AGUA E SANEAMENTO

AGUA E SANEAMENTO

(Parte 1 de 8)

Abastecimento de Água

Carlos Fernandes de Medeiros Filho

Universidade Federal de Campina Grande – UFCG Campina Grande – PB

Professor Carlos Fernandes de Medeiros Filho - UFCG

CAPÍTULO I – A ÁGUA NA NATUREZA1
I.1. GENERALIDADES1
I.1.1. Quantificação1
I.1.2. O ciclo hidrológico1
I.2. PRINCIPAIS PROPRIEDADES DA ÁGUA3
I.2.1. Composição química3
I.2.2. Massa específica4
I.2.3. Densidade relativa4
I.2.4. Peso específico4
I.2.5. Viscosidade dinâmica4
I.2.6. Viscosidade cinemática5
I.2.7. Coesão, adesão e tensão superficial5
I.2.8. Compressibilidade6
I.2.9. Pressão de vapor6
I.2. IMPUREZAS DAS ÁGUAS NATURAIS7
I.3. CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DA ÁGUA NATURAIS7
I.3.1. Principais características7
I.3.2. pH8
I.3.3. Dureza8
I.3.4. Acidez10
I.3.5. Alcalinidade10
I.3.6. Sólidos10
1.3.7. Cloretos1
I.3.8. Condutividade elétrica1
I.3.9. Elementos e compostos químicos especiais1
I.3.10. Gases dissolvidos mais comuns13
I.4. Qualidade natural13
1.4.1. Potabilidade13
I.4.2. Padrões de potabilidade14
1.4.3. Portaria Ministerial14
I.4.4. Teor da Portaria do Ministério da Saúde15
I.4.5. Componentes15
CAPÍTULO I - OBJETIVOS17

I I.1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 17

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I.2. ABASTECIMENTO RUDIMENTAR17
I.3. ABASTECIMENTO URBANO DE ÁGUA17
I.3.1. Fornecimento de água17
I.3.2. Objetivos do abastecimento17
I.3.3. Doenças relacionadas com a água18
I.3.4. Ganhos econômicos19
I.3.5. Usos da água19
I.3.6. Fatores que influem no consumo19
I.3.7. Abastecimento convencional20
I.3.8. Consumo de água20
I.3.9. População de projeto21
CAPÍTULO I - REVISÃO DE HIDRÁULICA28
I.1. CLASSIFICAÇÃO DOS MOVIMENTOS28
I.2. EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE28
I.3. EQUAÇÃO DA ENERGIA28
I. 4. PERDA DE CARGA - HF30
I. 4.1. Expressão Geral para Seção Circular30
I. 4.2. Expressão de Darcy (1850)31
I.4.3. Expressões Empíricas34
CAPÍTULO IV - CAPTAÇÃO36
IV.1. FONTES DE ÁGUA PARA ABASTECIMENTO36
IV.2. TIPOS DE MANANCIAIS36
IV.3. ÁGUAS SUPERFICIAIS36
IV.3.1. Condições para captação37
IV.3.2. Exemplos de captação (com figuras auto-explicativas)39
IV.4. ÁGUAS SUBTERRÂNEAS45
IV.4.1. Mananciais45
IV.4.2. Captações em lençol freático45
IV.4.2. Captações em lençol cativo48
CAPÍTULO V - ADUÇÃO49
V.1. DEFINIÇÃO49
V.2. CLASSIFICAÇÃO49

I V.3. VAZÃO DE DIMENSIONAMENTO ............................................................................ 49

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50
V.5. DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO PARA ESCOAMENTO FORÇADO50
V.6. EXEMPLOS51
V.7. MATERIAIS E PEÇAS ESPECIAIS DAS CANALIZAÇÕES53
V.7. 1. Categorias53
V.7. 2. Tubulações53
V.7. 3. Conexões5
V.7. 3. Peças especiais5
V.8. EXERCÍCIOS56
CAPÍTULO VI - BOMBAS CENTRÍFUGAS58
VI.1. MÁQUINAS HIDRÁULICAS58
VI. 1.1. Definição58
VI.1.2. Classificação58
VI.2. BOMBAS58
VI.2.1. Definição58
VI.2.2. Classificação58
VI.2.3. Bombas Centrífugas59
VI. 2.4. Cavitação74
VI.3. OPERACIONALIDADE DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS78
VI.3.1. Ocorrências78
VI.3.2. Procedimentos de manutenção preventiva79
VI.4. INFORMAÇÕES COMPLEMENTARES79
VI.4.1. Número de conjuntos79
VI. 4.2. Seleção79
VI. 4.3. Manual de instruções79
VI. 4.4. Casa de bombas80
VI. 4.5. Acessórios e dispositivos complementares80
CAPÍTULO VII - CARACTERÍSTICAS DO ENCANAMENTO DE ÁGUA81
VII.1. CURVAS CARACTERÍSTICAS DO ENCANAMENTO81
VII.1.1. Definição81
VII.1.2. Associação de tubulações81
VII.1.2.1. Associações em série81

V.4. DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO PARA ESCOAMENTO LIVRE (líquido escoando com superfície livre a pressão atmosférica local - canais a céu aberto, galerias, etc) VII.2. PONTO DE TRABALHO DAS BOMBAS ................................................................. 84

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VII.3. NOÇÕES SOBRE MOTORES85
VII.3.1. Motores85
VII.3.2. Motores elétricos86
VII.3.3. Classificação motores de corrente contínua86
VII.3.4. Motores elétricos de corrente alternada86
VII.3.5. Freqüência8
VII.3.6. Potência a instalar8
VII.4. RECOMENDAÇÕES PARA PROJETOS DE ELEVATÓRIAS90
VII.4.1. Número de conjuntos90
VII.4.2. Seleção90
VII.4.3. Manual de instruções90
VII.4.4. Casa de bombas90
VII.4.5. Acessórios e dispositivos complementares90
CAPÍTULO VIII - NOÇÕES SOBRE TRATAMENTO DE ÁGUA92
VIII.1. INTRODUÇÃO92
VIII.2. PROCESSOS DE TRATAMENTO FÍSICO-QUÍMICOS E DE DESINFECÇÃO92
VIII.3. ESQUEMA DE UMA ETA CONVENCIONAL93
VIII.4. TRATAMENTOS PRELIMINARES95
VIII.4.1. Grades e crivos (TRECHO EM REDAÇÃO)95
VIII.4.2. Aeração95
VIII.4.3. Sedimentação simples97
VIII.5. SEDIMENTAÇÃO COM COAGULAÇÃO QUÍMICA98
VIII.5.1. Mistura rápida ou Coagulação98
VIII.5.2. Mistura lenta ou Floculação101
VIII.5.3. Decantação103
VIII.7. FILTRAÇÃO106
VIII.7.1. Filtração lenta106
VIII.7.2. Filtração rápida108
VIII.8. DESINFECÇÃO113
VIII.8.1. Cloração113
VIII.9. O CLORO116
VIII.9.1. História117
VIII.9.2. O Cloro e seus compostos117

V VIII.10. TRATAMENTOS ESPECIAIS .............................................................................. 117

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VIII.10.1. Fervura117
VIII.10.2. Correção da dureza117
VIII.10.3. Remoção de ferro118
VIII.10.4. Correção de acidez excessiva118
VIII.10.5. Remoção de odor e sabor desagradáveis119
VIII.10.6. Fluoretação das águas119
VIII.10.7. Dessalinização de água120
VIII.1. TRATAMENTOS PARA OUTROS FINS120
VIII.1.1. Águas de refrigeração120
VIII.1.2. Águas de produção de vapor120
VIII.1.3. Águas de processo121
CAPÍTULO IX - RESERVATÓRIOS DE ÁGUA122
IX.1. DEFINIÇÃO E FINALIDADES122
IX.2. CLASSIFICAÇÃO122
IX.3. VOLUME A ARMAZENAR124
IX.3.1. Reservas124
IX.3.2. Reserva de equilíbrio124
IX.3.3. Reserva antiincêndio127
IX.3.4. Reserva de emergência128
IX.4. FORMAS MAIS ECONÔMICAS128
IX.5. COMPONENTES CONSTRUTIVOS128
IX.5.1. Dimensões128
IX.5.2. Estruturas de apoio128
IX.5.3. Estruturas de elevação129
IX.5.4. Cobertura129
IX.6. PRECAUÇÕES ESPECIAIS129
CAPÍTULO X - REDES DE DISTRIBUIÇÃO130
X.1. DEFINIÇÕES130
X.2. ÁREA ESPECÍFICA130
X.3. ZONAS DE PRESSÃO130
X.4. CLASSIFICAÇÃO130
X.5. TRAÇADOS DOS CONDUTOS131
X.6. CONDIÇÕES PARA DIMENSIONAMENTO131

VI X.7. LOCALIZAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DOS ÓRGÃOS ACESSÓRIOS ........... 132

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X.8. SECIONAMENTO FICTÍCIO133
X.8.1. Aplicação133
X.8.2. Metodologia133
X.8.3. Seqüência de cálculos133
X.9. HARDY-CROSS136
X.9.1. Fundamento136
X.9.2. Seqüência de cálculos137
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS143

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I.1. GENERALIDADES I.1.1. Quantificação

A água é a substância simples mais abundante no planeta Terra e pode ser encontrada tanto no estado líquido, gasoso ou sólido, na atmosfera, sobre ou sob a superfície terrestre, nos oceanos, mares, rios e lagos. Também o constituinte inorgânico mais presente na matéria viva: cerca de 60% do peso do homem é constituído de água e em certos animais aquáticos esta porcentagem alcança 98% (SPERLING, 1996, p. 12). Cientistas estimam que o nosso planeta tem três quartos de sua massa só de água (1,36 x 1018 m3 segundo SPERLING, 1996, p. 12), ou seja, 1 trilhão e 360 bilhões de quilômetros cúbicos, com 1,5 x 1012 metros cúbicos em estado livre no planeta (A. NETTO et alli, 1998, p. 536). Os mares e os oceanos contêm cerca de 97,4 % de toda essa massa, formada pela água salgada. 2 % da água total está estocada sob a forma de neve ou gelo, no topo das grandes cadeias de montanhas ou nas zonas polares. Assim apenas cerca de 0,6 % do total encontra-se disponível como água doce nos aqüíferos subterrâneos (0,5959 %), os rios e lagos superficiais (0,0140 %) e na atmosfera na forma de vapor d’água (0,001 %). A maior parte das águas subterrâneas encontra-se em condições inadequadas ao consumo ou em profundezas que inviabilizam sua exploração. Diante desta situação é de importância fundamental para o futuro da humanidade, e sua própria sobrevivência, que se valorize a preservação dos recursos hídricos do planeta em suas condições naturais.

I.1.2. O ciclo hidrológico

Conhecida a distribuição da água na Terra, é importante também que se saiba como ela se movimenta no planeta. Ao seu permanente movimento de mudanças de estado (sólido, líquido ou gasoso) ou de posição (superficial, subterrânea ou atmosférica) em relação à superfície da Terra, denominou-se de ciclo hidrológico. Por definição, então, ciclo hidrológico é a descrição do comportamento natural da água em volta do globo terrestre. Essencial para o desenvolvimento da vida na Terra, é composto de três fenômenos principais: evaporação para a atmosfera, condensação em forma de nuvens e precipitação, mais freqüentemente em forma de chuva, sobre a superfície terrestre, onde ela se dispersa sobre as mais variadas maneiras, de acordo com a superfície receptora, escoando sobre a superfície, infiltrando-se e/ou evaporando-se.

A cada ano, a energia do Sol faz com que um volume de aproximadamente 500.0 Km3 de água se evapore, especialmente dos oceanos, embora também de águas e rios. Essa água retorna para os continentes e ilhas, ou para os oceanos, sob a forma de precipitações: chuva ou neve. Os continentes e ilhas têm um saldo positivo nesse processo. Estima-se que eles “retirem” dos oceanos perto de 40.0 Km3 por ano. É esse saldo que alimenta as nascentes dos rios, recarrega os depósitos subterrâneos, e depois retorna aos oceanos pelo deságüe dos rios.

A água é encontrada na atmosfera mais freqüentemente sob a forma de vapor ou de partículas líquidas, embora não seja raro sob a forma de neve ou de gelo. Para que ocorra uma precipitação é necessário que o vapor atmosférico sofra condensação em gotículas que, ao atingir determinado peso, não podem continuar em suspensão, caindo em forma de chuva. Se durante essa precipitação essas gotas atravessarem camadas atmosféricas com temperaturas negativas poderá ocorrer o congelamento e a precipitação ocorrer na forma de partículas de gelo, o granizo. Se essa condensação ocorrer sob temperaturas de congelamento, a precipitação se dará em forma de neve.

Embora sem importância para estudos de abastecimento de água, em função de sua insignificante contribuição para a formação de escoamentos superficiais, ainda se pode registrar que quando a condensação for originada do contato do vapor atmosférico com uma superfície sólida, o solo por exemplo, e em temperaturas do ar circundante muito baixas, não necessariamente de congelamento, ocorre a formação do orvalho ou das geadas. A ocorrência destes tipos de condensação é de extrema importância em áreas agrícolas, assim como a precipitação em forma de granizo.

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Resumindo, as precipitações pluviométricas podem ocorrer tanto da forma mais comum conhecida como chuva, como em formas mais moderadas como neblinas, garoas ou geadas, ou mais violentas como acontecem nos furacões, precipitações de granizo, nevascas, etc.

Quando a chuva alcança o solo, parte da água se infiltra e parte fica temporariamente sobre a superfície, em função da intensidade da chuva e da capacidade de infiltração do solo. Da parcela superficial parte é retida, passa do estado líquido para o gasoso pelo processo de evaporação natural, e volta a atmosfera. A intensidade desse fenômeno natural depende da temperatura ambiente, da ventilação e da umidade relativa do ar. O restante escoa sobre a superfície livre do terreno indo abastecer os corpos receptores naturais como rios lagos e oceanos. Da parcela infiltrada, a que fica retida nos interstícios próximos à superfície volta a atmosfera na forma de vapor e o restante penetra mais profundamente e vai abastecer o lençol freático e outros aqüíferos subterrâneos. A Figura I.1 representa esquematicamente o ciclo hidrológico com seus principais componentes.

Figura I.1 – Principais fases do ciclo hidrológico

Em áreas cobertas por densa vegetação o volume de água que é transferido para a atmosfera, através do fenômeno de transpiração, pode ser bastante significativo, em função da dimensão dessa área. Nesse processo a água é retirada do solo pelas raízes, transferida para as folhas e, então, evaporada. Assim, numa área de floresta, por exemplo, a superfície de exposição das folhas é muito grande e em função da temperatura ambiente e da insolação, pode se tornar o fator determinante do teor de umidade atmosférica (numa área equatorial, por exemplo).

Evidentemente o ciclo hidrológico, embora seja um fenômeno contínuo da natureza, não tem comportamento uniforme em cada uma de suas fases, principalmente quanto à evaporação e à precipitação, Essas variam de intensidade aleatoriamente com o tempo, principalmente ao longo das estações climáticas. Na realidade qualquer observação sistemática de chuvas em determinado local caracterizar-se-á por notáveis variações nas quantidades precipitadas anualmente e não mostrará ocorrências cíclicas dos fenômenos. A maior quantidade de observações ao longo de um tempo mais longo (mais de trinta anos) permitirá condições de se apurar valores médios mais consistentes.

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A fase atmosférica do fenômeno das precipitações é de interesse dos meteorologistas, porém a partir do momento em que ela atinge o solo, torna-se o elemento fundamental dos estudos ligados à Hidrologia. Segundo o United States Federal Council of Science and Tecnology, Committee for Scientific Hidrology (1962), Hidrologia é a ciência que estuda a água da terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, e suas reações com o meio-ambiente, incluindo suas relações com a vida (Villela & Mattos, 1975, p. 1), ou seja, é a ciência que estuda a presença da água na natureza. Ainda denomina-se de Hidrologia de superfície o estudo referente ao movimento da água sobre o solo, isto é, do escoamento superficial das águas, que é o que interessa para projetos de drenagem superficial. Pode-se dizer que como ciência é um estudo recente, pois seus fundamentos teóricos só começaram a se formar nos tempos do cientista italiano Leonardo da Vinci (1452-1519), com a concepção do ciclo hidrológico, e só foi aceita como disciplina específica em fins do século XIX, embora os antigos egípcios já ensaiassem o controle das cheias do Rio Nilo, a cerca de 3000 anos antes de Cristo (Pinto et alli, 1976, p. 2).

No entanto, o ritmo acelerado de desmatamentos das últimas décadas, e o crescimento urbano e industrial, que necessita sempre de mais água, vem alterando esse ciclo hidrológico. Estudos da ONU mostraram que o desmatamento e o pastoreio excessivo diminuem a capacidade do solo em atuar como uma grande esponja, absorvendo águas das chuvas e liberando seus conteúdos lentamente. Na ausência de coberturas vegetais, e com solos compactados, a tendência das chuvas é escorrer pela superfície e escoar rapidamente pelos cursos de água, o que traz como conseqüência as inundações, aceleração no processo de erosão e diminuição das estabilidade dos cursos de água, que ficam diminuídos fora do período de cheias, comprometendo assim a agricultura e a pesca. Não faltam sinal de escassez de água doce. O nível dos lençóis freáticos baixa constantemente, muitos lagos encolhem e pântanos secam. Na agricultura, na indústria e na vida doméstica, as necessidades de água não param de aumentar, paralelamente ao crescimento demográfico e ao aumento nos padrões de vida, que multiplicam o uso da água. Nos anos 50, por exemplo, a demanda de água por pessoa era de 400 m3 por ano, em média no planeta, ao passo que hoje essa demanda já é de 800 m3 por indivíduo. Em países cada vez mais populosos, ou com carência em recursos hídricos, já se atingiu o limite de utilização de água. Constatou-se que atualmente 26 países, a maioria situada no continente africano, totalizando 235 milhões de pessoas, sofrem de escassez de água. As outras regiões do mundo também não são poupadas. Sintomas de crises já se manifestam em países que dispõem de boas reservas. Nos locais onde o nível de bombeamento (extração) das águas subterrâneas é mais intenso que sua renovação natural, se constata um rebaixamento do nível de lençóis freáticos, que, por esse motivo, exigem maiores investimentos para serem explorados e ao mesmo tempo vão se tornando mais salinos.

I.2. PRINCIPAIS PROPRIEDADES DA ÁGUA

Conhecer as propriedades da água, quer ela esteja em repouso ou em movimento, é fundamental para a solução correta dos vários problemas do dia a dia do engenheiro hidráulico. Estes problemas envolvem princípios e métodos de armazenamento, conservação, controle, condução, utilização, etc, e estão presentes desde a elaboração dos projetos até o último dia de sua operação.

Entre as peculiaridades da água está a de ser uma substância encontrada no estado sólido, líquido e gasoso na superfície da terra, ou seja, ela pode ser facilmente encontrada em três fases na natureza, a saber, no estado sólido (neve e gelo), no gasoso (vapor d’água e umidade) e na sua forma mais comum, a líquida (reservatórios de acumulação, lençóis subterrâneos, mares e oceanos, etc). Fisicamente quando pura, é um líquido transparente e levemente azulado, praticamente incolor, sem gosto e sem sabor (a clássica qualificação das primeiras aulas de ciências: líquido incolor, inodoro e insípido) e apresenta reflexão e refração da luz..

I.2.1. Composição química

A água é uma substância composta resultante da combinação de dois átomos de hidrogênio com um de oxigênio que na forma mais elementar de representação temos H2O. Esta composição foi descoberta em 1879, por Henry Cavendish, procedendo a queima de hidrogênio na presença de oxigênio.

NOTA: Henry Cavendish (1731 - 1810), físico e químico experimentador inglês, nascido em Nice, França, filho de família nobre e abastada inglesa.

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I.2.2. Massa específica

Massa específica (density) de uma substância é a massa por unidade de volume. Depende da dimensão e da estrutura de ligação das moléculas entre si. Devido a esta dependência e a sua estrutura molecular peculiar é que a água é uma das poucas substâncias que aumentam de volume quando passam a temperaturas inferiores a 4oC, reduzindo, portanto, sua massa específica a partir desta temperatura, a medida que é aquecida ou resfriada. Esta propriedade se não analisada com o máximo de acuidade em fase de projeto, pode trazer problemas irreparáveis de ordem estrutural às unidades do sistema na fase de operação.

Também denominada de densidade absoluta é geralmente simbolizada pela letra grega minúscula " " e sua unidade no S.I. é o quilograma/metro cúbico (kg/m3). Usualmente em cálculos de escoamentos com

água sob temperatura de até 30oC, trabalha-se com = 102 kgf.s2/m4 (Tabela 1).

Denomina-se de densidade relativa (specific gravity) a relação entre a densidade da água a uma determinada temperatura e sua densidade a 4°C, neste ponto definida como igual a unidade. É geralmente

simbolizada pela letra grega minúscula " ". Como é uma relação entre grandezas de mesma unidade é,

portanto, adimensional. Freqüentemente emprega-se = 1,0 para solução de problemas com água, principalmente nos pré-dimensionamentos (Tabela 1).

A água é cerca de 830 vezes mais pesada que o ar seco, porém 133 vezes mais leve na forma de vapor, sob condições normais de pressão. Quando vaporiza-se ocupa um volume cerca de 1640 vezes maior que na fase líquida. Quando congela expande-se aproximadamente 9% ocupando um volume de cerca de 1,1 vezes o da fase líquida na mesma temperatura.

Peso específico (density) é o peso por unidade de volume, ou seja, é o valor da massa específica multiplicada pela aceleração de gravidade local, ou seja, = .g. É geralmente simbolizado pela letra grega minúscula " ". No S.I. peso específico sempre é expresso em Newtonpor metro cúbico (N/m3).

NOTA: Newton é uma homenagem a Sir Isaac Newton (1642-1727) primeiro cientista inglês de renome internacional, nascido em Woolsthorpe e graduado em Cambridge.

Nos cálculos hidráulicos habituais com água, utiliza-se = 1000 kgf/m3 sem muitas reservas, pois como podemos observar na Tabela 1, para temperaturas no intervalo de 0oC a 30 oC, não há uma sensível alteração nos valores da densidade (menos de 5%).

NOTA: Enquanto um quilograma é a massa do protótipo internacional do quilograma, quilograma-força é o peso do protótipo internacional do quilograma quando submetido a ação da gravidade normal (1 kgf = 9,80665 N).

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