UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL ENG 276 – TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS
Dimensionamento de uma Estação de Tratamento de Águas Residuárias e Lodo.
1º Etapa: Sistema de remoção de sólidos grosseiros (grade, calha Parshall e caixa de areia).
Professor: Luciano Matos Alunos: Ricardo Oliveira Silvio Pacheco
Salvador 2010
APRESENTAÇÃO Este trabalho foi realizado visando dimensionar uma Estação de Tratamento de Esgotos (ETE). Nesta primeira etapa do trabalho, será apresentado o primeiro processo de uma ETE que é a remoção de sólidos grosseiros. Assim, nesta etapa consta o dimensionamento de uma grade, uma calha Parshall e de uma caixa de areia representando o tratamento preliminar. INTRODUÇÃO A elaboração e o dimensionamento dos equipamentos de uma Estação de Tratamento de Esgoto (ETE), e os cuidados dados aos rejeitos sólidos (lodo) resultantes deste tratamento, são de extrema importância. A destinação adequada desses rejeitos além de auxiliar o controle de doenças, evita a contaminação do solo, dos mananciais de abastecimento de água, além de “propiciar a promoção de novos hábitos higiênicos na população e promover o conforto e atender ao senso estético” (Brasil, 2006). Segundo o IBGE pelo PNSB (2000) o serviço de esgotamento sanitário no ano de 1989 abrangia apenas 47.3% dos municípios brasileiros. Em 2000 esse índice era de 52,2%, mas mesmo havendo um ligeiro crescimento, percebese ainda a insuficiência de saneamento do país, já que em muitos municípios não são atendidos com tratamento ou até mesmo coleta de esgoto. Esta situação tende a ser revertida com os projetos do Programa de Aceleração do Cre Cresc scim imen ento to (PA (PAC), já que que muito uitoss muni municí cípi pio os estão stão rec eceb eben endo do financiamento para realizar o saneamento nos mesmo. OBJETIVO Dian Diante te das das dive divers rsas as difi dificu culda ldade dess que que poss possam am exis existi tir, r, o obje objeti tivo vo dess desse e trabalho, além de preparar os alunos da disciplina ENG- 276, Tratamento de Águas uas Res esid idu uár ária ias, s, min ministr istrad ado o pelo elo pro profess fessor or Lucia uciano no Mato atos, é de dimensionar os diversos equipamentos que podem fazer parte de uma ETE, conhecendo a importância de cada componente no sistema, bem como, de elab elabor orar ar proj projet etos os adeq adequa uado doss co com m a real realid idad ade e do muni municí cípi pios os busc buscan ando do projetos bons e baratos sem fugir da eficiência e do compromisso com a responsabilidade social. DIMESIONAMENTO De acordo com a tabela-01 que foi cedido aos alunos, foi requisitado o dimensionamento de uma grade, seguido de uma Calha Parshall e de uma caixa de areia que atendesse um período de 20 anos e foram dadas as vazões máximas, média e de infiltração (ver no anexo-B, a disposição dos equipamentos). Dessa forma, com o apoio da fórmula: Q mínima = Q infiltração + 0,5 Qmédia; foi possível achar a vazão inicial de fim de projeto que será fundamental para o dimensionamento do conjunto. Tabela 01 – Horizonte e vazões de projeto:
An
Q máxima
Q média
Q infiltração
o 201 0 202 0 203 0
(L/s)
(L/s)
(L/s)
21,5
14,0
1,0
38,6
24,7
1,7
59,3
37,4
2,7
Portanto, as vazões iniciais e finais para 2010, 2020 e 2030 estão na tabela02: Tabela 02 – Vazões máxima e mínima de projeto:
An o 201 0 202 0 203 0
Q máxima (L/s)
Q mínimo (L/s)
21,5
8
38,6
14,05
59,3
21,4
Com o objetivo de manter uma velocidade “constante”- regime laminar, para a vazão afluente variável, será utilizado uma calha Parshall precedido de um rebaixo. Para isso utilizaremos as vazões: Q máxima (L/s) = 59,3 e Q mínimo (L/s) = 8. Para dete Para determ rmin inar ar o reba rebaix ixo o Z, se será rá nece necess ssár ário io co cons nsid ider erar ar a velo veloci cida dade de constante e então:
Q mínimo (HAmin – Z)
=
Q máximo (HAmax – Z)
Devido aos pequenos valores de vazão, escolhemos como largura nominal da Calha Parshall1: Ln = 15 e W=15,2 cm. E conseqüentemente para achar HA utilizamos a equação2: Q = 0,381 H1,58. Tabela 03 – Vazão e H A.
Q (L/s) 8
HA (m) 0,086
21,5
0,162
Esses valores foram obtidos na tabela 8.5 do livro Coleta e Transporte de Esgoto Sanitário (TSUTIYA E SOBRINHO, 1999).
1
Essa fórmula foi obtida na tabela 8.6 do livro Coleta e Transporte de Esgoto Sanitário (TSUTIYA E SOBRINHO, 1999).
2
38,6 59,3
0,234 0,308
Então, calculando Z: 0,008 0,086 – Z
=
0,059
0,308 – Z
0,008 (0,308 – Z) = 0,059 0,059 (0,086 – Z), então: Z = 0,0509 m = 5 cm. Portanto, as lâminas de água na Calha Parshall serão, Y = HA - Z:
Tabela 04 – Vazão e Y J.
Q (L/s)
YJ (m)
8
0,036
21,5 38,6 59,3
0,112 0,194 0,258
Para o dimensionamento da grade, será construída uma grade média com abertura de 25mm, inclinada com um ângulo de 45 graus com a horizontal, a espessura das das barras de 9,5mm e de limpeza manual. Contudo, a grade deverá atender aos seguintes requisitos: ♦
Velocidade através da grade: VG ≤ 1,2 m/s;
♦
Velocidade no canal a montante da grade: VM≥0,4 m/s;
♦
Perda de carga ΔH G ≥ 0,15 m.
Vale lembrar que Y (m) é altura da lâmina da água de entrada na calha Parshall, conseqüentemente é a lâmina d`água a jusante da grade Y J. Para uma velocidade através da grade limpa de V≈ 0,8 m/s, desconsiderando a perda de carga na grade, a altura útil aproximada da grade será:
BU = 0,0593 / (0,258 * 0,8) = 0,287 ≈ 0.3 m. Número de espaços da grade:
NE = 0,287 / 0,025 = 11,49 ≈ 11 espaços. Número de barras = 12. Largura do canal da grade:
B = 11 * 0,025 + 12 * 0,0095 = 0,399 ≈ 0,40 m.
Então, a largura útil da grade ( BU) = 11 * 0,025 = 0,275 ≈ 0,28m. Calculo da velocidade no canal a jusante da grade; Tabela 05 – Vazão e V J. Q (l/s) 8
VJ (m/s) 0,56
21,5 38,6 59,3
0,48 0,50 0,57
Na tabela abaixo consta dos valores para a grade limpa, com Q = 59,3 l/s, a ver verific ificaç ação ão par para a vazão azão máxim áxima a co com m 50% 50% da grad grade e obstr bstruí uíd da e a verificação para as demais vazões; Para tais cálculos, foram necessários as formulas:
Y M + (V2M / 2g) = Y J + (V2 J / 2g) + ΔHG ΔHG = ((V2M - V2G)/2g)*(1/0,7). Tabela 06 – Valores de montante e de jusante da grade.
50% 50% 50% 50%
Q (l/s) 8 8
21,5 21,5 38,6 38,6 59,3 59,3
Ym (m) 0,046 0,075
Vm (m/s) 0,435 0,267
V²m (m²/s²) 0,189 0,071
Vj (m/s) 0,56 0,56
V²j (m²/s²) 0,31 0,31
2g (m/s²) 19,62 19,62
Vg (m/s) 0, 0,621 0, 0 ,381
Yj (m) 0,036 0,036
ΔHg (m) 0,014 0,005
0,128
0,420
0,176
0,112
0,48
0,23
19,62
0,600
0,013
0,171
0,314
0,099
0,112
0,48
0,23
19,62
0,449
0,007
0,203
0,475
0,226
0,194
0,50
0,25
19,62
0,679
0,017
0,256
0,377
0,142
0,194
0,50
0,25
19,62
0,539
0,011
0,282
0,526
0,276
0,258
0,57
0,330
19,62
0,751
0,021
0,350
0,424
0,179
0,258
0,57
0,3249
19,62
0,605
0,014
Segundo a NB-569/1989 recomenda que a V G seja menor igual a 1,2 m/s, como todos os valores foram abaixo desse limite, não havendo empecilho para o bom funcionamento do conjunto. Determinando YM para ΔHG = 0,15m, para N.A. crítico de montante de grade: YM + (0,00112/Y²M) = 0,275 + 0,15
Y M,max M,max = 0,41 m. DIMENSIONAMENTO DA CAIXA DE AREIA Objetivando a remoção de partículas sólidas através da sedimentação sem que haja a remoção conjunta de sólidos orgânicos, promoveremos promoveremos a remoção de “areias”, cujas características são:
♦
Diâmetro efetivo: 0,2 à 0,4 mm;
♦
Massa Específica: 2650 Kg/m³;
♦
Velocidade de sedimentação: 2,0 cm/s.
Como a velocidade é controlada pela Calha Parshall, assim a velocidade de entrada na caixa de areia será a velocidade de jusante da grade (Tabela 06). Deve-se lembrar que; ♦
Velocidade (Vh) = 0,30 m/s;
♦
Vel. Inferior à 0,15 m/s haverá deposito de matéria orgânica;
♦
Vel. Superior a 0,4 m/s arraste de sólidos da caixa de areia.
Assim, Q = Vh x B x H ; 0,0593 = 0,57 x B x H, com H = 0,30; assim: B = 0,40 m. Como a velocidade é acima dos 0,30 m/s, consideramos Vh = 0,30 m/s, o que corresponderá; 0,0593 = 0,30 x B x H, mantendo H = 0,258m, teremos B= 0,76m. Daí, obteremos L=22,5 x H;
L = 22,5 x 0,258 = 5,80m. Verificando a Taxa de escoamento superficial: q = Q / (B x L);
q= (0,0593 x 86400) / (0,76 x 5,8) = 1162 m³/m²/dia. Verificando para as outras vazões: Tabela 06 – Verificação de taxa de escoamento. Q (m³/s) (m³/s) 0,0593 0,0386 0,0215 0,008
Vh (m/s) (m/s) 0,3 0, 0,3 0, 0,3 0,3
q (m³/m²/dia) 1162 756 421 157
Verificamos que até a metade do plano a taxa de escoamento superficial estaria abaixo do desejado e devido a necessidade de se trabalhar com duas caixas de areia em paralelo (devido a manutenção a ser sempre feita), não poderíamos dividir o B em 2 pois ficaria 33 cm de base o que impossibilitaria a entrada de uma pá. Sendo assim, adotaremos B = 90cm. Daí, o comprimento de cada vão da caixa de areia seria de 45 cm, e mantendo a velocidade de 30m/s, teremos: Q (m³/s) 0,0593
B` (m) 0,9
L` (m) 6,0
q (m³/m²/dia) 948,48
0,0386 0,0215 0,008
0,9 0,9 0,9
6,0 6,0 6,0
617,60 344,00 128,00
É importante informar que a altura passou para H=0,26m. Entretanto, a taxa de escoamento da vazão inicial e do fim a primeira década foi insuficiente, daí concluímos que até o final da primeira década as caixas de areia irão trabalhar de forma alternada. Cheg Chegam amos os a es essa sa co conc nclu lusã são, o, pois pois co com m um B`= B`= de 45 cm, cm, a taxa taxa de escoamento (q) para a vazão de Q= 21,5 (l/s) será de 688 m³/m²/dia sendo necessário de um L=6,0m, já para a vazão inicial Q= 8 (l/s) para uma taxa de escoamento de 600 m³/m²/dia o comprimento necessário é de 2,6m, como a caixa tem uma dimensão de 6 metros sendo mais que suficiente. Calculando o rebaixo da caixa de areia para uma taxa de 30l/1000m³ e para vazão média final de plano , Q=59,3 (l/s), terá o seguinte volume diário de areia retirada na caixa: V = 0,03 l/m³ x 59,3 l/s x 86,4 = 153,71 l. A altura diária de areia acumulada na caixa é de : h= (0,153) / (6,0 x 0,90) = 0,028m. Para tal rebaixo será necessário um intervalo de limpeza de 9 dias. CONCLUSÃO As estações de tratamento de esgoto são fundamentais para o homem e para o meio ambiente, ambiente, principalm principalmente ente o meio urbano, pois é imprescind imprescindível ível o tratamento dos efluentes gerados pelas diversas atividades realizadas pelo o home homem. m. Daí, Daí, a impo import rtân ânci cia a do dime dimens nsio iona name ment nto o da grad grade, e, da ca calh lha a Pars Pa rsha hall ll e da ca caix ixa a de arei areia, a, pois pois es este tess equi equipa pame ment ntos os sã são o os prim primei eiro ro equipamentos de uma estação de tratamento de esgoto, onde cada um tem a sua função. A grade tem o objetivo de proteger os demais equipamentos da estação, como as bombas de recalque e outros, a calha Parshal serve para regularizar o regime do afluente e as caixas desarenadoras (caixa de areia) de absorver os sólidos grossos. O proj projet eto o apre aprese sent ntou ou uma uma co cons nsid ider eráv ável el vari variaç ação ão de vazã vazão o ao long longo o do projeto, sendo assim, até a primeira década será necessário a utilização de somente uma caixa de areia e depois o uso normal com dois vãos da caixa de areia. REFERÊNCIAS Brasil. Manual de Saneamento. Brasília, Fundação Nacional da Saúde – FUNASA, 2006. IBGE. Pesquisa nacional de saneamento básico – 2000. Rio de Janeiro, Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), 2000. TSUTIYA, Milton Tomoyuki; SOBRINHO, Pedro Alem. Coleta e transporte de esgoto sanitário. São Paulo, Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 1999.
ANEXO A - RESUMO DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DA GRADE MANUAL
Vazão de operação
A=25mm, B= 0,40m.
59,3 (l/s) (grade limpa)
Vg = 0,751 m/s, ΔHg = 0,021m, Y M = 0,282m, Vm = 0,526 m/s, Y M,max M,max = 0,41 m.
(grade obstruída)
Vg =
38,6 (l/s) (grade
Vg =0,679 m/s, ΔHg =0,017 m, Y M =0,203 m, Vm =0,475 =0,475 m/s.
0,605 m/s,
=0,424 m/s. ΔHg =0,014 m, Y M =0,350 m, Vm =0,424
limpa) (grade obstruída)
Vg =0,539 m/s, ΔHg = 0,011m, Y M = 0,256m, Vm = 0,377m/s.
21,5 (l/s) (grade
=0,420 m/s. Vg =0,600 m/s, ΔHg =0,013 m, Y M = 0,128m, Vm =0,420
limpa) (grade obstruída) 8
(l/s) (grade limpa)
(grade obstruída)
Vg = 0,449m/s, ΔHg =0,007 m, Y M = 0,171m, Vm = 0,314m/s. Vg =
0,621 m/s,
=0,435 m/s. ΔHg =0,014 m, Y M = 0,046m, Vm =0,435
Vg = 0,381 m/s, ΔHg =
0,005m, Y M
ANEXO B
= 0,075m, Vm =0,267 =0,267 m/s.
Perfil da grade. a e
B
Condições hidráulicas a montante e a jusante da grade. N. A. N. A.
Grade
Vm
N. A.
Vg
Vj
Ym
Yj
Etapas do tratamento pré- eliminar. Cx. de passage m
Grade
Calha Parshall
Planta baixa da caixa de areia.
Cx. de areia
