0,05% 2043 16340 1,24% 13654 0,82% 2044 14074 0,83% 2044 16348 1,42% 2044 10894 0,08% 2044 10971 0,05% 2044 16542 1,24% 13766 0,82% 2045 14190 0,82% 2045 16579 1,42% 2045 10902 0,07% 2045 10977 0,05% 2045 16746 1,24% 13879 0,82% 2046 14306 0,82% 2046 16814 1,42% 2046 10910 0,07% 2046 10981 0,04% 2046 16954 1,24% 13993 0,82% y = 2E-07e0,0123x Fonte: IBGE Estimativa do crescimento populacional (ref. Von Sperling. 1995, p. 63) Projeção Aritmética Projeção Geométrica Taxa decrescente de crescimento Crescimento Logístico Regressão Linear (Excel) Média das Populações 𝑘𝑎 = 𝑃2− 𝑃0 𝑡2− 𝑡0 𝑃 = 𝑃0 +𝑘𝑎.(t-𝑡0) 𝑃 = 0 + 11 .(t-1 0) 𝑘𝑔 = 𝑙𝑛𝑃2− 𝑙𝑛𝑃1 𝑡2 − 𝑡0 𝑃 = 𝑃0. 𝑃 = 0. 0,01 0 .( −1 0) 𝑃 = 2. 𝑃2. 𝑃1. 𝑃0 − 𝑃1 2. (𝑃0 +𝑃2) 𝑃0. 𝑃2 −𝑃1 2 𝑘 = (𝑙𝑛(𝑃 −𝑃2) (𝑃 −𝑃0)) 𝑡2 − 𝑡0 𝑃 = 𝑃 = 𝑃0+ ( 𝑃 −𝑃0 . 1 − − . − ) 𝑃 = 0 + 43 . (1 − −0,000 −1 0 ) 𝑃 = 2. 𝑃2. 𝑃1. 𝑃0 − 𝑃1 2. (𝑃0 +𝑃2) 𝑃0. 𝑃2 −𝑃1 2 = (𝑃 −𝑃0) 𝑃0 𝑃 = 𝑘1 = 1 − . 𝑙𝑛 .( − ) .( − ) ) 𝑃 = 𝑃0 1 + . 𝑃 = 0 1 + 0, 1 −0,0 1 1 0 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 17 / 47 3. Contribuição per capita: 𝒒 = 𝑉𝑜𝑙. 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢í𝑑𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙𝑚 𝑛𝑡 𝑃𝑜𝑝𝑢𝑙𝑎çã𝑜 × 3 [ 𝐿 ℎ𝑎𝑏 ∗ 𝑑𝑖𝑎 ] O consumo per capita é um parâmetro variável em função dos hábitos higiênicos e culturais da população abastecida, da tecnologia empregada nos equipamento hidráulico e sanitários dos imóveis, nos controles exercidos sobre o consumo, subsídios sociais, tarifas praticadas, temperatura média da região, renda familiar, índides de industrialização, atividade comercial, entre outros. Na região metropolitana de São Paulo o consumo efetivo per capita é de 242 l/hab.dia, a tabela 1 apresenta valores obtidos em alguns munícipios do estado de São Paulo: Tabela 1 Fonte: Notas de aula prof. Antônio Carlos Costa Vieira 4. Coeficientes de Variação do Consumo Médio: Tal como vazão a ser distribuída de água para abastecimento, o esgoto coletado sofre variações diárias e horárias, e da mesma maneira utiliza-se os coeficientes: K1 - coeficiente de máxima vazão diária: relação entre a maior vazão diária verificada no ano e a vazão média diária anual; K2 - Coeficiente de máxima vazão horária: relação entre a maior vazão observada em um dia e a vazão média horária do mesmo dia; Na falta de valores obtidos através de medições, a NBR 9649 recomenda os seguintes valores: K1 = 1,2 K2 = 1,5 5. Vazão média: A vazão média pode ser calculada pelo produto entre a população e o consumo per capita. 18 / 47 �̅� = ∗𝑞 . 00 [ 𝐿 ] , onde: �̅� : Vazão média (𝐿 𝑠): 𝑃= População atendida (hab); q= Consumo de água per capita inicial e final (L/hab.dia) Caso a população seja estimada pela densidade populacional, a fórmula assume o seguinte formato: �̅� = 𝑑 ∗ 𝑎 ∗ 𝑞 .400 [ 𝐿 𝑠 ] 𝑑 = densidade populacional (hah/km2 , hab/ha) 𝑎= área esgotada inicial e final (ha) Para o dimensionamento dos SAA, são aplicados os coeficientes K1 e K2, para compensar as variações temporais: Dimensionamento da captação, estação elevatória de água bruta e adutora até a ETA (inclusive): 𝑸𝟏 = ( 𝒌𝟏 ∗ 𝑃 ∗ 𝑞 𝟖𝟔. 𝟒𝟎𝟎 + 𝑄𝑒 𝑝) 𝑥 𝐶𝐸𝑇𝐴 [ 𝐿 𝑠 ] Vazão da ETA até o reservatório: 𝑸𝟐 = ( 𝒌𝟏 ∗ 𝑃 ∗ 𝑞 𝟖𝟔. 𝟒𝟎𝟎 + 𝑄𝑒 𝑝) [ 𝐿 𝑠 ] Vazão do reservatório até a rede: 𝑸𝟑 = ( 𝒌𝟏 ∗ 𝒌𝟐 ∗ 𝑃 ∗ 𝑞 𝟖𝟔. 𝟒𝟎𝟎 + 𝑄𝑒 𝑝) [ 𝐿 𝑠 ] 19 / 47 CAPITULO 05 Captação Gradeamento e caixa de areia 20 / 47 Poucos rios surgem de grandes nascentes, mas muitoscrescem recolhendo filetes de água. (Ovídio) 1. Dimensionamento de Gradeamento e caixa de areia Referência NBR 12.213/1992 Gradeamento: Objetivo Remoção de sólidos grosseiros. São constituídos de barras de ferro ou aço paralelas, posicionadas transversalmente no canal de chegada dos esgotos na estação de tratamento, perpendiculares ou inclinadas, dependendo do dispositivo de remoção do material retido. As grades devem permitir o escoamento dos esgotos sem produzir grandes perdas de carga. Tipo Espaçamento (cm) Grade Grosseira 4 - 10 Grade Média 2 - 4 Grade Fina 1 – 2 Dimensão das barras Espessura das barras: 4 mm a 10 mm Comprimento: 25 mm a 75 mm Inclinação das barras (Verticais ou inclinadas) Limpeza manual: 45o ou 60o Limpeza mecanizada: 70o a 90o 21 / 47 Velocidade de passagem 0,6 m/s a 1,2 m/s (Limpeza mecanizada) 0,6 m/s a 0,9 m/s (Limpeza manual) Velocidade no canal a montante da grade > 0,4 m/s Perda de carga Obstrução máxima permitida (50%) 0,15 m (Limpeza manual) 0,10 m (Limpeza mecanizada) 22 / 47 Exemplo de dimensionamento: O dimensionamento é realizado pela vazão máxima de final de plano. Vamos adotar para efeito de exemplificação, uma vazão de 300 l/s, com limpeza manual. Adotando-se um gradeamento fino com barra retangular de seção transversal “A”, espessura de 10 mm, largura entre barras de 2,0 cm e profundidade do nível de água igual a 0,8 m. 1. Como não temos a largura do canal definido, adotaremos a maior velocidade de passagem, pois a velocidade irá diminuir com o uso devido a sujeira: v = 0,6 m/s (0,3 < v < 0,6 m/s, para limpeza manual) 𝑄 = 𝐴𝑝𝑎 𝑎𝑔𝑒𝑚 × 𝑣 𝑸 = 𝒗 × 𝑵 × (𝒃 × 𝑯) ∴ 𝑁 = 𝑄 (𝑏×𝐻).𝑣 𝑁 = 0,3 (0,02 ×0, ).0, N = 31,25 → 32 espaços para que a velocidade (0,3 m/s < v < 0,6 m/s) A largura da grade será dada por: (Adotado: Espessura das barras: 10 mm) LargTotal = N .b + (N+1).s LargTotal = 32 . 0,02 + 33. 0,01 → LargTotal = 0,97 m H = ,8 0 m N = número de espaços 𝐴𝑝𝑎 𝑎𝑔𝑒𝑚 = 𝑁 × (𝑏 × 𝐻) × 𝑣 s =1,0 cm b =2,0 cm Largura total h 23 / 47 Perda de Carga: ℎ = 𝐾 𝑣2 2. 𝑔 𝐾 = 𝛽. ( 𝑏 ) 1,33 x 𝑠 𝑛𝛼 𝛽 = 2,42 (seção transversal “A") 𝐾 = 2,42. ( 0,01 0,02 ) 1,33 × 𝑠 𝑛𝛼 𝛼 = 0° (adotado) 𝐾 = 2,42. ( 0,01 0,02 ) 1,33 𝑠 𝑛 0° K = 0,95 Para a velocidade utilizar 50% da área de passagem devido a obstruções: Aútil= 0,5 X 32x(0,02 X0,8) = 0,256 m 2 V=Q/Aútil V = 0,3/0,256 V = 1,17 m/s Perda de carga: ℎ = 𝐾 𝑣2 2. 𝑔 ℎ = 0, × 1,1 2 2 × , ℎ = 0,0 𝑚 Portanto a grade deverá ter largura mínima: 0,94 m e Altura nínima superior 0,867 m - (0,8 + 0,067m). 24 / 47 Dimensionamento da caixa de areia Objetivo: Remoção de areia através de sedimentação, sem que haja remoção conjunta de sólidos orgânicos Características das partículas a serem removidas “Areia” • Diâmetro efetivo: 0,2 mm a 0,4 mm • Massa Específica: 2.650 kg/m3 • Velocidade de sedimentação: 2,0 cm/s Considerando a vazão do exemplo anterior, 300 l/s, temos: Vs=Q/Aproj = > Aproj = 0,3/0,02 = 15 m 2 Adotanto lagura igual a 2,0 m => Aproj = larg x comp => comp = 15/2 => comp = 7,5 m Para compensar a turbulência na entrada e na as´da da caixa de areia, aplica-se um coeficiente d segurança de 50% no comprimento da caixa, resultando: L = Lcalc*1,5 => L = 7,5 x 1,5 => L = 11,25 m Largura = (2,0 m); comprimento (L= 11,25 m) Verificação: comp/larg > 4 11,25/2 = 5,6 > 4 (ok) Profundidade da caixa de areia: Q = Aesc * Vh => Aesc = Q/Vh => Larg x H = Q/Vh = 2,0 * H = 0,3/0,3 Q = 0,3 m3/s Vh = 0,3 m/s Aesc = larg x H H = 0,50 m 25 / 47 CAPITULO 06 Estação Elevatória Classificação 26 / 47 6. Estações Elevatórias, Bombas hidráulicas. 6.1 Definição: Bombas hidráulicas são dispositivos mecânicos concebidos para mover os líquidos com pressão suficiente para transmitir a energia no corpo de fluido. As Estações elevatórias são constituídas de conjuntos moto bombas, tubulações e acessórios e componentes eletromecânicos, conforme indicado na figura 1 e unidades auxiliares, tais como tratamento preliminar para remoção de sólido grosseiros e gerador de emergência (ou poço pulmão). Figura 2 - Estação Elevatória 6.2 As bombas hidráulicas se dividem em dois tipos básicos: as bombas cinéticas e as bombas de deslocamento positivo. Em estações elevatórias de esgoto, as bombas cinéticas do tipo centrifuga tem sido adotadas (figuras 3a e 3b), contudo encontram-se também bombas de deslocamento positivo do tipo cavidade variável (helicoidal – figura 3c) usadas em poços secos. Figura 3 – Bombas de recalque a) Bomba centrifuga para poço seco b) Bomba centrifuga submersível c) Bomba helicoidal Tratando-se da elevação de esgoto sanitário, que transporta sólidos, dois aspectos devem ser considerados para o uso de bombas centrifugas: 27 / 47 O rotor da bomba deve ser do tipo aberto (Figura 4c), para permitir a passagem de sólidos entre 70 a 100 mm, que possam ser arrastados pelo fluxo; Figura 4 – Tipo de rotor a) Rotor fechado b)Roto semiaberto c) Roto aberto As bombas devem trabalhar afogadas, isto é, o nível do fluído devem estar acima do eixo de referência do propulsor para, a fim de dispensar a colocação válvulas de retenção (pé) na sucção que possam obstruir a passagem de sólidos em suspensão no líquido. Figura 5: Vávula de pé com crivo 6.3 Instalação Hidráulica: As EEE s podem ser projetadas prevendo bombas externas ao poço de sucção, figura 6a, ou submersas no interior do poço, conforme indicado na figura 6b). a) Poço seco 28 / 47 b) EEE de poço úmido 6.4 Montagem Hidráulica: Deverá prever a instalação de válvulas de gaveta, figura 7a), para isolar as linhas de sucção e de recalque nas ocasiões de manutenção das tubulações e equipamentos eletromecânicos, além de válvulas de retenção, figura 7b) que permitem o escoamento do fluxo em uma única direção e destinam-se à proteção das instalações de recalque contra o refluxo do esgoto. Figura 7 - Acessórios a) Válvula gaveta b) Válvula retenção 6.5 Outros modelos: As bombas hidráulicas de uso corrente para o recalque de esgoto são as bombas centrifugas, atualmente estão sendo introduzidas as bombas de fuso ou helicoidais, contudo outros modelos, tais como, as bombas de parafuso e os ejetores pneumáticos encontram aplicação em determinados casos. A seguir um breve resumo desses modelos: 6.5.1 As bombas de parafuso são provavelmente o tipo mais antigo de bomba existente. Baseiam-se no principio de Arquimedes, no qual uma superfície helicoidal acoplada a um eixo rotativo, girando em um plano inclinado, eleva o fluído de uma cota inferior para uma cota situada em um nível acima do ponto de coleta. Tem aplicação limitada devido a requisitos físicos. Podem ser instaladasentre 22º a 40º com uma altura de elevação de aproximadamente 9 metros, imposto por requisitos estruturais do parafuso. Apresentam rendimento entre 60% para bombas de pequeno porte até 75% para bombas maiores. Em geral são acionadas por conjuntos motoredutores e operam com velocidade angular em torno 30 a50 rpm. 29 / 47 Figura 8 – Bomba de parafuso 6.5.2 Os ejetores pneumáticos consistem basicamente de um tanque fechado (figura 9), para o interior do qual o esgoto flui, por gravidade (figura 10a), até atingir um determinado nível. Enquanto o tanque vai enchendo, o ar nele contido é expulso para a atmosfera. Quando o tanque está quase cheio (figura 10b), interrompe-se a saída do ar ao mesmo tempo em que se injeta ar comprimido no interior do tanque, através de válvulas especiais ou diretamente através de um compressor, em quantidade e pressão suficientes para promover a descarga do líquido (figura 10c). Figura 9 – Ejetor pneumático para esgoto Fonte: http://www.yccpump.com/assets Duas válvulas de retenção (na entrada e na saída do tanque) condicionam o fluxo em um único sentido. O esgoto é ejetado do tanque pela ação da pressão exercida pelo ar comprimido. Quando o nível mínimo é atingido novamente o dispositivo de controle corta a entrada de ar comprimido, reiniciando um novo ciclo. Figura 10 – Ejetor pneumático a) Fase de enchimento b) Cheio c) Fase de descarte 30 / 47 Ejetores pneumáticos são viáveis para esgotamento de alturas manométricas de 3 a 15 metros e de vazões de até 20 l/s, pois vazões maiores consumem muita energia com baixos rendimentos, inferiores a 15%. 6.6 Dimensionamento: Para o dimensionamento dos conjuntos motobombas são considerados as seguintes premissas: 6.6.1 Diâmetro da tubulação: A seleção do diâmetro da tubulação é função da vazão adotada (velocidade x Área), sendo que sua variação afeta diretamente a velocidade e a perda de carga na linha, refletindo-se consequentemente na potência do conjunto motobomba. A norma brasileira NBR 12.208 recomenda adotar velocidades entre 0,6 a 3,0 m/s no recalque e 0,6 a 1,5 m/s na sucção. A adoção de um determinado diâmetro envolverá estudos econômicos sobre o custo do investimento (CAPEX) e de operação (OPEX) derivados da premissa inicial. Inicialmente iniciaremos um pré-dimensionamento baseado na fórmula de Bresse: 𝑫 = 𝒌.𝑸𝟏 𝟐 D: Diâmetro [m] Q: Vazão [m 3 /s] K: Coeficiente de Bresse Onde, K é o coeficiente adimensional de Bresse que é função da velocidade econômica (V) de escoamento da linha, podendo ser determinada pela expressão: 𝐾 = √( 4 𝜋. 𝑉 ) V: A velocidade econômica se situa em geral entre 1,0 m/s a 1,5 m/s.; Para tubulações longas têm sido adotadas velocidades de recalque de cerca de 0,8 m/s e para tubulações curtas, as velocidades chegam a atingir 3,0 m/s. K v (m/s) 0,75 2,26 0,80 1,99 0,85 1,76 0,90 1,57 1,00 1,27 1,10 1,05 1,20 0,88 1,30 0,75 1,40 0,65 31 / 47 Exercício: Para uma vazão de 115 l/s avalie o diâmetro a ser adotado para a linha de recalque de uma EEE: Tubo Preço por m FoFo – DN 300 768,00 FoFo – DN 350 908,00 FoFo – DN 400 986,00 Atenção: Reduzir o diâmetro aumenta a velocidade e consequentemente a perda de carga. Determinação da altura manométrica: 𝑯𝒎 = 𝑯𝑮 + 𝒉𝒇 A elevação do fluido corresponde ao trabalho necessário para transportá-lo de um nível inferior para um ponto situado numa cota superior. A altura manométrica representa o trabalho total a ser realizado pelo conjunto motobomba para conduzir a vazão desejada ao ponto superior 𝑷𝒐𝒕 = 𝜸.𝑸.𝑯𝒎 𝟕𝟑𝟓, 𝟓. 𝜼 Pot: Potência [CV] g: peso específico do fluido [N/m2] Q: vazão [m 3 /s] Hm: altura manométrica (m) h: rendimento global (conjunto motobomba) 32 / 47 Determinação da altura manométrica: Figura 3: Montagem Convencional 𝑯𝒎𝒂𝒏 = 𝑯𝒈 + ∑𝒉𝒇 Hg: Cota geométrica total, incluindo sucção e recalque (m) ∑𝒉𝒇: Somatória das perdas de cargas Para determinação do Hg devemos considerar a altura referente à sucção e ao recalque: (Hg = Hr ± Hs), bem com como suas respectivas perdas de carga (hfsucção e hfrecalque), assim podemos reescrever a equação: 𝑯𝒎𝒂𝒏 = 𝑯𝒓 ± 𝑯𝒔 + 𝒉𝒇 𝑢𝑐çã𝑜 + 𝒉𝒇𝑟𝑒𝑐𝑎𝑙𝑞𝑢𝑒 O Hs será negativo se a bomba trabalhar afogada, caso esteja acima do eixo de referência da bomba. Hs e Hr referem-se as cotas geométricas da instalação. Para a determinação das perdas de carga localizadas (hfsucção e hfrecalque) pode ser utilizado o método dos comprimentos virtuais, que confere a cada singularidade da rede um “comprimento virtual” em função do diâmetro e do material da tubulação. Esses valores encontram-se tabelados, como o exemplo da tabela 1 ou tabela 2 (ver http://www.easymec.net/Default.aspx?app=140). A partir da soma dos comprimentos equivalentes com o comprimento dos trechos retos da tubulação, pode-se calcular a perda no trecho estudado a partir da fórmula de Hazen-Williams. Eixo de Ref. 33 / 47 Tabela 1: Perdas de carga localizadas – equivalência em m de tubulação de aço galvanizado ou ferro fundido Tabela 2: Perdas de carga localizadas em peças especiais Peça Comprimento Virtual (multiplicar pelo diâmetro) Fórmula de Hazen-Williams A expressão de Hazen-Williams, com o seu fator numérico em unidades métricas, para o cálculo da perda de carga é a seguinte: J = 10,643 × Q 1,852 × C -1,852 × D -4,87 [m/m], onde: J = perda de carga unitária (m/m) Q = vazão (m 3 /s) D = diâmetro interno do tubo (m) 34 / 47 C = coeficiente que depende da natureza (material e estado) das paredes dos tubos, ver tabela 3. Para se obter a perda de carga total (hf) basta multiplicar pelo comprimento equivalente da tubulação: hf = 10,643 × Q 1,852 × C -1,852 × D -4,87 ×Lv [m], onde: Lv = Comprimento virtual da rede incluindo os trechos retilíneos e os comprimentos equivalentes das conexões e acessórios. Tabela 3: Coeficiente C para a fórmula de Hazen-Williams Fonte: Azevedo Netto, 1998, p.150 Definindo-se o diâmetro e o material do tubo, podemos definir uma constante K para o sistema: 10,643 × C -1,852 × D -4,87 × Lv = k [m] Dessa forma a equação se reduz a: hf = K.Q 1,852 [m] O coeficiente K utilizado para o traçado da curva do sistema deverá ser a somatória dos coeficientes calculados para a sucção (Ks) mais o recalque (kr). Podemos definir então uma curva do sistema com a altura manométrica em função da vazão, Hman=f(Q). Hman=Hg + K.Q 1,852 [m] Exercício: Traçar a curva característica do sistema proposto com a configuração da figura 3, utilizando a equação de Hazen-Williams, adotando: Hman Figura 4: Curva característica do sistema 35 / 47 Qi = 20,0 l/s Qf = 35,0 l/s Material: Tubo de Ferro Fundido revestido com epóxi (novo). Altura da sucção: Hs = + 1,00 m Altura do recalque: Hr = 15,0 m Altura geométrica: Hg = 14,0 m Comprimento da tubulação de sucção: Ls = 1,0 m Comprimento da tubulação de recalque: Lr = 25,0 m Figura 5: EEE com poço afogado 1º Passo: estimar o valor do diâmetro da tubulação na sucção e do recalque: 𝐷 = 𝑘. 𝑄1 2 com 𝑘 = √( 𝜋.𝑉 ) A norma brasileira NBR 12.208 recomendaadotar velocidades entre 0,6 a 3,0 m/s no recalque e 0,6 a 1,5 m/s na sucção Adotando: V= 1,5 m/s → k=0,92 Q = 20 l/s → D = 0,130 m Q = 35 l/s → D = 0,172 m Adotado: Tubo de Ferro Fundido revestido com epóxi DN 150 36 / 47 Verificação da velocidade: DN 150 tabela → Diâmetro interno: 158 mm Q = 20 l/s → V = 0,93 m/s Q = 35 l/s → V = 1,78 m/s Para a tubulação da sucção admitiremos um diâmetro acima: DN 200 mm 2º Passo: Verificar as perdas de carga na sucção: Relacionar as peças e acessórios que compõem a sucção: Peça Comprimento Virtual DN 200 Entrada Normal 17 D 3,4 m Redução Excêntrica 6 D 1,2 m Total das perdas localizadas: 23 D 4,6 m Total das perdas de carga: lsucção = 4,6 m Comprimento da tubulação de sucção: Ls = 1,0 m Comprimento virtual: Lv = Ls + lsucção → Lv = 4,6 + 1 → Lv= 5,6 m 3º Passo: Calcula o coeficiente k na sucção (Hazen-Williams): ksucção= 10,643 × C -1,852 × D -4,87 ×Lv C: Tubo de Ferro Fundido revestido com epóxi (novo) → 140 ksucção = 10,643 × 140 -1,852 × 0,20 -4,87 ×5,6 ksucção = 16,01 3º Passo: Calcula o coeficiente k no recalque (Hazen-Williams): Peça Comprimento Virtual DN 150 Ampliação Gradual 12 D 1,8 m Válvula de Retenção 100 D 15 m 37 / 47 Válvula de Gaveta 8 D 1,2 m Curva 90 30 D 4,5 m Saída da Tubulação 35 D 5,25 Total perdas localizadas: 185 D 27,75 m Total das perdas de carga: lrecalque = 27,75 m Comprimento da tubulação de recalque: Lr = 25,0 m Comprimento virtual: Lv = Ls + lrecalque → Lv = 25 + 27,75 → Lv= 52,75 m 3º Passo: Calcula o coeficiente k no recalque (Hazen-Williams): Krecalque = 10,643 × C -1,852 × D -4,87 ×Lv C: Tubo de Ferro Fundido revestido com epóxi (novo) → 140 Krecalque = 10,643 × 140 -1,852 × 0,15 -4,87 ×52,75 Krecalque = 612,48 5º Passo: Definir a equação da curva do sistema: De Hazen-Williams: Hman=f(Q) Hman=Hg + K.Q 1,852 [m] Então obtemos a equação que representa a curva do sistema: Hman=14 + 628,49.Q 1,852 Atribuindo-se valores a vazão podemos obtemos o seguinte gráfico: Q m3/s 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Hm (m) 14,00 22,84 45,90 81,60 129,16 188,10 258,03 338,65 429,74 Ktotal = ksucção + Krecalque → Ktotal = 16,01 + 612,48 → Ktotal = 628,49 Hg = 14 38 / 47 Conhecendo-se a curva característica de uma instalação podemos pesquisar os vários modelos de bombas que se adequem a instalação proposta. Exemplo: 0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 700,00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Q (m3/s) Hm (m) 39 / 47 Atividades COMPLEMENTARES EXERCÍCIOS 40 / 47 1. Os últimos censos realizados em um município paulista apresentaram os seguintes resultados: Data População 2000 P2000 4050 41 / 47 2007 P2007 4126 2015 P2015 4419 2020 P2020 2025 P2025 Com base nos métodos aritmético e geométrico e considerando os dois últimos censos, a população estimada para o ano de 2020 estaria entre: a) 4.456 hab e 4.457 hab b) 4.492 hab e 4.495 hab c) 4.529 hab e 4.534 hab d) 4.602 hab e 4.613 hab e) 4.613 hab e 4.602 hab Projeção aritmética: Projeção Geométrica Com base nos métodos aritmético e geométrico e considerando os dois últimos censos, a população estimada para o ano de 2030 estaria entre: a) 4.968 hab e 5.112 hab b) 5.026 hab e 4.895 hab c) 4.529 hab e 4.534 hab d) 5.026 hab e 5.112 hab e) 4.968 hab e 5.026 hab Monte um gráfico com as populações em função do tempo entre os anos de 2015 a 2030 obtidas através das projeções aritmética e geométrica. Utilize uma planilha eletrônica. .(t- ) 𝑃 = 441 + 3 , .(t-201 ) →𝑃2020 = 441 + 3 , . (2020 − 201 ) = 4. 02 ℎ𝑎𝑏 𝑘𝑎 = − − → 1 − 12 201 −200 → 𝑘𝑎 = 36,6 𝑘𝑔 = 𝑙𝑛𝑃2 − 𝑙𝑛𝑃1 𝑡2 − 𝑡0 𝑙𝑛441 − 𝑙𝑛412 201 − 200 0,00 𝑃 = 𝑃0. .( − ) 𝑃 = 441 . 0,00 .(2020− 201 ) 𝑃 = 4. 13 ℎ𝑎𝑏 42 / 47 Exercício: Traçar a curva característica do sistema proposto na figura. Pesquise em sites de fabricantes e selecione uma bomba hidráulica adequada, com as seguintes premissas: Vazão mínima 5 l/s Vazão média 10 l/s Vazão máxima diária 15 l/s Vazão máxima horária 18 l/s Material: Tubo de ferro fundido Altura do recalque: H = 7,5 m Comprimento da tubulação de recalque: Lr = 100,0 m Verifique o NPSH disponível no sistema e requerido pela bomba, considerando que ela será instalada a uma altitude média de 760 m e que a altura entre a linha d’água e a linha de centro da sucção seja de 1,00 m: 7,5 m 1,0 m 43 / 47 Tabela de perda de carga Krecalque = 10,643 × C -1,852 × D -4,87 ×Lv Hman=Hg + K.Q 1,85 𝑵𝑷𝑺𝑯𝒅𝒊𝒔𝒑 = (𝑷𝒂𝒕𝒎 − 𝑷𝒗) 𝜸 ∓ 𝑯− 𝒉𝒔 44 / 47 45 / 47 Atividades COMPLEMENTARES EXERCÍCIOS ENADE 46 / 47 47 / 47
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