Saneamento Ambiental I

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1 Universidade Federal do Paraná Engenharia Ambiental Saneamento Ambiental I Aula 23 O Sistema de Esgoto Sanitário: dimensionamento Profª Heloise G. Knapik 1

2 EXERCÍCIO ESTIMATIVA DE VAZÕES E CARGA DE ESGOTO 2

3 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

4 Condutos Forçados Pressão diferente da atmosfera Tubulações fechadas Condutos Livres Pressão da atmosférica Seções fechadas (esgotos e águas pluviais) ou abertas (rios, canais de irrigação)

5 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)

6 CÁLCULO DO DIÂMETRO DA REDE COLETORA: Parâmetros geométricos A: área molhada ou área da seção transversal do escoamento P: perímetro molhado (fronteira sólida em contato com o fluido) B: largura na superfície do escoamento (contato com a atmosfera) y: profundidade: altura do líquido acima do fundo do canal Rh: raio hidráulico (razão entre a área molhada e o perímetro molhado) S: declividade de fundo (declividade longitudinal)

7 CÁLCULO DO DIÂMETRO DA REDE COLETORA: Equação de Manning (escoamento livre): Q = A R 2 3 h I 1 2 n R h = 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)

8 CONDIÇÕES HIDRÁULICAS: Vazões de projeto para a rede coletora Vazões máximas de início de plano: importantes para definir a capacidade de autolimpeza das tubulações Vazões médias de final de plano: determinantes para avaliar a capacidade de autodepuração do corpo hídrico receptor e dimensionar o sistema de tratamento de esgotos Vazão máxima de final de plano: importante para definir os diâmetros dos trechos da rede coletora

9 CÁLCULO DAS VAZÕES DE ESGOTO E CONTRIBUIÇÕES Vazão de esgoto doméstico (Q d ), vazão de infiltração (I) e contribuições industriais (Q ind - vazões concentradas singulares) Q = Q D + Q Ind + I Dens = Pop Area 9

10 CÁLCULO DA VAZÃO MÉDIA INICIAL (INÍCIO DE PLANO) E FINAL (HORIZONTE DE PROJETO) Vazão média inicial (L/s) Q D,i = Pop i.qpc i.r (L/s) Q D,i = a i.d i.qpc i.r (L/s) Vazão média final (L/s) Q D,f = Pop f.qpc f.r (L/s) Q D,f = a f.d f.qpc f.r (L/s) Q D,i e Q D,f = vazão média de esgotos doméstico inicial e final (L/s); QPC = cota per capita (L/hab.dia); R = coeficiente de retorno, a = área inicial e final (ha), d = densidade inicial e final (hab/ha), Pop = população inicial e final (hab)

11 CÁLCULO DAS VAZÕES DE ESGOTO E CONTRIBUIÇÕES Vazão de esgoto doméstico (Q d ), vazão de infiltração (I) e contribuições industriais (Q ind - vazões concentradas singulares) Vazão inicial (L/s) Q i = K 2 Q D,i + Q Ind,i + I Vazão final (L/s) Q f = K 1 K 2 Q D,f + Q Ind,f + I 11

12 CÁLCULO DAS VAZÕES ESPECÍFICAS OU DE TAXA (PARA DIMENSIONAMENTO) Taxa, por área esgotada inicial (L/s.ha) Infiltração considerada cte em toda a área (L/s.ha) T a,i = Q i Q Ind,i a i T a,i = K 2Q d,i a i + T I Taxa, por área esgotada final (L/s.m) T a,f = Q f Q Ind,f a f T a,f = K 1K 2 Q d,f a f + T I a i ou f = áreas esgotadas inicial ou final; T I = taxa de infiltração (L/s.ha ou L/s.m) 12

13 CÁLCULO DAS VAZÕES ESPECÍFICAS OU DE TAXA (PARA DIMENSIONAMENTO) Taxa linear, por metro de tubulação inicial (L/s.m) T x,i = Q i Q Ind,i L i T x,i = K 2Q d,i l i. a i + T I Taxa linear, por metro de tubulação final (L/s.m) T x,f = Q f Q Ind,f L f T x,f = K 1K 2 Q d,f l f. a f + T I a i ou f =áreas esgotadas inicial ou final; L i ou f = comprimentos de tubulação inicial ou final (m); 13 l i ou f = L i /a i ; T I = taxa de infiltração (L/s.ha ou L/s.m)

14 CONDIÇÕES HIDRÁULICAS: Dimensionamento hidráulico Diâmetro e declividade longitudinal do conduto 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

15 CÁLCULO DO DIÂMETRO Através da equação de Manning com n=0,013, a vazão máxima de final de plano ( Q f ), que atende ao limite y = 0,75 d 0 : d o = 0,3145. (Q f /Io 1/2 ) 3/8 Utilizando-se a vazão em m³/s, resultando em um diâmetro em m, ajustado para o diâmetro comercial (DN) mais próximo (em geral adota-se o valor imediatamente acima do calculado)

16 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. Fixa-se a profundidade mínima admitida no projeto (extremidade de jusante do trecho), e a profundidade de montante (declividade do terreno)

17 DECLIVIDADE MÍNIMA : Cálculo pela equação de Manning Q = A R 2 3 h I 1 2 n I min = 0,0055. Qi 0,47 Entre ambas as declividades, adota-se a maior delas I min em m/m; Qi em L/s ; n= 0,013

18 AUTOLIMPEZA DOS CONDUTOS Depende de uma velocidade mínima que irá ocorrer com uma altura mínima de água (y), dependendo também da natureza da partícula. Velocidade de autolimpeza aumenta com o diâmetro (d o ) do conduto, para uma mesma relação de enchimento (y/d o ) Velocidade de autolimpeza aumenta com a relação de enchimento (y/d o ), para o mesmo diâmetro do contudo (d o ) Ocorre sedimentação quando y/d o 0,15 a velocidades inferiores a 0,20 m/s, válida para os diâmetros menores e crescendo até 0,60 m/s para os maiores diâmetros

19 DETERMINAÇÃO DAS VELOCIDADES INICIAL (Vi) E FINAL (Vf) Cálculo pela equação de Manning (ou métodos tabelados a partir da vazão e velocidades a seção plena) Q = A R 2 3 h I 1 2 n V = R h 2 3 I 1 2 n Critério de velocidade para autolimpeza da tubulação: Início do plano: V 0,6 m/s e y/d 0,2 Final do plano: V max < 5,0 m/s para evitar abrasão nos tubos

20 DETERMINAÇÃO DA TENSÃO TRATIVA Tensão de arrastre: promove o repouso ou o movimento das partículas (força tangencial atuante sobre a parte molhada do conduto) σ = γ. R H. I 0 σ = tensão trativa (Pa); γ =peso específico do líquido (9800 N/m³ para água); R H = raio hidráulico (m); I 0 = declividade do conduto (m/m) Recomendação por norma: valor mínimo de σ=1,0 Pa (garante o arrastre de partículas de até 1,0 mm de diâmetro)

21 DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE CRÍTICA A velocidade crítica deverá ser maior que a velocidade final de plano. Quando a velocidade final é superior à velocidade crítica, a maior lâmina admissível deve ser 50% do diâmetro do trecho. v c = 6(g. R H ) 1/2 g = aceleração da gravidade (m/s²); R H = raio hidráulico (m); v c = velocidade crítica (m/s)

22 PROCEDIMENTO PARA O DIMENSIONAMENTO DO CONDUTO Consiste em determinar os valores do diâmetro e da declividade a partir das vazão Q i e Q f : Calcula-se a declividade econômica (função das cotas do terreno e extensão do tubo coletor) em m/m Calcula-se a declividade mínima (seleciona-se a maior entre ambas) em m/m Seleciona-se o maior valor entre as duas declividades

23 PROCEDIMENTO PARA O DIMENSIONAMENTO DO CONDUTO Consiste em determinar os valores do diâmetro e da declividade a partir das vazão Q i e Q f : Com a declividade selecionada e a vazão de projeto, calculase o diâmetro (equação de Manning) com n=0,013 e y/d o = 0,75 (enchimento máximo da seção transversal do conduto) vazão em m³/s e d o em m. Seleciona-se um DN acima do diâmetro calculado Tanto a vazão Q i e Q f são limitadas a um mínimo de 1,5 L/s

24 PROCEDIMENTO PARA VERIFICAÇÃO FINAL Conhecidos Q i e Q f, diâmetro (d 0 ), e declividades (I 0 ), determinar as lâminas líquidas (y/d 0 ) inicial e final, as velocidades (v i e v f ) inicial e final, a tensão trativa (σ) para as condições iniciais (R H,i ) e a velocidade crítica (v C ) para o final de plano (utilizando R H,f ), com n=0,013

25 PROCEDIMENTO PARA VERIFICAÇÃO FINAL Calcula-se a vazão e a velocidade à seção plena: Q p = 23,976. do 8/3. Io 1/2 v p = 30,527. do 2/3. Io 1/2 d 0 = diâmetro m ; I 0 = declividade (m/m); v p = velocidade à seção plena (m/s); Q p = vazão à seção plena (m³/s)

26 PROCEDIMENTO PARA VERIFICAÇÃO FINAL Calcula-se a razão Q i relações: y d0, R H d0, v v p Qp valores tabelados para as seguintes Calcula-se então a velocidade inicial, a tensão trativa e a lâmina (y/do) para condições iniciais Repete-se o mesmo procedimento para as condições de final de plano.

27 EXERCÍCIO DIMENSIONAMENTO DE REDE COLETORA DE ESGOTO 27

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