22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina II-283- CONTRIBUIÇÃO DE ÁGUAS PLUVIAIS EM SISTEMAS DE ESGOTOS SANITÁRIOS. ESTUDO DE CASO DA CIDADE DE FRANCA, ESTADO DE SÃO PAULO Milton Tomoyuki Tsutiya(1) Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP (1975). Mestre em Engenharia pela Escola Politécnica da USP (1983). Doutor em Engenharia pela Escola Politécnica da USP (1989). Professor do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP. Gerente da Superintendência de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico da SABESP. Rui Cesar Rodrigues Bueno Químico Industrial, formado pela Escola Superior de Química Osvaldo Cruz (1989) São Paulo. Especialização em Saúde Pública pela FMRP USP (1992) Ribeirão Preto. Mestre em Saúde Pública pela Faculdade de Saúde Pública da USP (2000) São Paulo, Gerente do Setor de Tratamento de Esgotos de Franca, IGFF-7. Emerson de Melo Cintra Químico Industrial pela UNIFRAN, Universidade de Franca, Graduando em Engenharia Civil - UNIFRAN, Técnico de Sistema de Saneamento no Setor de Tratamento de Esgotos de Franca IGFF-7. Luciano Reami Tecnólogo em Saneamento pela UNICAMP, graduando em Engenharia civil pela UNIFRAN, Universidade de Franca, Tecnólogo do Setor de Tratamento de Esgoto de Franca IGFF-7
Endereço(1): Rua Palestina 531, Apto 74 Vila Mascote São Paulo SP - CEP: 04367-030 - Brasil - Tel: (11) 33888265 - Fax: (11) 38157715 - e-mail: mtsutiya@sabesp.com.br RESUMO As águas pluviais não deveriam chegar aos coletores de esgoto de sistemas separadores absolutos, mas na realidade sempre chegam, não somente devido a defeitos das instalações e também devido às ligações clandestinas. Tem sido observado na grande maioria dos sistemas de esgotos que parcela significativa de águas pluviais afluem ao sistema, de modo que, na prática, os nossos sistemas funcionam como separador parcial. A pesquisa realizada no sistema de esgoto sanitário da cidade de Franca, demonstrou que quantidades significativas de águas indevidas são introduzidas nos coletores e nas ETEs devido a ocorrência de chuvas. Este aumento de vazão pode comprometer o processo de tratamento provocando o arraste de sólidos, ou é extravasado e enviado aos corpos receptores, provocando problemas ambientais. Para o ano de 2002 foi obtida uma taxa de contribuição de esgoto mais águas pluviais afluentes à ETE Franca de 2,60 a 2,72 L/s.km e exclusivamente para águas pluviais, descontando-se a vazão média de esgoto tratado de 2,13 a 2,26 L/s.km, confirmando-se a existência de considerável contribuição de águas pluviais ao sistema de esgotamento sanitário. PALAVRAS-CHAVE: Coletores de Esgoto, Águas Pluviais. INTRODUÇÃO Em nosso país tem sido utilizado o sistema separador absoluto para o dimensionamento dos sistemas de esgotos sanitários. Nesse tipo de sistema, as águas residuárias e as águas de infiltração, que constituem o esgoto sanitário, veiculam em um sistema independente das águas pluviais. Entretanto, tem sido observado, na grande maioria dos sistemas de esgotos, que uma parcela significativa de águas de chuva afluem ao sistema, de modo que, na prática, os nossos sistemas funcionam como separador parcial. Há mais de 20 anos atrás, Azevedo Netto (1979) escreveu "a rigor as águas pluviais não deveriam chegar aos coletores de sistemas separadores absolutos, mas na realidade sempre chegam, não somente devido a defeitos das instalações e também devido às ligações clandestinas, à falta de fiscalização e à negligência". Nessa época, foram feitas avaliações em São Paulo, na ETE Jesus Netto e em bairros dos Jardins onde foram obtidos resultados de acréscimo de vazão da ordem de 30% em relação ao tempo seco. Também, foram feitas medições no antigo emissário da vila Leopoldina, em São Paulo, que resultaram em um aumento de vazão de 200% em períodos chuvosos. No Rio de Janeiro foram realizadas medições no coletor da bacia da Rainha Elizabeth, encontrando o valor de 6 L/s.km, de modo que esse valor foi incluído na norma da ABNT NBR 568/1989 - Projeto de Interceptores de Esgoto Sanitário.
Para o sistema de esgoto sanitário da cidade de Franca, em dias de chuva a ETE Franca recebe um volume maior de esgotos, em função da introdução de águas pluviais na rede de coleta, através de ligações clandestinas e de infiltração. Embora a SABESP adote a realização de inspeção anterior à autorização da ligação definitiva de esgotos, o que se percebe é que alguns clientes acabam executando algum tipo de ligação indevida. Mesmo em bairros recentes e servidos por estações elevatórias de esgoto, o aumento da vazão/volume em épocas de chuva é evidente, como também, o aumento significativo da presença de sólidos, principalmente de areia, características de moradias novas ou em construção e ruas sem pavimentação. A partir do ano de 2002 a ETE Franca passou a monitorar o aumento de vazão devido a ocorrências de chuvas, e este aumento chegou a atingir em seu pico 813 % de aumento de vazão em relação à vazão média afluente. Vale ressaltar que, existe na entrada da estação um extravasor de segurança, que tem a finalidade de evitar o transbordamento de suas instalações, principalmente de seu tratamento preliminar, compreendido pelo gradeamento e caixa de areia. OBJETIVO Os principais objetivos desta pesquisa são: Determinação das taxas de contribuição de esgotos e águas pluviais no sistema de esgoto sanitário; Definição do índice de contribuição horária de chuva (ICHch); Cálculo dos coeficientes de variação de vazão K1, K2 e K3, considerando as contribuições de águas pluviais; Levantamento da curva de vazão horária para o sistema de esgoto sanitário da cidade de Franca. Esta pesquisa demonstra que os sistemas de esgotos sanitários no Brasil não funcionam como separador absoluto, como proposto pelas normas brasileiras. Embora esses dados referem-se somente ao sistema de esgoto da cidade Franca, os mesmos indicam a necessidade de uma discussão mais ampla sobre esse assunto pela comunidade técnica, principalmente porque a contribuição de águas pluviais não é prevista no dimensionamento dos componentes do sistema de esgotos, trazendo dificuldades principalmente na operação de estações elevatórias e estações de tratamento de esgotos. SISTEMA DE ESGOTO SANITÁRIO DA CIDADE DE FRANCA
A cidade de Franca está localizada a 400 km de São Paulo, e segundo o censo do ano de 2000 possui uma população urbana de 282.203 habitantes. A cidade tem 100 % da população abastecida, 98 % de coleta de esgotos e 100 % de tratamento do esgoto coletado. Os números de ligações e economias para a cidade de Franca referentes ao ano 2002, são apresentadas a seguir: Número de ligações de água/esgoto: 92.674; Número de economias: 87.164. A vazão média afluente a ETE é de 327,4 L/s (média ano 2002), representando cerca de 80% do esgoto produzido na cidade de Franca que é encaminhado para tratamento nesta unidade, equivalente a aproximadamente 225.762 habitantes. A extensão do sistema de coleta e transporte de esgoto (rede, interceptores e emissários) é de 700,7 km. No período de janeiro a outubro de 2002, a ETE Franca deixou de tratar aproximadamente 30.879 m3 devido à ocorrência de chuvas, este dado refere-se a diferença entre a vazão afluente geral (Q1) e a afluente aos tanques de aeração (Q2) realizada através de medição de vazão diária e monitorada por sistema supervisório, conforme pode ser visto na Figura 1. Entre os meses de novembro e dezembro o total extravasado foi de 88.083,60 m3. Para o controle do esgoto extravasado, foram definidas a vazão máxima encaminhada para os decantadores primários que é de 1400 L/s (que refere-se a vazão média de projeto acrescentando-se os valores de K1 e K2, 1,2 e 1,5 respectivamente), através de conjuntos moto-bomba instalados na elevatória de esgoto bruto (localizada após o tratamento preliminar), e para os tanques de aeração de 900 L/s (valor limite em função da operação de 2 tanques de aeração), conforme pode ser observado na Figura 1. Nessas condições, quando ocorreu o extravasamento, a vazão afluente ultrapassou o valor de 1400 L/s em um determinado período de tempo. Figura 1 - Fluxograma parcial da ETE Franca, com extravasor e by-pass. METODOLOGIA A metodologia empregada consiste em levantar ao longo de um determinado período de tempo, o índice pluviométrico da cidade de Franca, através de uma estação de pluviometria localizada nas proximidades da ETA Franca, localizada a cerca de 8 km das instalações da ETE, levantar os dados de vazão e de operação da ETE Franca, no período de ocorrência de chuvas. Comparar estes resultados, de forma a determinar um índice ou um quadro que evidencie a quantidade de águas pluviais introduzida no sistema de coleta e transporte de esgoto, e encaminhadas até a ETE.
Para determinação da taxa de contribuição de águas pluviais, foram necessários levantar a área de contribuição a ETE e a extensão dos coletores de esgoto. Foram obtidos junto aos relatórios operacionais da ETE o volume afluente e o volume realmente tratado. RESULTADOS OBTIDOS Volume e taxas de contribuição obtidos com os dados medidos na ETE A ETE Franca passou a controlar e medir os seus extravasamentos a partir do ano de 2002, contando desta forma com um material bastante detalhado sobre estas ocorrências. Como pode ser observado na Tabela 1, o aumento médio de vazão nesse período devido a ocorrência de chuvas foi de 311,5 %, embora a vazão média atual (meses de janeiro a outubro de 2002), seja de aproximadamente 326 L/s (327,4 L/s para ano de 2002), vazões entre 1103 a 1802 L/s foram detectadas. O total de esgoto extravasado para as ocorrências do ano de 2002 totalizaram até o mês de outubro 30.879 m3, que equivale a 137 L/hab. para o período avaliado inicialmente (janeiro à outubro 2002), em relação a vazão realmente medida. O volume máximo extravasado detectado em um único dia, este foi de 4320 m3 (em um período de 144 minutos, registrado no dia 13/01/2002), ou seja, 19,1 L/hab. Cabe ressaltar que, este incremento de vazão recebido pela ETE corresponde a uma parcela da contribuição de águas pluviais, sendo que outra parcela é extravasado nas próprias elevatórias de esgoto já que aproximadamente 26% do esgoto coletado é bombeado através destas instalações. Tabela 1 - Demonstrativo do percentual de aumento da vazão em horários de chuva para os meses de janeiro a outubro de 2002, no sistema de esgoto de Franca Data Horário Tempo Extravasamento. (min) Vazão Antes da Chuva (L/s) Vazão com Chuva (L/s) Aumento da
Vazão (%) 12/01/2002 20:00 40 378 1545 308,7 13/01/2002 22:00 144 555 1620 191,9 16/02/2002 21:00 55 440 1103 150,7 18/02/2002 14:00 71 526 1538
192,4 21/02/2002 02:00 80 281 1600 469,4 22/02/2002 18:00 112 502 1350 168,9 23/02/2002 07:00 26 290 1572 442,1 23/02/2002 13:00 65 596
1500 151,7 08/03/2002 14:00 40 524 1850 253,1 13/03/2002 15:00 70 441 1280 190,2 24/03/2002 17:00 71 353 1775 402,8 26/03/2002 14:00 100 475
1430 201,0 28/03/2002 04:00 72 210 1918 813,3 07/04/2002 21:00 60 343 1802 425,3 Média do Percentual de Aumento da Vazão 311,5 Fonte: Controle operacional da ETE Franca. A extensão das tubulações de coleta e transporte de esgoto, correspondente ao sistema ETE Franca é de 700,7 km, e o valor máximo em termos de volume extravasado através do bypass localizado na ETE foi de 4320 m3 (detectado em 2002, correspondente a 144 minutos de extravasamento para o dia 13/01/2002), correspondendo a uma vazão de 500 L/s, o que indica uma taxa de contribuição de águas pluviais de 0,713 L/s.km. Cabe ressaltar que esta taxa está relacionada ao volume extravasado na ETE, e não a aquele em que a ETE incorporou em seu tratamento, pois este valor ultrapassou a vazão de 1400 L/s. Para este pico de vazão apresentado, a vazão anterior ao período de chuvas era de 555 L/s, portanto, considerando esta como vazão constante, o aumento real de vazão ocorrido foi de 191,9% (Tabela 1).
Para os meses de novembro e dezembro de 2002 (período úmido), foram registrados 43 extravasamentos na ETE Franca, em 14 diferentes dias. O volume total extravasado foi de 88.083,60 m3, a vazão máxima registrada foi de 1800 L/s. Este valor refere-se ao limite registrado pelo medidor de vazão instalado na estação. Os volumes extravasados correspondem a 3,0 e 6,3 % do volume total tratado nos meses de novembro e dezembro de 2002. Para o ano de 2002 foi obtida uma taxa de contribuição de esgoto e águas pluviais afluentes à ETE de 2,60 a 2,72 L/s.km e exclusivamente para águas pluviais (descontando-se a vazão média de esgoto tratado), de 2,13 a 2,26 L/s.km, conforme pode ser observado na Tabela 2. Para o cálculo da taxa de contribuição considerou-se a extensão da rede coletora de 700,7 km. Tabela 2 - Tempo e volume extravasado, taxas de contribuição de esgoto e águas pluviais para o sistema de esgoto da cidade de Franca, em 2002 Mês Referência Tempo extravasamento (min.) Volume Extravasado (estimado) (m3) Volume Tratado período (*) (m3) Taxa Contribuição Esgoto + Águas Pluviais (L/s. km) Taxa Contribuição Águas Pluviais Exceto Esgoto(**) (L/s. km) Jan à Outubro 1006
30.879 84.504 2,72 2,26 Novembro 512 12.991 43.008 2,60 2,13 Dezembro 1045 29.321 87.780 2,66 2,20 (*) Considerando que 1400 L/s é a vazão máxima bombeada através de EEE localizada após o tratamento preliminar (vazão média de projeto mais K1 e K2). (**) Vazão medida afluente à ETE descontada a vazão média de esgoto para o ano de 2002, que foi de 327,4 L/s. Taxa de contribuição de esgoto Para o ano de 2002 o volume total de esgoto tratado na ETE Franca foi de 10.349.884,0 m3, o que representa uma contribuição per capita de 45,84 m3/hab.ano ou 126 L/hab.dia ou 0,47 L/s.
Considerando-se que o volume produzido na cidade de Franca, no ano de 2002 foi de 22.454.092 m3 e levando-se em conta que 80% é a população contribuinte para a bacia da ETE Franca, resulta no volume produzido e direcionado para a bacia de 17.963.274 m3, representando um volume bruto de contribuição per capita de 218 L/hab.dia. Aplicando-se a este valor um coeficiente de retorno de 0,8 e descontando-se o índice de perdas médio para o ano de 2002 de 28,5% tem-se 124,6 L/hab.dia, coerente com os valores apresentados acima. Acréscimo de vazão em relação ao tempo seco Comparando-se a vazão média obtida nos meses do período seco (maio, junho, julho, agosto e setembro), com os meses do período úmido (janeiro, fevereiro, novembro e dezembro), o aumento da vazão para o ano de 2002 foi de 26,76 %, muito próximo do valor encontrado por Azevedo Netto (1979). Os índices descritos na Tabela 3 foram definidos como "Índice de Contribuição Horária de chuva ICHch", e decorre da seguinte da relação: ICHch = Vazão média de esgoto afluente com contribuição de chuva no horário, durante o mês Vazão média de esgoto afluente sem contribuição de chuva no horário, durante o mês Este índice indica o aumento da vazão de esgoto durante a ocorrência de chuva, em relação a vazão média, sem a ocorrência de chuvas. Para determinação destes índices foram utilizados as vazões afluentes a ETE Franca dos meses de janeiro, fevereiro, março, novembro e dezembro do ano de 2002, considerados como meses de maior incidência de chuvas. Tabela 3: Valores de "ICHch" ETE Franca (2002) Hora Janeiro Fevereiro Março Novembro Dezembro 01:00
1,9 1,5 1,5 1,7 1,6 02:00 1,7 1,3 2,7 1,3 03:00 1,7 3,2 04:00 4,9 4,1 2,3 4,6 05:00
3,0 3,1 5,0 6,6 06:00 1,9 3,1 2,4 7,1 07:00 9,9 1,8 1,5 12,8 08:00 5,4 2,2 1,3 5,6
09:00 2,0 2,0 4,4 10:00 1,4 1,5 3,2 11:00 1,2 1,2 2,9 12:00 1,3 1,1 1,2 1,7
13:00 1,1 1,2 1,6 14:00 1,2 1,1 2,3 15:00 1,8 2,2 1,6 16:00 2,3 1,6 1,8
2,1 17:00 1,7 1,7 1,2 2,6 18:00 1,6 2,5 1,6 19:00 2,0 2,2 2,9 1,3 20:00 1,8 1,3 1,7
1,5 21:00 1,7 1,8 1,6 22:00 2,4 2,5 2,0 23:00 3,4 1,9 1,6 1,8 00:00 3,9 1,9
1,4 2,3 Média 3,1 1,9 2,0 2,0 3,2 Pela análise da Tabela 3 obtém-se os seguintes valores do ICHch: Média anual: 2,4; Maior valor: 12,8 (corresponde a vazão de 1802 L/s para vazão média sem chuva de 141 L/s, às 7:00 h da manhã). Coeficientes de variação de vazão Os valores apresentados na Tabela 4 foram obtidos a partir dos relatórios mensais de operação da ETE Franca, sendo que os valores de K1, K2 e K3 estão relacionados aos incrementos de vazões devido a contribuição de água pluviais à ETE. A definição dos coeficientes de variação de vazão é apresentada a seguir: K1 - coeficiente de máxima vazão diária é a relação entre a maior vazão diária verificada no ano e a vazão média diária anual; K2 - coeficiente de máxima vazão horária é a relação entre a maior vazão observada num dia e a vazão média horária do mesmo dia; K3 - coeficiente de mínima vazão horária é a relação entre a vazão mínima e a vazão média anual. Tabela 4 - Vazões mínimas, média e máxima e coeficientes K1, K2 e K3 para o sistema de esgoto sanitário de Franca (*) Mês Média
Mínima (L/s) Média (L/S) Média Máxima (L/s) 01 158,45 361,30 701,48 02 209,61 411,21 767,18 03 172,55 382,07 749,14 04 139,03 341,24 523,07
05 104,55 313,28 491,90 06 89,31 292,64 469,34 07 84,45 279,33 490,48 08 85,21 285,63 450,72 09 78,38 278,96 487,38 10 78,52 296,42 474,69
11 98,21 312,00 655,86 12 136,97 374,71 842,48 Média anual 119,60 591,98 Mínima anual 68,00 Máxima anual 1802,00
Média horária dia de máxima vazão 483 K1 5,50 K2 3,73 K3 0,21 (*) Medição realizada na ETE Franca. Os valores para K1 e K2 distanciam-se dos valores obtidos em medições realizadas por Comparini (1991), em diversas comunidades de pequenos portes localizados no Interior do Estado de São Paulo, que obteve para K1-1,3; K2-2,0 e K3-0,1. A norma NBR 9649 da ABNT recomenda os valores para K1 de 1,2; K2 de 1,5 e K3 de 0,5. Observa-se que os valores obtidos por Comparini e as recomendadas pela norma da ABNT, não consideraram a contribuição de águas pluviais em sistemas de esgotos sanitários. As águas pluviais interferem diretamente nos coeficientes K1 e K2, sendo que estes valores somente foram possíveis de serem levantados a partir da instalação na ETE de equipamento de medição de vazão do tipo ultrassônico, que mede a vazão de forma contínua.
Curvas de variação horária de vazão de esgoto A curva característica de variação de vazão horária da cidade de Franca levantada junto a ETE Franca (Figura 2), aproxima-se de outras curvas obtidos por diversos autores em cidades do Interior do Estado de São Paulo. Nessa curva, observa-se que a vazão mínima se verifica em torno de 6h e a vazão máxima por volta das 14h. Na realidade a contribuição mínima e máxima de esgotos é antes desse horário, pois o local da medição foi na ETE que fica afastado do cidade e o esgoto demora um certo tempo para chegar ao ponto de medição. Figura 2 Curva de variação horária da cidade de Franca. Índice Pluviométrico x Curva de Vazão ou Volume tratado O perfil de vazão recebida pela ETE Franca coincide com a incidência de chuvas verificado na cidade de Franca com períodos bem definidos entre tempo úmido, entre os meses de janeiro a abril e setembro a dezembro, enquanto o período seco corresponde entre os meses de maio a agosto embora o mês de maio se caracterize como mês intermediário em termos de índice pluviométrico entre o tempo úmido e seco. A avaliação dos dados reforça os indicadores de aumento de contribuição de esgoto no período de chuvas, mostrando que o sistema de tratamento de esgotos instalado em Franca não é separador absoluto, assim como inúmeros outros sistemas distribuídos pelo Estado de São Paulo e no Brasil. Segundo levantamento feito pela área de Serviços Operacionais da SABESP na cidade de Franca entre os anos de 2001 e 2002, em 400 residências, foram encontradas 80 residências com ligações irregulares, representando 20 % de residências que encaminham águas pluviais ao sistema de coleta e tratamento de esgotos sanitários. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES As principais conclusões e recomendações desta pesquisa são apresentadas a seguir: Os dados desta pesquisa demonstram que os sistemas de esgotos sanitários não funcionam como previsto nas normas brasileiras, que estabelece o sistema separador absoluto. Na realidade, os sistemas operam como sistema separador parcial, pois quantidades significativas de águas indevidas são introduzidas nos coletores e nas ETEs, devido a
ocorrência de chuvas. Este aumento de vazão pode comprometer o processo de tratamento provocando o arraste de sólidos, ou é extravasado e enviado aos corpos receptores, provocando problemas ambientais; Para o ano de 2002 foi obtida uma taxa de contribuição de esgoto mais águas pluviais afluentes à ETE Franca de 2,60 a 2,72 L/s. km e exclusivamente para águas pluviais, descontando-se a vazão média de esgoto tratado de 2,13 a 2,26 L/s. km, confirmando-se a existência de considerável contribuição de águas pluviais ao sistema de esgotamento sanitário; O volume máximo em um único período de extravasamento medido pela ETE Franca durante o ano de 2002 (período de janeiro a outubro), foi de 4320 m3, o equivalente a 18,8 L/hab, ocorrido em um período de 144 minutos. Esta pesquisa propõe que este valor pode ser utilizado para o dimensionamento em futuros projetos de tanques de equalização ou recebimento de água de chuva em sistema separador parcial; O acréscimo de vazão no período úmido em relação ao tempo seco foi de 26,76 % e está coerente com a bibliografia consultada; Os coeficientes de variação de vazão foram: K1 5,50; K2 3,73 e K3 0,21, o que demonstra a existência de grandes variações na vazão e por sua vez do volume tratado na ETE, sendo muito superior aos valores recomendados pela norma NBR 9649 da ABNT; A ligação de esgoto, principalmente em residências, deve ser revista pela SABESP. Mesmo em bairros considerados como de ocupação recente, é perceptível que a introdução de águas de chuvas na rede coletora é substancial, e portanto, a sistemática de inspeção e liberação da ligação tem demonstrado ser incapaz de evitar a ligação considerada "clandestina" de água de chuva na rede de esgoto; Devem ser incentivados medições em outros sistemas de esgotos, para que se possa definir novos parâmetros decorrentes das contribuições de águas pluviais, de modo a subsidiar a comunidade técnica a discutir e rever o sistema atualmente utilizado, pois o mesmo não retrata a realidade nacional. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS COMPARINI, J.B Contribuição ao Estudo de Vazões de Esgotos Sanitários. Dissertação de Mestrado. Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP. São Paulo, 1991. DAEE Departamento de Águas e Energia Elétrica. Boletim de coleta de dados de posto de pluviometria instalado à Av Flavio Rocha, Franca, São Paulo. 2001 e 2002. SABESP Relatório de Extravasamentos Devido a Ocorrência de Chuvas. Setor de Tratamento de Esgotos de Franca. 2002.
SABESP Boletim Mensal de Operação. Setor de Tratamento de Esgotos de Franca. 2001 e 2002. TSUTIYA, M. T.; ALEM SOBRINHO, P Coleta e Transporte de Esgoto Sanitário. Escola Politécnica da USP. São Paulo, 2001.