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Otimização do consumo energético em estações de tratamento de águas residuais - ETAR

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Otimiza¸c˜

ao do consumo energ´

etico em Esta¸c˜

oes

de Tratamento de ´

Aguas Residuais - ETAR

Por

Henrique Manuel Saraiva

Orientador: Professor Doutor Jos´e Carlos Silva Cardoso

Co-orientador: Professor Doutor S´ergio Augusto Pires Leit˜ao

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie – N.o151, Decreto-Lei n.o 115/2013 de 7 de Agosto e no

Regulamento de Estudos Conducente ao Grau de Mestre da UTAD DR, 2.a

s´erie – N.o

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Otimiza¸c˜

ao do consumo energ´

etico em Esta¸c˜

oes

de Tratamento de ´

Aguas Residuais - ETAR

Por

Henrique Manuel Saraiva

Orientador: Professor Doutor Jos´e Carlos Silva Cardoso

Co-orientador: Professor Doutor S´ergio Augusto Pires Leit˜ao

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie – N.o

151, Decreto-Lei n.o

115/2013 de 7 de Agosto e no Regulamento de Estudos Conducente ao Grau de Mestre da UTAD

DR, 2.a

s´erie – N.o

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Orienta¸c˜ao Cient´ıfica :

Professor Doutor Jos´e Carlos Silva Cardoso Professor Associado do

Departamento de Engenharias

Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Professor Doutor S´ergio Augusto Pires Leit˜ao Professor Auxiliar do

Departamento de Engenharia Electrot´ecnica Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Acompanhamento do trabalho :

Engenheiro Francisco Ant´onio de Carvalho Esteves

Engenheiro Jos´e Pedro Alves de Pinho Pereira Sampaio

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UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO Mestrado em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores

Os membros do J´uri recomendam `a Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro a aceita¸c˜ao da disserta¸c˜ao intitulada “Otimiza¸c˜ao do consumo energ´etico em Esta¸c˜oes de Tratamento de ´Aguas Residuais - ETAR” realizada por Henrique Manuel Saraiva para satisfa¸c˜ao parcial dos requisitos do grau de Mestre.

Janeiro 2017

Presidente: Doutor Jo˜ao Agostinho Batista de Lacerda Pav˜ao ,

Professor auxiliar da Escola de Ciˆencias e Tecnologia da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Vogais do J´uri: Doutor H´elder Filipe Duarte Leite,

Professor Auxiliar da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Professor Doutor Jos´e Carlos Silva Cardoso,

Professor Associado do Departamento de Engenharias da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Professor Doutor S´ergio Augusto Pires Leit˜ao,

Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Electrot´ecnica da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

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Otimiza¸c˜ao do consumo energ´etico em Esta¸c˜oes de Tratamento de

´

Aguas Residuais - ETAR

Henrique Manuel Saraiva

Submetido na Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obten¸c˜ao do grau de

Mestre em Engenharia Eletrot´ecnica e de Computadores

Resumo — Aquando da reestrutura¸c˜ao do setor de saneamento de ´aguas residuais em Portugal, nomeadamente as infraestruturas, houve necessidade de se optar por uma linha de tratamento que apresenta consumos energ´eticos elevados em certas fases do processo, nomeadamente no arejamento do efluente. Tendo em conta o elevado pre¸co dos equipamentos respons´aveis por estes consumos e o facto de que as infraestruturas s˜ao relativamente recentes face `a sua vida ´util, n˜ao ´e vantajoso a sua substitui¸c˜ao por alternativas mais eficientes.

Por forma a melhor entender a problem´atica em quest˜ao e determinar a viabilidade t´ecnica e econ´omica de solu¸c˜oes alternativas, foi realizado um estudo aprofundado dos processos utilizados nas ETAR, de aproveitamentos hidroel´etricos (nomeadamente centrais mini-h´ıdricas), de sistemas de cogera¸c˜ao com utiliza¸c˜ao de biog´as produzido na pr´opria instala¸c˜ao e ainda metodologias de gest˜ao energ´etica. Das solu¸c˜oes equacionadas, a solu¸c˜ao que se mostrou mais interessante, n˜ao s´o a n´ıvel econ´omico mas tamb´em a n´ıvel processual, foi a implementa¸c˜ao do sistema de cogera¸c˜ao, obtendo-se valores de retorno de investimento consideravelmente interessantes do ponto de vista do investidor.

Palavras Chave: Consumos energ´eticos, ETAR, Otimiza¸c˜ao, Cogera¸c˜ao, Gest˜ao Energ´etica, Aproveitamento Hidroel´etrico.

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Optimization of energy consumption in Waste Water Treatment

Plants - WWTP

Henrique Manuel Saraiva

Submitted to the University of Tr´as-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical Engineering and Computers

Abstract — When restructuring the wastewater treatment sector in Portugal, namely infrastructure, there was the need to choose a certain line of treatment that had high energy consumption at certain phases of the treatment, more specifically at the aeration of the effluent. Taking into account the expensive price of the machines responsible for this process and the fact that the infrastructures were built recently, it is not advantajous to replace the equipments with more efficient ones.

To better understand this issue, a study was made to determine the technical and economical viability of alternative solutions, such us the process of wastewater treatmeants, hydroeletric plants, cogeneration using biogas produced through wastewater sludge and also energy management methodologies.

Of all the solutions considered, the one that turned out to be the most interesting, not only economically but also at a procedure level, was the implementation of a cogeneration system, obtaining return values considerably interesting at the investors point of view.

Key Words: Energy consumption, WWTP, Optimization, Cogeneation, Energy Maganement, Hydroelectric.

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Agradecimentos

A realiza¸c˜ao desta disserta¸c˜ao de mestrado contou com importantes apoios e incentivos sem os quais n˜ao se teria tornado uma realidade e aos quais estarei eternamente grato.

Ao Engenheiro Francisco Ant´onio de Carvalho Esteves agrade¸co o apoio, a partilha do saber e as valiosas contribui¸c˜oes para o trabalho. Acima de tudo, obrigado por me continuar a acompanhar nesta jornada e por estimular o meu interesse pelo conhecimento e pela vida acad´emica.

Aos Professores Doutores Jos´e Carlos Silva Cardoso, S´ergio Augusto Pires Leit˜ao e ao Engenheiro Jos´e Pedro Alves de Pinho Pereira Sampaio, pelas suas orienta¸c˜oes, total apoio, disponibilidade, pelo saber que transmitiram, pelas opini˜oes e cr´ıticas, total colabora¸c˜ao no solucionar de d´uvidas e problemas que foram surgindo ao longo da realiza¸c˜ao deste trabalho e por todas as palavras de incentivo.

`

A minha namorada Marlene, por todo o apoio, paciˆencia, ajuda e companhia nos bons e maus momentos da realiza¸c˜ao desta etapa.

Aos meus colegas e amigos que estiveram ao meu lado durante esta fase, pelo companheirismo, for¸ca e apoio.

Por ´ultimo, e tendo consciˆencia que sozinho nada disto teria sido poss´ıvel, dirijo um agradecimento especial aos meus pais, por serem modelos de coragem, pelo seu apoio

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incondicional, incentivo, amor, paciˆencia demonstrada e total ajuda na supera¸c˜ao dos obst´aculos que ao longo desta caminhada foram surgindo. A eles dedico este trabalho!

A todos, um sincero e sentido obrigado!

UTAD, Henrique Manuel Saraiva

Vila Real, 14 de Outubro de 2016

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´Indice geral

Resumo ix

Abstract xi

Agradecimentos xiii

´Indice de tabelas xxi

´Indice de figuras xxv

Gloss´ario, acr´onimos e abreviaturas xxix

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Enquadramento . . . 1

1.2 Objetivos e Motiva¸c˜ao . . . 2

1.3 Estrutura da Disserta¸c˜ao . . . 2

2 ETAR - Processos de Tratamento 5 2.1 Enquadramento Legislativo . . . 8

2.1.1 Legisla¸c˜ao Referente ao Dimensionamento do Grau de Tratamento . . . 8

2.1.2 Legisla¸c˜ao Referente ao Dimensionamento El´etrico . . . 10

2.2 Caracteriza¸c˜ao das ´Aguas Residuais . . . 12

2.3 Caracter´ısticas T´ıpicas de Qualidade das ´Aguas Residuais. . . 15

2.3.1 Caracter´ısticas F´ısicas . . . 15 xv

(16)

2.3.2 Caracter´ısticas Qu´ımicas . . . 16

2.3.3 Caracter´ısticas biol´ogicas . . . 18

2.4 Descri¸c˜ao dos Tratamentos T´ıpicos de ´Aguas Residuais . . . 18

2.4.1 Tratamento Preliminar . . . 18 2.4.1.1 Gradagem . . . 20 2.4.1.2 Tritura¸c˜ao . . . 20 2.4.1.3 Desarenamento . . . 21 2.4.1.4 Pr´e-arejamento . . . 22 2.4.1.5 Adi¸c˜ao de Qu´ımicos . . . 23 2.4.2 Tratamento Prim´ario . . . 23 2.4.2.1 Descri¸c˜ao do Processo . . . 24

2.4.2.2 Vis˜ao Geral do Processo de Tratamento Prim´ario . . 25

2.4.2.3 Percentagem Esperada de Remo¸c˜ao de S´olidos . . . . 26

2.4.3 Tratamento Secund´ario . . . 26

2.4.4 Tratamento Terci´ario . . . 27

2.5 Descri¸c˜ao das Opera¸c˜oes e Processos selecionados . . . 27

2.5.1 Tamisa¸c˜ao . . . 27

2.5.2 Desarenamento/Desengorduramento . . . 28

2.5.3 Tratamento Biol´ogico Anaer´obio - Remo¸c˜ao do F´osforo . . . . 28

2.5.4 Tratamento Biol´ogico Aer´obio - Remo¸c˜ao do Azoto . . . 28

2.5.5 Decanta¸c˜ao . . . 30

2.5.6 Micro-Tamisa¸c˜ao . . . 30

2.5.7 Desinfe¸c˜ao . . . 31

3 Solu¸c˜oes de gest˜ao de energia 33 3.1 Obten¸c˜ao e an´alise de dados . . . 33

3.1.1 An´alise das faturas energ´eticas. . . 34

3.1.2 An´alise de dados a partir de contadores . . . 37

3.1.3 Estabelecimento de ´ındices de consumo espec´ıfico . . . 39

3.2 Otimiza¸c˜ao da fatura el´etrica . . . 39

3.2.1 Tens˜ao de fornecimento de energia el´etrica . . . 39

3.2.2 Ciclos hor´arios . . . 40

3.2.3 Deslastre de cargas . . . 41

3.2.4 Potˆencia contratada . . . 42

3.2.5 Energia reativa . . . 43

3.2.6 Compensa¸c˜ao da energia reativa . . . 45

3.3 Motores . . . 46

3.3.1 Variadores de frequˆencia/velocidade . . . 47

3.3.2 Motores de alta eficiˆencia . . . 49 xvi

(17)

4 Centrais Mini-H´ıdricas 51 4.1 Introdu¸c˜ao . . . 51 4.2 Hidroeletricidade em Portugal . . . 52 4.3 Classifica¸c˜ao . . . 53 4.4 Custos estimados . . . 55 4.5 Turbinas Hidr´aulicas . . . 57 4.5.1 Tipos de turbinas . . . 58

4.5.2 Sele¸c˜ao do tipo de turbina . . . 61

4.6 Dimensionamento de Centrais Mini-H´ıdricas . . . 65

4.6.1 An´alise Hidrogr´afica . . . 65 4.6.2 Potˆencia Instalada . . . 67 4.6.3 Energia Produzida . . . 67 4.6.4 Dimensionamento . . . 70 4.6.5 Dimensionamento da turbina . . . 71 4.6.5.1 Velocidade espec´ıfica . . . 71 4.6.5.2 Velocidade nominal . . . 72 4.6.5.3 Rendimento . . . 72 4.6.5.4 Cavita¸c˜ao . . . 73

4.6.5.5 Dimens˜oes de uma turbina tipo Francis. . . 74

4.6.5.6 Dimens˜oes de uma turbina tipo Kaplan . . . 75

5 Cogera¸c˜ao e Micro-Cogera¸c˜ao 77 5.1 Introdu¸c˜ao . . . 77

5.2 Conceito de Cogera¸c˜ao . . . 77

5.3 Micro-Cogera¸c˜ao . . . 80

5.3.1 Vantagens e limita¸c˜oes da Cogera¸c˜ao/Micro-Cogera¸c˜ao . . . . 81

5.4 Cogera¸c˜ao e Micro-Cogera¸c˜ao em Portugal . . . 82

5.5 Legisla¸c˜ao relevante para o setor da Cogera¸c˜ao . . . 85

5.6 Tecnologias Dispon´ıveis . . . 87

5.6.1 Modos de opera¸c˜ao para sistemas de Cogera¸c˜ao . . . 87

5.6.2 Parˆametros de carateriza¸c˜ao de sistemas de Cogera¸c˜ao . . . . 89

5.6.3 Tipo de tecnologias de Cogera¸c˜ao . . . 94

5.6.3.1 Sistemas de Cogera¸c˜ao com motor alternativo ou de combust˜ao interna . . . 94

5.6.3.2 Sistemas de Cogera¸c˜ao com Micro-Turbinas a g´as . . 97

5.6.3.3 Sistemas de Cogera¸c˜ao com Ciclo/Motor Stirling . . 98

5.6.3.4 Sistemas de Cogera¸c˜ao com C´elula de Combust´ıvel . 100 5.6.3.5 Sistemas de Cogera¸c˜ao com ciclo Rankine orgˆanico . 104 5.6.4 Compara¸c˜ao entre as diferentes tecnologias de Cogera¸c˜ao . . . 106

(18)

6 Valoriza¸c˜ao de Sub-Produtos em ETAR 109 6.1 Estabiliza¸c˜ao Anaer´obia . . . 109 6.1.1 Considera¸c˜oes gerais . . . 109 6.1.2 Caracteriza¸c˜ao do processo . . . 111 6.1.3 Tipos de digestores . . . 113 6.1.3.1 Caracteriza¸c˜ao geral . . . 113

6.1.3.2 Crit´erios de conce¸c˜ao e dimensionamento . . . 120

6.1.3.3 Dimensionamento segundo o tempo de reten¸c˜ao de s´olidos . . . 123

6.1.3.4 An´alise dos requisitos de temperatura . . . 126

6.1.4 Sistemas de mistura e agita¸c˜ao . . . 127

6.1.5 Monitoriza¸c˜ao e avalia¸c˜ao de desempenho do processo . . . 129

6.1.5.1 Monitoriza¸c˜ao e controlo do processo de estabiliza¸c˜ao anaer´obia . . . 129

6.1.5.2 Avalia¸c˜ao do desempenho do processo de estabiliza¸c˜ao anaer´obia . . . 131

6.1.6 Subprodutos do processo de estabiliza¸c˜ao anaer´obia . . . 132

6.2 Biog´as . . . 133

6.2.1 Composi¸c˜ao e principais propriedades do Biog´as . . . 133

6.2.2 Biog´as enquanto recurso energ´etico . . . 135

6.2.3 Estimativa da produ¸c˜ao de g´as Metano . . . 136

7 An´alise Econ´omica 139 7.1 Sistemas de Cogera¸c˜ao . . . 139

7.1.1 Pr´emio de eficiˆencia. . . 140

7.1.2 Pr´emio de energia renov´avel . . . 141

7.2 Aproveitamentos hidroel´etricos . . . 141

7.2.1 Per´ıodo de utiliza¸c˜ao . . . 141

7.2.2 Custo por unidade de potˆencia instalada . . . 142

7.3 Indicadores econ´omicos . . . 143

7.3.1 Custo por unidade de energia produzida . . . 143

7.3.2 Custo unit´ario m´edio anual . . . 143

7.4 Conceitos de matem´atica financeira . . . 143

7.4.1 Atualiza¸c˜ao do capital . . . 144

7.4.2 Taxa de atualiza¸c˜ao. . . 144

7.5 Indicadores de avalia¸c˜ao de investimentos . . . 145

7.5.1 Valor atual l´ıquido — VAL . . . 146

7.5.2 Taxa interna de rendibilidade — TIR . . . 148

7.5.3 Tempo de retorno bruto . . . 149

7.5.4 Per´ıodo de recupera¸c˜ao de investimento — PRI . . . 149 xviii

(19)

7.5.5 Retorno de investimento — ROI . . . 150

8 Caso de Estudo 151 8.1 Caracter´ısticas do sistema de tratamento . . . 151

8.2 Caracter´ısticas do local da implanta¸c˜ao da ETAR . . . 152

8.2.1 Clima . . . 152 8.3 Implementa¸c˜ao da CMH . . . 152 8.3.1 Estudo Hidrol´ogico . . . 152 8.4 Recurso H´ıdrico . . . 153 8.4.1 Caracteriza¸c˜ao do efluente . . . 153 8.4.2 Estudo hidrol´ogico . . . 153 8.4.3 Sele¸c˜ao da turbina . . . 155

8.4.4 Estimativas iniciais da potˆencia instalada e energia produzida 156 8.4.4.1 Potˆencia nominal instalada . . . 156

8.4.4.2 Energia produzida . . . 157

8.4.5 C´alculos econ´omicos . . . 159

8.4.6 Dimensionamento da turbina . . . 164

8.5 Estimativa da produ¸c˜ao de biog´as, dimensionamento do digestor anaer´obio e do gas´ometro. . . 165

8.6 Dimensionamento do sistema de cogera¸c˜ao . . . 170

8.6.1 Sele¸c˜ao da tecnologia de cogera¸c˜ao . . . 170

8.6.2 Estimativa da energia el´etrica anual produzida . . . 171

8.6.3 Estimativa da energia t´ermica anual produzida e necessidades do digestor . . . 172

8.6.4 C´alculos econ´omicos . . . 175

9 Conclus˜oes e Perspetivas de Trabalho Futuro 181 9.1 Conclus˜oes Gerais . . . 181

9.2 Perspetivas de Trabalho Futuro . . . 183

Referˆencias bibliogr´aficas 185

(20)
(21)

´Indice de tabelas

2.1 Aplica¸c˜oes das ´aguas residuais tratadas. . . 7

2.2 Caracter´ısticas das ´aguas residuais urbanas e as suas origens. . . 14

2.3 Intervalos esperados de remo¸c˜ao de part´ıculas durante a fase de tratamento prim´ario. . . 26

3.1 Consumos el´etricos mensais. . . 36

3.2 Exemplos do benef´ıcio econ´omico decorrente da desloca¸c˜ao dos consumos energ´eticos.. . . 42

3.3 Fatores de potˆencia t´ıpicos para equipamentos comuns. . . 45

4.1 Classifica¸c˜ao das centrais mini-h´ıdricas quanto `a potˆencia. . . 54

4.2 Classifica¸c˜ao das centrais mini-h´ıdricas quanto `a altura de queda. . . 55

4.3 Sele¸c˜ao de turbinas tendo em conta a altura da queda. . . 61

4.4 Gama de velocidades por tipo de turbina.. . . 63

4.5 Limites de explora¸c˜ao. . . 68

4.6 Rela¸c˜ao entre a velocidade espec´ıfica e a queda ´util para v´arias turbinas. 71

4.7 Parˆametros da equa¸c˜ao do c´alculo do rendimento. . . 73

4.8 Valores t´ıpicos de rendimento para pequenas turbinas.. . . 73

4.9 Express˜oes para o c´alculo da cavita¸c˜ao para turbinas Francis e Kaplan. 74 xxi

(22)

5.1 Valores da Raz˜ao Calor/Trabalho Produzido para algumas das tecnologias de Cogera¸c˜ao. . . 92

5.2 Especifica¸c˜oes das diferentes c´elulas de combust´ıvel. . . 103

5.3 Vantagens e desvantagens das diferentes tecnologias de cogera¸c˜ao em estudo. . . 107

5.4 Caracter´ısticas de opera¸c˜ao e custos t´ıpicos de algumas das tecnologias de cogera¸c˜ao em estudo. . . 108

6.1 Principais crit´erios de dimensionamento de digestores anaer´obios em baixa e alta carga. . . 123

6.2 Parˆametros e valores t´ıpicos relacionados com o dimensionamento de digestores de mistura completa de alta carga.. . . 124

6.3 Valores t´ıpicos do tempo de reten¸c˜ao de s´olidos para digestores de mistura completa. . . 125

6.4 Caracter´ısticas f´ısicas e quantidades de lamas t´ıpicas espet´aveis de serem obtidas de v´arios processos e opera¸c˜oes de tratamento. . . 125

6.5 Valores t´ıpicos para os coeficientes de transferˆencia de temperatura usados para dimensionar as perdas de calor de digestores anaer´obios. 127

6.6 Composi¸c˜ao do Biog´as. Intervalos t´ıpicos (%) de acordo com v´arios autores. . . 134

6.7 Varia¸c˜ao do poder calor´ıfico inferior em rela¸c˜ao `a composi¸c˜ao do biog´as.135

7.1 Investimento unit´ario, e/kW, em mini-h´ıdricas (DGEG). . . 142

8.1 Quantifica¸c˜ao de efluente tratado na ETAR no ano de 2015. . . 153

8.2 Custos considerados para o investimento inicial. . . 160

8.3 Resultados preliminares para sele¸c˜ao do caudal nominal. . . 160

8.4 Resultados finais para um caudal nominal de 0,69 m3/s.. . . 161 8.5 Varia¸c˜ao da taxa de atualiza¸c˜ao e os seus efeitos nos indicadores. . . . 161

8.6 An´alise da varia¸c˜ao da altura bruta de queda, com a=10% e considerando um consumo de 50% da energia el´etrica produzida na instala¸c˜ao face `a energia total produzida. . . 162

8.7 An´alise da varia¸c˜ao de caudal afluente `a ETAR. . . 163 xxii

(23)

8.8 An´alise da varia¸c˜ao da percentagem de energia el´etrica consumida na instala¸c˜ao. . . 164

8.9 Caracter´ısticas t´ecnicas da turbina dimensionada. . . 165

8.10 Valores m´edios mensais de CQO e s´olidos vol´ateis (SV) obtidos da entidade gestora da ETAR.. . . 166

8.11 Custos considerados para o investimento inicial. . . 176

8.12 Valores base m´edios para os principais indicadores econ´omicos. . . 176

8.13 Valores base m´edios para os principais indicadores econ´omicos tendo em conta os pr´emios mensais de eficiˆencia e energia renov´avel. . . 178

8.14 Varia¸c˜ao da taxa de atualiza¸c˜ao e os seus efeitos nos indicadores. . . . 179

8.15 Varia¸c˜ao do rendimento el´etrico e os seus efeitos nos indicadores. . . . 180

(24)
(25)

´Indice de figuras

2.1 Esquem´atico de um exemplo do processo de tratamento que providencia fase prim´aria e secund´aria utilizando o processo de lamas ativadas. . . 20

2.2 Esquema de opera¸c˜ao de uma grelha de barras. . . 21

2.3 Triturador de corte circular. . . 22

2.4 Grelha de barras paralelas. . . 23

2.5 Princ´ıpio de funcionamento de um tanque de desarenamento por gravidade. . . 24

2.6 Tanque de arejamento na ETAR de Santo Emili˜ao, Vieira do Minho. 25

3.1 Potˆencias m´edias mensais por per´ıodos tarif´arios. . . 37

3.2 Custo hor´ario da energia num dia ´util. . . 41

3.3 Convers˜ao de energia el´etrica em energia mecˆanica. . . 44

3.4 Triˆangulo de potˆencias. . . 44

3.5 Exemplo de uma placa de caracter´ısticas de um motor trif´asico de indu¸c˜ao. . . 46

3.6 Curva t´ıpica de rendimento de um motor. . . 47

3.7 Diagrama de consumos de potˆencia de um motor. . . 48 xxv

(26)

4.1 Potˆencia hidroel´etrica acumulada. . . 53

4.2 Custo m´edio anual da unidade de energia em fun¸c˜ao da utiliza¸c˜ao anual da potˆencia instalada, parametrizado em fun¸c˜ao do investimento por kW instalado; a = 7%, n = 30 anos, cd = 0.4%cp. . 57

4.3 Turbina tipo Pelton . . . 59

4.4 Turbina tipo Turgo. . . . 59

4.5 Turbina tipo Francis. . . . 60

4.6 Turbina tipo Kaplan. . . . 60

4.7 Diagrama representante da rela¸c˜ao entre altura de queda, caudal e potˆencia. . . 62

4.8 Diagrama que relaciona a velocidade espec´ıfica com o tipo de turbina. 63

4.9 Diagrama de Cordier para turbinas Francis e Kaplan. . . 64

4.10 Curva de caudais cronol´ogicos. . . 66

4.11 Curva de caudais classificados. . . 66

4.12 Curva de caudais classificados com os limites de explora¸c˜ao assinalados. 69

4.13 Diagrama auxiliar para c´alculo dos diˆametros de uma turbina tipo Francis. . . 75

4.14 Diagrama auxiliar para c´alculo dos diˆametros de uma turbina tipo Kaplan. . . 76

5.1 Princ´ıpio de um sistema de Cogera¸c˜ao. . . 78

5.2 Balan¸co energ´etico de um sistema convencional. . . 79

5.3 Balan¸co energ´etico de um sistema Cogera¸c˜ao. . . 79

5.4 Esquema de um sistema de Micro-Cogera¸c˜ao. . . 81

5.5 Distribui¸c˜ao da potˆencia instalada por setores de atividade (em %). . 83

5.6 Distribui¸c˜ao da potˆencia instalada por tecnologia (em %). . . 84

5.7 Rela¸c˜ao entre a raz˜ao Calor/Trabalho Produzido e a Poupan¸ca de Energia Prim´aria. . . 93

5.8 Poss´ıvel solu¸c˜ao de um sistema de cogera¸c˜ao utilizando um motor de combust˜ao interna. . . 95

5.9 Poss´ıvel solu¸c˜ao de um sistema de cogera¸c˜ao utilizando uma micro-turbina a g´as. . . 98

(27)

5.10 Configura¸c˜oes poss´ıveis de um motor Stirling. . . . 99

5.11 Motor Stirling, configura¸c˜ao alfa. . . . 101

5.12 Esquema de funcionamento de uma c´elula de combust´ıvel. . . 102

5.13 Esquema de funcionamento de uma c´elula PEFMC. . . 104

5.14 Esquema de funcionamento de uma c´elula SOFC. . . 104

5.15 Esquema de funcionamento do ciclo Rankine. . . . 105

6.1 Diagrama esquem´atico de uma linha de tratamento convencional de ´aguas residuais. . . 110

6.2 Diagrama simplificado do processo de estabiliza¸c˜ao anaer´obia. . . 112

6.3 Diagrama esquem´atico de um digestor de baixa carga.. . . 117

6.4 Diagrama esquem´atico de um digestor de alta carga. . . 118

6.5 Diagrama esquem´atico de um digestor de duas fases. . . 119

6.6 Formatos mais comuns dos digestores anaer´obios. a) Cil´ındrico; b) Convencional alem˜ao; c) Oval. . . 119

6.7 Representa¸c˜ao esquem´atica de sistemas de mistura e agita¸c˜ao de digestores anaer´obios. . . 128

6.8 Rela¸c˜ao entre a redu¸c˜ao da MV nas lamas estabilizadas (%) e a MV presente nas lamas a estabilizar (%) . . . 132

8.1 S´erie cronol´ogica de caudais m´edios di´arios no ano de 2015. . . 154

8.2 S´erie cronol´ogica de caudais m´edios di´arios no ano de 2015 (em m3/s).154 8.3 Curva de dura¸c˜ao de caudais no ano de 2015. . . 155

8.4 Curva de dura¸c˜ao de caudais no ano de 2015 com aproxima¸c˜ao atrav´es de uma curva de tendˆencias. . . 158

8.5 Area de explora¸c˜ao calculada pela f´ormula 8.3.´ . . . 159

8.6 Dimens˜oes do digestor anaer´obio dimensionado. . . 173

(28)
(29)

Gloss´

ario, acr´

onimos e

abreviaturas

Lista de acr´

onimos

Sigla Expans˜ao

AFC Alkaline Fuel Cell AR Aguas Residuais´

ARU Aguas Residuais Urbanas´ AT Alta Tens˜ao

BTE Baixa Tens˜ao Especial BTN Baixa Tens˜ao Normal

CBO Carˆencia Bioqu´ımica de Oxig´enio CEE Consumo Espec´ıfico Equivalente CHP Combined Heat and Power CMH Central Mini-H´ıdrica

CQO Carˆencia Qu´ımica de Oxig´enio CSTR Continuously Stirred Tank Reactor DGEG Dire¸c˜ao-Geral de Energia e Geologia DHC District Heating and Cooling

(30)

Sigla Expans˜ao

EEGO Entidade Emissora de Garantias de Origem ETAR Esta¸c˜ao de Tratamento de ´Aguas Residuais FUE Fator de Utiliza¸c˜ao de Energia

MAT Muito Alta Tens˜ao

MCFC Molten Carbonate Fuel Cell MT M´edia Tens˜ao

O&M Opera¸c˜ao e Manuten¸c˜ao PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell PCI Poder Calor´ıfico Inferior PCS Poder Calor´ıfico Superior

PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEP Poupan¸ca de Energia Prim´aria

PRE Produ¸c˜ao em Regime Especial

PRI Per´ıodo de Recupera¸c˜ao do Investimento PT Posto de Transforma¸c˜ao

REE Rendimento El´etrico Equivalente ROI Return of Investment

SOFC Solid Oxide Fuel Cell SST S´olidos Suspensos Totais ST S´olidos Totais

SSV S´olidos Suspensos Vol´ateis SV S´olidos Vol´ateis

TIR Taxa Interna de Rendibilidade TRH Tempo de Reten¸c˜ao Hidr´aulico TRS Tempo de Reten¸c˜ao de S´olidos UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket VAL Valor Atual L´ıquido

(31)

1

Introdu¸c˜

ao

1.1

Enquadramento

Com vista `a necessidade de se proporcionarem em Portugal n´ıveis de prote¸c˜ao ambiental e qualidade de vida equivalentes aos dos parceiros europeus, houve necessidade de qualificar as infraestruturas e a sua respetiva gest˜ao, de forma a alcan¸car n´ıveis de atendimento e padr˜oes de servi¸co pr´oprios dos pa´ıses desenvolvidos, designadamente no dom´ınio do saneamento de ´aguas residuais. Como tal, em Abril de 2000, o XIV Governo Constitucional aprovou o Plano Estrat´egico de Abastecimento de ´Agua e de Saneamento de ´Aguas Residuais (PEAASAR). Este plano estrat´egico, cuja concretiza¸c˜ao teve in´ıcio em 2000 e que foi elaborado para vigorar no per´ıodo 2000-2006, desempenhou um papel essencial na estrutura¸c˜ao de todo o setor do abastecimento de ´agua e do saneamento de ´aguas residuais, assegurando uma adequada utiliza¸c˜ao dos fundos comunit´arios dispon´ıveis para o setor, em resposta `as necessidades acima transcritas.

Por forma a serem alcan¸cados os objetivos estrat´egicos e serem cumpridos os prazos para utiliza¸c˜ao dos fundos comunit´arios, houve necessidade de adaptar as linhas de tratamento das ETAR de Portugal de maneira a implementar uma

(32)

2 CAP´ITULO 1. INTRODUC¸ ˜AO

linha de tratamento eficiente e que cumprisse com os requisitos impostos pela comunidade europeia. No entanto, a solu¸c˜ao adotada possui consumos energ´eticos consideravelmente elevados em algumas etapas do tratamento, mais propriamente no de arejamento do efluente.

Tendo em conta o elevado pre¸co dos equipamentos respons´aveis pela execu¸c˜ao do processo de tratamento acima mencionado, acrescido ao facto de que as infraestruturas s˜ao relativamente recentes face `a vida ´util dos mesmos, torna-se improv´avel que as entidades respons´aveis pelas instala¸c˜oes considerem a sua substitui¸c˜ao por alternativas mais eficientes, surgindo ent˜ao a necessidade de serem exploradas solu¸c˜oes de otimiza¸c˜ao energ´etica que n˜ao envolvam altera¸c˜oes a n´ıvel processual da linha de tratamento.

1.2

Objetivos e Motiva¸c˜

ao

Considerando que a altera¸c˜ao do processo de tratamento n˜ao ´e uma solu¸c˜ao vi´avel para a otimiza¸c˜ao do processo e, consequentemente, dos consumos energ´eticos, ´e necess´ario recorrer a outro tipo de solu¸c˜oes. Assim sendo, ser´a feito um estudo de viabilidade de implementa¸c˜ao de um pequeno aproveitamento hidroel´etrico para microturbinagem do caudal efluente devolvido `a natureza, um estudo de viabilidade de implementa¸c˜ao de um sistema de cogera¸c˜ao que utilize como combust´ıvel o biog´as proveniente da digest˜ao das lamas da pr´opria ETAR e ser˜ao ainda propostas metodologias de gest˜ao energ´etica.

1.3

Estrutura da Disserta¸c˜

ao

Este documento encontra-se estruturado em nove cap´ıtulos. No presente cap´ıtulo fez-se uma introdu¸c˜ao `a problem´atica em quest˜ao, bem como os objetivos propostos e a motiva¸c˜ao do trabalho.

(33)

1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAC¸ ˜AO 3

os processos de tratamento mais comuns em Portugal.

No cap´ıtulo3 s˜ao descritos alguns conceitos essenciais na ´area de gest˜ao energ´etica, bem como metodologias de aplica¸c˜ao dos mesmos por forma a obter solu¸c˜oes adequadas.

No cap´ıtulo 4 ´e apresentado o conceito de aproveitamento hidroel´etrico, a sua evolu¸c˜ao hist´orica em Portugal, os parˆametros necess´arios ao seu correto dimensionamento e ainda as caracter´ısticas dos tipos de tecnologias mais utilizadas. No cap´ıtulo 5 ´e apresentado o conceito de cogera¸c˜ao, a sua evolu¸c˜ao hist´orica em Portugal, os parˆametros necess´arios ao seu correto dimensionamento e ainda as caracter´ısticas dos tipos de tecnologias mais utilizadas.

No cap´ıtulo 6 ´e apresentado o biog´as como combust´ıvel renov´avel pass´ıvel de ser utilizado no sistema de cogera¸c˜ao, ´e feita uma descri¸c˜ao do seu processo de produ¸c˜ao, bem como fornecidos alguns parˆametros que permitem estimar o volume de metano contido no mesmo.

No cap´ıtulo 7 s˜ao apresentados alguns conceitos relacionados com an´alises econ´omicas e avalia¸c˜oes de investimentos.

No cap´ıtulo 8´e apresentado o caso de estudo utilizado para a aplica¸c˜ao das solu¸c˜oes de otimiza¸c˜ao energ´etica em estudo, bem como os resultados obtidos.

O cap´ıtulo 9 finaliza esta disserta¸c˜ao realizando uma an´alise cr´ıtica aos valores obtidos no cap´ıtulo anterior e descrevendo algumas propostas de trabalho futuro.

(34)
(35)

2

ETAR - Processos de

Tratamento

O tratamento das ´aguas residuais ´e cada vez mais um processo vital na sociedade atual devido, principalmente, `a constante diminui¸c˜ao das fontes de ´agua pot´avel, ao aumento dos custos de despejo dos res´ıduos e `as regras cada vez mais r´ıgidas no que toca aos n´ıveis de contaminantes permitidos no fluxo de ´agua devolvido `a natureza [1].

O setor municipal consome volumes relativamente grandes de ´agua e, consequentemente, gera quantidades consider´aveis de ´aguas contaminadas. As ´aguas residuais oriundas deste setor s˜ao uma combina¸c˜ao de res´ıduos provenientes das casas, com´ercios e ind´ustrias [1].

Nos pa´ıses industrializados, os primeiros processos de tratamento de ´aguas envolviam t´ecnicas puramente mecˆanicas e f´ısicas com o intuito de reduzir a quantidade de s´olidos presentes nos flu´ıdos. Devido `as suas limita¸c˜oes, tanto de resultados como de aplicabilidade, houve necessidade de recorrer a processos qu´ımicos. No in´ıcio do s´eculo XX, os problemas no que toca `a higiene da ´agua eram resolvidos com a adi¸c˜ao de cloro. Foram introduzidos tamb´em na mesma altura outros tipos de tratamento com diferentes objetivos, tais como tornar a ´agua mais b´asica ou reduzir os n´ıveis de ferro [1].

(36)

6 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

Inicialmente, a primeira etapa dos primeiros sistemas centralizados consistia na remo¸c˜ao dos s´olidos em suspens˜ao pelo uso de m´etodos f´ısicos e qu´ımicos. Posteriormente, ap´os a concretiza¸c˜ao com sucesso de alguns estudos na ´area, foram introduzidos no sistema os processos de lamas ativadas em que a mat´eria orgˆanica era estabilizada atrav´es de arejamento. Como consequˆencia, a evolu¸c˜ao tecnol´ogica destes processos levou `a mecaniza¸c˜ao dos sistemas de tratamento, principalmente no tratamento prim´ario. Quanto ao secund´ario, foram introduzidos e aperfei¸coados os processos com filtros e discos rotativos, bem como v´arias vers˜oes dos m´etodos de lamas ativadas [1][2].

A qualidade da ´agua tem sido cada vez mais prejudicada, maioritariamente devido ao consumo excessivo/desperd´ıcio e ao despejo dos res´ıduos nos solos (levando `a infiltra¸c˜ao desses mesmos res´ıduos nos len¸c´ois de ´agua). Juntamente com o aumento da polui¸c˜ao, o panorama geral tornou-se de tal maneira insustent´avel ao ponto de ser necess´ario aplicar o tratamento em ´areas que, antigamente, nem eram consideradas para tal. Por conseguinte, v´arios tratamentos avan¸cados foram introduzidos por forma a reivindicar o efluente urbano para o uso na agricultura e ind´ustria [1]. De entre todo o leque de objetivos inerentes ao tratamento de ´aguas residuais, destacam-se os seguintes [1][2]:

• Conferir e preservar as qualidades f´ısicas, qu´ımicas e biol´ogicas inerentes `a ´agua para determinados usos (i.e., consumo);

• Proteger a popula¸c˜ao de riscos desnecess´arios `a sa´ude e, em simultˆaneo, o ambiente;

• Preservar e fornecer as caracter´ısticas `a ´agua necess´arias para a conserva¸c˜ao e desenvolvimento da fauna e flora.

As aplica¸c˜oes das ETAR (Esta¸c˜oes de Tratamento de ´Aguas Residuais) abrangem v´arios setores da sociedade, principalmente na ´area da ind´ustria, uma vez que qualquer empresa cuja produ¸c˜ao necessite de ´agua para criar o seu produto final ir´a

(37)

7

ter ´aguas residuais que requerem posterior tratamento. Na ´area p´ublica, utilizam-se as ETAR no tratamento de ´aguas pluviais e de saneamento antes de efetuar a descarga para o meio ambiente [1].

Para ser poss´ıvel a aplica¸c˜ao deste tratamento, ´e necess´ario conceber infraestruturas que permitam que a ´agua seja de novo reutiliz´avel para diversos fins. Estas infraestruturas, designadas por ETAR, s˜ao esta¸c˜oes que se destinam ao tratamento de ´aguas residuais, dom´esticas ou industriais, sendo estas de extrema importˆancia para o nosso ecossistema. As ´aguas tratadas podem-se destinar a serem reutilizadas ou devolvidas aos rios, oceanos ou lagos. Existem dois tipos de reutiliza¸c˜ao [1]:

• Reutiliza¸c˜ao indireta: a ´agua tratada ´e lan¸cada num ciclo hidrol´ogico e ´e utilizada para capta¸c˜oes de ´agua e/ou produ¸c˜ao de ´agua para o consumo humano;

• Reutiliza¸c˜ao direta: a ´agua ´e utilizada para diversas situa¸c˜oes, sem ser para o consumo humano.

A tabela 2.1 apresenta algumas aplica¸c˜oes das ´aguas residuais tratadas [2].

Tabela 2.1– Aplica¸c˜oes das ´aguas residuais tratadas. Adaptado de [2].

Rega Agr´ıcola (culturas, viveiros);

Paisag´ıstica (parques, campos de golfe, jardins.) Abastecimento industrial Arrefecimento, caldeiras, constru¸c˜ao pesada Recarga de aqu´ıferos Refor¸co de volume de ´aguas subterrˆaneas

Usos urbanos Lavagem de ruas, limpeza de coletores, prote¸c˜ao contra incˆendios

Atividades recreativas Lagos, lagoas, aumento de caudal de ribeiros, pesca

(38)

8 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

2.1

Enquadramento Legislativo

2.1.1

Legisla¸c˜

ao Referente ao Dimensionamento do Grau de

Tratamento

A legisla¸c˜ao classifica os corpos de ´agua em fun¸c˜ao dos seus usos predominantes, tendo sido estabelecidos, para cada classe de ´agua, os padr˜oes de qualidade a serem obedecidos. A legisla¸c˜ao tida em conta de modo a definir o grau de tratamento ser´a brevemente descrita de seguida:

• Decreto-Lei n.o

236/98, de 01 de Agosto: Estabelece normas, crit´erios e objetivos de qualidade com a finalidade de proteger o meio aqu´atico e melhorar a qualidade das ´aguas em fun¸c˜ao dos seus principais usos, definindo os requisitos a observar na utiliza¸c˜ao das ´aguas para os seguintes fins: ´aguas para consumo humano, ´aguas para suporte da vida aqu´ıcola, ´aguas balneares e ´aguas de rega; assim como as normas de descarga das ´aguas residuais na ´agua e no solo. Atribui competˆencias a diversas entidades relativa e especificamente a cada um daqueles dom´ınios, no que respeita ao licenciamento, inspe¸c˜ao, fiscaliza¸c˜ao, vigilˆancia e classifica¸c˜ao e invent´ario das ´aguas;

• Decreto-Lei n.o

152/97, de 19 de Junho: Transp˜oe para o direito interno a Diretiva n.o 91/271/CEE, do Conselho, de 21 de Maio de 1991, relativamente

ao tratamento de ´aguas residuais urbanas; • Decreto-Lei n.o

73/2011, de 17 de Junho: Procede `a terceira altera¸c˜ao ao Decreto-Lei n.o 178/2006, de 5 de Setembro, transp˜oe a Diretiva n.o

2008/98/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 19 de Novembro, relativa aos res´ıduos, e procede `a altera¸c˜ao de diversos regimes jur´ıdicos na ´area dos res´ıduos;

• Decreto-Lei n.o

276/2009, de 2 de outubro: Estabelece o regime de utiliza¸c˜ao de lamas de depura¸c˜ao em solos agr´ıcolas, transpondo para a ordem jur´ıdica interna a Diretiva n.o 86/278/CEE, do Conselho, de 12 de junho,

(39)

2.1. ENQUADRAMENTO LEGISLATIVO 9

relativa `a valoriza¸c˜ao agr´ıcola de lamas de depura¸c˜ao, de modo a evitar efeitos nocivos para o homem, para a ´agua, para os solos, para a vegeta¸c˜ao, para os animais e o ambiente em geral, promovendo a sua correta utiliza¸c˜ao.

• Decreto-Lei n.o

85/2005, de 28 de Abril: Estabelece os princ´ıpios e as normas reguladoras da gest˜ao dos res´ıduos, nas diversas vertentes da recolha, transporte, armazenagem, tratamento, valoriza¸c˜ao e elimina¸c˜ao, atentas as finalidades de redu¸c˜ao da produ¸c˜ao de res´ıduos e de promo¸c˜ao da sua reutiliza¸c˜ao e reciclagem, com vista `a prote¸c˜ao da sa´ude humana e do ambiente, tal como preconizado na Lei n.o 11/87, de 7 de Abril, a Lei de Bases do

Ambiente.

• Decreto-Lei n.o

183/2009, de 10 de Agosto: Estabelece o regime jur´ıdico da deposi¸c˜ao de res´ıduos em aterro, as caracter´ısticas t´ecnicas e os requisitos a observar na conce¸c˜ao, licenciamento, constru¸c˜ao, explora¸c˜ao, encerramento e p´os-encerramento de aterros;

• Diretiva n.o

2012/27/UE, do Conselho, de 25 de Outubro: Estabelece o regime jur´ıdico da deposi¸c˜ao de res´ıduos em aterro, as caracter´ısticas t´ecnicas e os requisitos a observar na conce¸c˜ao, licenciamento, constru¸c˜ao, explora¸c˜ao, encerramento e p´os?encerramento de aterros;

• Diretiva n.o

2004/8/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 11 de Fevereiro: Relativa `a promo¸c˜ao da cogera¸c˜ao (que altera a Diretiva 92/42/CEE) foi adotada em 2004 para apoiar o desenvolvimento e a utiliza¸c˜ao da cogera¸c˜ao ou da produ¸c˜ao combinada de calor e eletricidade (PCCE) na UE.

• Decreto-Lei n.o

231/2012, de 26 de Outubro: Altera e republica o Decreto-Lei n.o 30/2006, de 15 de Fevereiro, que estabelece as bases

gerais de organiza¸c˜ao e funcionamento do Sistema Nacional de G´as Natural, bem como as bases gerais aplic´aveis ao exerc´ıcio das atividades de rece¸c˜ao, armazenamento, transporte, distribui¸c˜ao e comercializa¸c˜ao de g´as natural e `a organiza¸c˜ao dos mercados de g´as natural.

(40)

10 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

2.1.2

Legisla¸c˜

ao Referente ao Dimensionamento El´

etrico

• Subesta¸c˜oes e postos de transforma¸c˜ao:

— Regulamento de Seguran¸ca de Subesta¸c˜oes e Postos de Transforma¸c˜ao e de Seccionamento.

• Equipamentos de utiliza¸c˜ao:

— Decreto-Lei 117/88 - I de 1988-04-12: transp˜oe a Diretiva da Baixa Tens˜ao; estabelece os objetivos e condi¸c˜oes de seguran¸ca a que deve obedecer todo o equipamento el´etrico destinado a ser utilizado em instala¸c˜oes cuja tens˜ao nominal esteja compreendida entre 50 V e 1000 V em corrente alternada ou entre 75 V e 1500 V em corrente cont´ınua;

— Decreto-Lei 139/95 - I de 1995-06-14: Altera diversa legisla¸c˜ao no ˆambito dos requisitos de seguran¸ca e identifica¸c˜ao a que devem obedecer o fabrico e comercializa¸c˜ao de determinados produtos e equipamentos, com altera¸c˜oes ao Decreto-Lei 117/88 e outros;

— Decreto-Lei 374/98: que transcreve as prescri¸c˜oes m´ınimas de seguran¸ca a que devem obedecer o fabrico e comercializa¸c˜ao de m´aquinas, de instrumentos de medi¸c˜ao e de equipamentos de prote¸c˜ao individual;

— Portaria 98/96: que fixa o regime e grafismo a aplicar no material el´etrico destinado a ser utilizado dentro de certos limites de tens˜ao.

• Instala¸c˜oes de utiliza¸c˜ao:

— Decreto-Lei 303/76 - I de 1976-04-26: Introduz altera¸c˜oes no Decreto-Lei n.o 740/74, de 26 de Dezembro, que aprova o Regulamento de

Seguran¸ca de Instala¸c˜oes de Utiliza¸c˜ao de Energia El´etrica e o Regulamento de Seguran¸ca de Instala¸c˜oes Coletivas de Edif´ıcios e Entradas;

— Decreto-Lei 393/85 - I de 1985-10-09: Aprova o Regulamento de Seguran¸ca de Instala¸c˜oes El´ectricas de Parques de Campismo e de Marinas (RPCM);

(41)

2.1. ENQUADRAMENTO LEGISLATIVO 11

— Decreto-Lei 77/90 - I de 1990-03-12: Isenta de licenciamento municipal as instala¸c˜oes el´ectricas que resultem de acto administrativo que determine o embargo e demoli¸c˜ao de obras que violem a legisla¸c˜ao urban´ıstica;

— Decreto Regulamentar no

90/84 de 26 de Dezembro: Estabelece disposi¸c˜oes relativas ao estabelecimento e `a explora¸c˜ao das redes de distribui¸c˜ao de energia el´etrica em baixa tens˜ao;

— Portaria 949-A/2006 - 2006-09-11: Regras t´ecnicas de instala¸c˜oes el´etricas de Baixa Tens˜ao.

• Compatibilidade eletromagn´etica:

— Decreto-Lei 74/92 de 29 de Abril: Transp˜oe para a ordem jur´ıdica interna a diretiva n´umero 89/336/CEE (EUR-Lex), do conselho, de 3 de Maio de 1989, respeitante `a compatibilidade eletromagn´etica por forma a garantir a livre circula¸c˜ao dos aparelhos el´etricos e eletr´onicos;

— Decreto-Lei 767-A/93 de 31 de Agosto: define as regras e caracter´ısticas t´ecnicas dos aparelhos contemplados na diretiva numero 89/336/CEE (EUR-Lex), do conselho , de 3 de maio (na reda¸c˜ao dada pela diretiva numero 92/31/CEE (EUR-Lex) de 28 de abril), e as regras balizadoras da emiss˜ao pelo instituto das comunica¸c˜oes de Portugal, do certificado de tipo ce de conformidade e marca¸c˜ao de aparelhos el´etricos e eletr´onicos, seus componentes, bem como de equipamentos e instala¸c˜oes que contem elementos el´etricos e ou eletr´onicos;

— Decreto-Lei 98/95 de 17 de Maio: altera o decreto lei 74/92, de 29 de abril (transpˆos para a ordem jur´ıdica interna a diretiva 89/336/CEE (EUR-Lex), do conselho, de 3 de maio de 1989, relativa a compatibilidade eletromagn´etica) introduzindo no ordenamento jur´ıdico o disposto na diretiva 93/68/CEE (EUR-Lex), do conselho de 22 de julho que alterou aquele ato comunit´ario.

• Quadros el´etricos:

(42)

12 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

— EN 60439-1/A1 de 2004 - parte 1 aplic´avel a quadros de distribui¸c˜ao; — EN 60439-3/91 aplic´avel a quadros de distribui¸c˜ao;

— EN 60439-3/A1 de 1994 aplic´avel a quadros de utiliza¸c˜ao; — EN 60439-3/A2 de 2001 aplic´avel a quadros de utiliza¸c˜ao; — EN 60204-1 de 1997 aplic´avel a quadros de comando.

2.2

Caracteriza¸c˜

ao das ´

Aguas Residuais

Segundo os autores de [1] as ´aguas residuais s˜ao normalmente geradas por cinco principais fontes: humana e res´ıduos animais, res´ıduos dom´esticos, res´ıduos industriais, escoamento de ´aguas pluviais e infiltra¸c˜ao de ´aguas subterrˆaneas.

• Humana e res´ıduos animais — Cont´em as descargas s´olidas e l´ıquidas de seres humanos e animais e ´e considerada por muitos como sendo a mais perigosa do ponto de vista da sa´ude humana. O principal perigo para a sa´ude ´e representado pelos milh˜oes de bact´erias, v´ırus e outros microrganismos (muitos dos quais podendo ser patog´enicos) presentes na corrente de res´ıduos.

• Res´ıduos dom´esticos — Consiste em res´ıduos, com exce¸c˜ao dos res´ıduos humanos e animais, provenientes de habita¸c˜oes. Res´ıduos dom´esticos contˆem normalmente papel, produtos de limpeza, detergentes, lixo e outras substˆancias que o propriet´ario descarrega para o sistema de esgoto.

• Res´ıduos industriais — Inclui materiais espec´ıficos da ind´ustria que podem ser descarregados a partir de processos industriais para o sistema de coleta. Normalmente cont´em produtos qu´ımicos, corantes, ´acidos, detergentes e materiais altamente t´oxicos.

• Escoamento de ´aguas pluviais — Muitos sistemas de recolha s˜ao projetados para transportar ambos os res´ıduos da comunidade e escoamento de ´aguas pluviais. Neste tipo de sistema, em evento de tempestade, a corrente

(43)

2.2. CARACTERIZAC¸ ˜AO DAS ´AGUAS RESIDUAIS 13

de res´ıduos pode conter grandes quantidades de areia, cascalho, e outros gr˜aos, bem como quantidades excessivas de ´agua.

• Infiltra¸c˜ao de ´aguas subterrˆaneas — ´Aguas subterrˆaneas poder˜ao entrar em sistemas de recolha indevidamente fechados (mais antigos) atrav´es de fendas ou juntas de tubos sem lacre. N˜ao s´o podem adicionar grandes quantidades de ´agua para os fluxos residuais bem como grandes quantidades de compostos inorgˆanicos (areias, metais).

A tabela 2.2 apresenta algumas das caracter´ısticas f´ısicas, qu´ımicas e biol´ogicas das AR ( ´Aguas Residuais) urbanas e as suas origens [1] [2]:

(44)

14 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

Tabela 2.2– Caracter´ısticas das ´aguas residuais urbanas e as suas origens. Adaptado de [2]. Caracter´ısticas Parˆametros Origem

F´ısicas

Cor

Res´ıduos dom´esticos ou industriais e decomposi¸c˜ao de mat´eria orgˆanica.

Cheiro Decomposi¸c˜ao de substˆancias. Temperatura AR dom´esticas/industriais

S´olidos

´

Agua de abastecimento, Eros˜ao, infiltra¸c˜oes e AR dom´esticas. e/ou industriais Qu´ımicas Orgˆanicos Carbohidratos AR dom´esticas/industriais Prote´ınas ´ Oleos e gorduras Detergentes

Pesticidas Res´ıduos agr´ıcolas Fen´ois AR industriais Compostos vol´ateis AR dom´esticas/industriais Compostos Carcinog´enicos Inorgˆanicos Alcalinidade AR dom´esticas/industriais, Cloretos ´agua pot´avel e ´agua

subterrˆanea infiltrada Metais pesados AR industriais

Azoto AR dom´esticas e escorrˆencias agro-pecu´arias F´osforo AR dom´esticas/industriais e escorrˆencias naturais pH AR dom´esticas/industriais Enxofre AR dom´esticas/industriais e ´aguas de abastecimento Gases ´

Acidos sulf´ıdrico e metano Decomposi¸c˜ao de AR dom´esticas Oxig´enio Agua de abastecimento e´

infiltra¸c˜ao de ´aguas superficiais Biol´ogicos Plantas e animais Cursos de ´agua e ETAR

(45)

2.3. CARACTER´ISTICAS T´IPICAS DE QUALIDADE DAS ´AGUAS RESIDUAIS 15

2.3

Caracter´ısticas T´ıpicas de Qualidade das

´

Aguas Residuais

As ´aguas residuais podem conter v´arias substˆancias diferentes que podem ser utilizadas na sua caracteriza¸c˜ao. Quantidades, concentra¸c˜oes e especificidades est˜ao relacionadas com a sua origem, tornando a tarefa de precisamente as caracterizar relativamente complicada. No entanto, existem trˆes pontos principais utilizados na sua caracteriza¸c˜ao: parˆametros f´ısicos, qu´ımicos e biol´ogicos.

2.3.1

Caracter´ısticas F´ısicas

De acordo com os autores de [1], as caracter´ısticas f´ısicas de qualidade das AR s˜ao baseadas na sua cor, odor, temperatura e fluidez:

• Cor: ´Aguas residuais recentes geralmente possuem uma cor castanho-cinza claro. No entanto, a cor t´ıpica ´e cinzento e possuem uma aparˆencia enevoada. Este parˆametro ´e alterado significativamente se as AR chegarem ao ponto de ficarem s´epticas, em que neste caso a sua cor ´e negra;

• Odor: Os odores produzidos pelas AR dom´esticas s˜ao geralmente causados pelos gases produzidos aquando da decomposi¸c˜ao da mat´eria orgˆanica ou por outras substˆancias adicionadas ao fluxo. ´Aguas residuais recentes possuem um odor a mofo, enquanto que se chegarem ao ponto de se tornarem s´epticas o odor muda completamente assemelhando-se ao de putrefa¸c˜ao que est´a associado `a produ¸c˜ao de Sulfureto de Hidrog´enio (H2S);

• Temperatura: A temperatura das AR ´e geralmente superior `a da de abastecimento devido `a adi¸c˜ao de ´aguas com temperaturas superiores provenientes de domic´ılios ou ind´ustrias. No entanto, poder˜ao haver grandes flutua¸c˜oes neste parˆametro caso existam quantidades significativas de infiltra¸c˜ao de ´aguas pluviais;

(46)

16 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

• Fluidez: O volume de efluente ´e tamb´em utilizado como uma caracteriza¸c˜ao f´ısica das AR e ´e normalmente expresso em termos de litros por pessoa por dia. A maioria das instala¸c˜oes de tratamento foram concebidas para receber um fluxo m´edio de 100 a 200 litros por pessoa por dia. Este valor poder´a ter de ser revistos de modo a refletir o grau das infiltra¸c˜oes ou o fluxo de ´aguas pluviais que a esta¸c˜ao recebe.

2.3.2

Caracter´ısticas Qu´ımicas

As caracter´ısticas qu´ımicas de qualidade das ´aguas residuais s˜ao baseadas na alcalinidade, CBO (Carˆencia Bioqu´ımica de Oxig´enio), CQO (Carˆencia Qu´ımica de Oxig´enio), gases dissolvidos, compostos de azoto, pH, f´osforo, tipo de s´olidos presentes e ´agua [1].

• Alcalinidade: ´E a capacidade das AR de neutralizar ´acidos, medida em termos de bicarbonato, carbono e alcalinidade hidr´oxida, sendo extremamente ´

util na medida em que proporciona a habilidade de manter ou amortecer varia¸c˜oes no pH (mantendo-o neutro) durante os processos de tratamento biol´ogico;

• CBO: Mede a quantidade de mat´eria biodegrad´avel nas AR;

• CQO: ´E a medida da quantidade de mat´eria oxid´avel presente nas AR, sendo este valor altamente inflacionado caso os res´ıduos tenham proveniˆencia industrial;

• Gases dissolvidos: Os gases espec´ıficos e as concentra¸c˜oes normais baseiam-se na composi¸c˜ao das AR. As AR dom´esticas comuns cont´em oxig´enio (em concentra¸c˜oes relativamente baixas), di´oxido de carbono e sulfureto de hidrog´enio (em condi¸c˜oes s´epticas);

• Compostos de azoto: O tipo e a quantidade de azoto presente ir´a variar a partir do efluente bruto para o tratado, sendo que este segue um ciclo de

(47)

2.3. CARACTER´ISTICAS T´IPICAS DE QUALIDADE DAS ´AGUAS RESIDUAIS 17

oxida¸c˜ao-redu¸c˜ao. A maior parte do azoto em ´aguas residuais n˜ao tratadas ir´a estar nas formas de azoto orgˆanico e amoniacal;

• pH: O pH ´e um m´etodo para expressar o estado de acidez do efluente, sendo expresso numa escala de 1 a 14. Para um tratamento adequado, o pH das AR deve normalmente estar numa gama de 6,5 a 9,0 (preferencialmente entre 6,5 e 8,0);

• F´osforo: O f´osforo ´e essencial para a atividade biol´ogica e deve estar presente em determinadas quantidades m´ınimas ou, caso contr´ario, o processos de tratamento secund´ario n˜ao ser´a executado. Quantidades excessivas podem danificar o fluxo e causar um crescimento excessivo de algas. A remo¸c˜ao dos compostos de fosfato dos detergentes tem tido um impacto relativamente significativo nos valores de f´osforo das AR.

• S´olidos: A maioria dos poluentes encontrados nas AR podem ser classificados como s´olidos. Os tratamentos t´ıpicos relacionados com a sua remo¸c˜ao s˜ao para tal concebidos, ou seja, envolvem a remo¸c˜ao de s´olidos ou a sua convers˜ao para uma forma mais est´avel que possa ser removida mais facilmente e com maior eficiˆencia. Os s´olidos podem ser classificados de acordo com a sua composi¸c˜ao qu´ımica (orgˆanicos ou inorgˆanicos) ou pelas suas caracter´ısticas f´ısicas (sediment´avel, flutuante ou coloidal):

– Orgˆanicos: Consistem em carbono, hidrog´enio, ou azoto e podem ser convertidos em di´oxido de carbono e ´agua atrav´es de aquecimento (550oC);

– Inorgˆanicos: S´olidos minerais que n˜ao s˜ao afetados pela temperatura; – Suspensos: Estes s´olidos n˜ao passar˜ao atrav´es de um filtro de fibra

de vidro. Podem posteriormente ser classificados como totalmente suspensos, suspensos vol´ateis ou suspensos fixos que, por sua vez, podem ser separados de acordo com as caracter´ısticas de sedimenta¸c˜ao: sediment´aveis, flutuantes ou coloidais;

(48)

18 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

– Dissolvidos: Ao contr´ario dos s´olidos suspensos, os s´olidos dissolvidos n˜ao ficam retidos em filtros de fibra de vidro. Podem tamb´em ser classificados em totalmente dissolvidos, vol´ateis dissolvidos e dissolvidos fixos.

• ´Agua: Por norma o maior constituinte das AR. Na maioria dos casos totaliza a quantidade entre 99.5% e 99.9%. Mesmo em ´aguas extremamente contaminadas, o total de res´ıduos presentes n˜ao ´e superior a 0.5% do total.

2.3.3

Caracter´ısticas biol´

ogicas

Depois do fluxo de AR ser submetido `a parte f´ısica do tratamento (isto ´e, gradagem, desarenamento, sedimenta¸c˜ao) no tratamento preliminar e prim´ario, cont´em ainda alguns s´olidos em suspens˜ao e dissolvidos presentes na ´agua. Num fluxo natural, tais substˆancias s˜ao uma fonte de alimento para protozo´arios, fungos, algas, e outras variedades de bact´erias. No tratamento secund´ario, estes mesmos microrganismos (que s˜ao uma das principais raz˜oes para o tratamento das AR) s˜ao for¸cados a trabalhar t˜ao r´apido quanto podem biologicamente com o intuito de converter os s´olidos dissolvidos s´olidos suspensos que posteriormente ir˜ao sedimentar. O efluente bruto normalmente cont´em milh˜oes de organismos que, na sua maioria, n˜ao s˜ao patog´enicos. No entanto existe sempre a possibilidade da existˆencia de v´arios organismos patog´enicos que podem incluir os organismos respons´aveis por doen¸cas como a febre tif´oide, t´etano, hepatite, disenteria, gastroenterite, entre outras [1].

2.4

Descri¸c˜

ao dos Tratamentos T´ıpicos de ´

Aguas

Residuais

2.4.1

Tratamento Preliminar

A etapa inicial do processo de tratamento de ´aguas residuais (ap´os a recolha e bombeamento do efluente) ´e o tratamento preliminar. O objetivo deste tratamento

(49)

2.4. DESCRIC¸ ˜AO DOS TRATAMENTOS T´IPICOS DE ´AGUAS RESIDUAIS 19

´e a prote¸c˜ao de todo o equipamento da esta¸c˜ao ao remover certos materiais ou objetos que possam causar obstru¸c˜oes, entupimentos ou desgastes excessivos das m´aquinas a jusante. Al´em disso, a remo¸c˜ao de parte da massa que aflui `a esta¸c˜ao permite economizar espa¸co dentro da mesma, espa¸co este que ´e valioso tanto a n´ıvel econ´omico como a n´ıvel processual. O tratamento preliminar pode incluir v´arios tipos de tratamento, cada um especialmente designado `a remo¸c˜ao de um tipo espec´ıfico de substˆancia ou material. Os processos inclu´ıdos nesta fase inicial podem incluir [1]: • Gradagem; • Tritura¸c˜ao; • Desarenamento; • Pr´e-arejamento; • Adi¸c˜ao de qu´ımicos; • Equaliza¸c˜ao do fluxo.

Os tratamentos principais e mais comummente utilizados s˜ao apresentados na figura

(50)

20 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

Figura 2.1 – Esquem´atico de um exemplo do processo de tratamento que providencia fase prim´aria e secund´aria utilizando o processo de lamas ativadas. Fonte: [1]

2.4.1.1 Gradagem

O objetivo da gradagem ´e a remo¸c˜ao de s´olidos de grandes dimens˜oes, tais como tecidos, latas, pedras, ramos, folhas e/ou ra´ızes, antes que o fluxo progrida para os tratamentos a jusante. ´E utilizada, geralmente, uma grelha que ret´em os s´olidos de maiores dimens˜oes `a medida que ´e atravessada pelo fluxo de AR, podendo ser constitu´ıda por uma s´erie de barras em paralelo igualmente espa¸cadas ou por uma placa met´alica perfurada. A figura 2.2 demonstra um exemplo do esquem´atico de funcionamento de uma grelha de barras. O design da grelha aplicada ir´a depender do tipo de sistema implementado, bem como da quantidade e propor¸c˜ao dos s´olidos espet´aveis de aflu´ırem `a esta¸c˜ao de tratamento [1].

2.4.1.2 Tritura¸c˜ao

Como alternativa `a gradagem, a tritura¸c˜ao ´e utilizada no sentido de reduzir o tamanho dos s´olidos para um tamanho aceit´avel de modo a n˜ao causar danos ou problemas mecˆanicos nos processos a jusante. Geralmente o processo ´e dividido em duas partes: fragmenta¸c˜ao e reten¸c˜ao [1] [2].

(51)

2.4. DESCRIC¸ ˜AO DOS TRATAMENTOS T´IPICOS DE ´AGUAS RESIDUAIS 21

Figura 2.2 – Esquema de opera¸c˜ao de uma grelha de barras. Fonte: [1]

lˆaminas de corte circular (sendo que geralmente uma delas ´e est´atica), como pode ser observado na figura 2.3 [1].

Este mecanismo consiste na passagem de todo o fluxo de AR pelo equipamento, que tritura todos os s´olidos presentes no mesmo. No entanto, o equipamento n˜ao remove s´olidos que possuam dimens˜oes demasiado grandes para entrarem na zona de tritura¸c˜ao, nem objetos que estejam a flutuar, tendo esta opera¸c˜ao que ser feita manualmente [1] [2].

Na reten¸c˜ao dos s´olidos, geralmente ´e utilizado uma grelha, como a apresentada na figura 2.4, com o objetivo de remover os s´olidos triturados previamente.

2.4.1.3 Desarenamento

O objetivo do desarenamento ´e a remo¸c˜ao dos s´olidos inorgˆanicos que possam causar um desgaste excessivo nos equipamentos. Os s´olidos em quest˜ao podem ser areias,

(52)

22 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

Figura 2.3– Triturador de corte circular. Fonte: [1]

cascalhos, argilas, cascas de ovo, gr˜aos de caf´e, limalhas, sementes e outros materiais semelhantes. Todos os processos destinados `a sua remo¸c˜ao baseiam-se no fato de que materiais inorgˆanicos s˜ao mais leves que materiais orgˆanicos, requerendo um certo tempo de suspens˜ao do fluxo de modo a resultar num melhor assentamento dos s´olidos para futuro tratamento, que pode utilizar gravidade e velocidade, arejamento ou for¸ca centr´ıfuga de forma a separ´a-los do fluxo de AR (figura 2.5) [1] [2].

2.4.1.4 Pr´e-arejamento

No processo de pr´e-arejamento (difuso ou mecˆanico) as AR s˜ao arejadas com o intuito de manter um estado aer´obio do efluente (para revigorar ´aguas s´epticas), remover sulfato de hidrog´enio (para reduzir odores e prevenir corros˜ao), agitar os s´olidos (para libertar gases retidos e melhorar a sedimenta¸c˜ao) e reduzir o CBO, bastando para tal um arejamento de 10 a 30 minutos (ou 45 a 60 minutos para reduzir o CBO) [1]. Na figura 2.6 est´a representado um tanque de arejamento instalado na ETAR de Santo Emili˜ao.

(53)

2.4. DESCRIC¸ ˜AO DOS TRATAMENTOS T´IPICOS DE ´AGUAS RESIDUAIS 23

Figura 2.4– Grelha de barras paralelas.

2.4.1.5 Adi¸c˜ao de Qu´ımicos

A adi¸c˜ao de produtos qu´ımicos ´e realizada com o intuito de melhorar a sedimenta¸c˜ao, reduzir odores, neutralizar ´acidos ou bases, reduzir a corros˜ao, reduzir o CBO, melhorar a remo¸c˜ao de s´olidos e de gorduras, reduzir a carga na esta¸c˜ao de tratamento, adicionar ou remover nutrientes, adicionar organismos e auxiliar os processos a jusante. Os produtos qu´ımicos devem ser adicionados num ponto onde ocorra mistura suficiente no efluente a fim de obter o m´aximo benef´ıcio. Os aditivos normalmente utilizados no tratamento de ´aguas residuais incluem o cloro, per´oxido, ´acidos e bases, sais minerais (cloreto f´errico, alum´ınio), bio-aditivos e enzimas [1].

2.4.2

Tratamento Prim´

ario

A finalidade do tratamento prim´ario (ou sedimenta¸c˜ao) ´e a remo¸c˜ao dos s´olidos orgˆanicos e flutuantes suscet´ıveis a sedimenta¸c˜ao. Normalmente, em cada unidade de tratamento ´e esperada a remo¸c˜ao de 90 a 95% dos s´olidos sediment´aveis, 40 a 60% de SST (S´olidos Sol´uveis Totais) e 25 a 35% de CBO. Este tratamento atua como um precursor do tratamento secund´ario e destina-se principalmente `a produ¸c˜ao de um efluente liquido adequado para o tratamento biol´ogico a jusante e `a separa¸c˜ao de

(54)

24 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

Figura 2.5 – Princ´ıpio de funcionamento de um tanque de desarenamento por gravidade. Fonte: [3].

s´olidos tais como lamas que podem ser convenientemente e economicamente tratadas antes de serem descartadas [1].

2.4.2.1 Descri¸c˜ao do Processo

Numa primeira fase de tratamento, o efluente ´e encaminhado para um tanque de sedimenta¸c˜ao. Os s´olidos que s˜ao mais pesados que a ´agua depositam-se no fundo do canal/recipiente, enquanto que os s´olidos que s˜ao mais leves boiam at´e `a superf´ıcie. Os s´olidos depositados s˜ao removidos na forma de lamas e os flutuantes s˜ao removidos como esc´oria. Na altura devida, o efluente deixa o tanque de sedimenta¸c˜ao e passa para a pr´oxima etapa de tratamento. Tempos de reten¸c˜ao, temperatura, design do tanque e estado do equipamento s˜ao os principais elementos que condicionam a eficiˆencia do processo [1].

(55)

2.4. DESCRIC¸ ˜AO DOS TRATAMENTOS T´IPICOS DE ´AGUAS RESIDUAIS 25

Figura 2.6 – Tanque de arejamento na ETAR de Santo Emili˜ao, Vieira do Minho.

2.4.2.2 Vis˜ao Geral do Processo de Tratamento Prim´ario

• Reduz a carga orgˆanica do efluente nos processos de tratamento a jusante atrav´es da remo¸c˜ao de uma grande quantidade de materiais sediment´aveis, suspensos e flutuantes [1];

• Reduz a velocidade do efluente atrav´es de um clarificador de modo a que os processos de sedimenta¸c˜ao e flutua¸c˜ao possam ter lugar. Esta diminui¸c˜ao de velocidade do fluxo aumenta a eficiˆencia da remo¸c˜ao de s´olidos suspensos [1]; • Os tanques de sedimenta¸c˜ao removem as substˆancias flutuantes e os s´olidos depositados, que posteriormente s˜ao despojados ou encaminhados para mais tratamentos a jusante [1];

(56)

26 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

efluente flui de um lado para o outro, enquanto que o lodo depositado no fundo ´e transferido para uma extremidade em forma de funil. Os s´olidos flutuantes s˜ao removidos por uma ponte raspadora [1];

• Em tanques com forma circular, geralmente o efluente entra pelo meio e flui para fora. Os s´olidos sedimentados s˜ao empurrados para um funil no centro do tanque, enquanto que os res´ıduos flutuantes s˜ao removidos por uma ponte raspadora [1];

• Fatores que influenciam a eficiˆencia do processo de sedimenta¸c˜ao [1]: – Velocidade com que flui atrav´es do tanque de sedimenta¸c˜ao;

– Caracter´ısticas do efluente (temperatura, quantidade de res´ıduos industriais, densidade, tamanho dos res´ıduos, entre outros);

– Eficiˆencia dos processos a montante; – Natureza e quantidade de res´ıduos.

2.4.2.3 Percentagem Esperada de Remo¸c˜ao de S´olidos

Os intervalos esperados em percentagem de remo¸c˜ao de part´ıculas durante a fase de tratamento prim´ario s˜ao [1]:

Tabela 2.3 – Intervalos esperados de remo¸c˜ao de part´ıculas durante a fase de tratamento prim´ario. Fonte: [1]

S´olidos sedimentados 90-95% S´olidos suspensos 40-60%

CBO 25-35%

2.4.3

Tratamento Secund´

ario

Tratamento Secund´ario – Tem como finalidade a remo¸c˜ao de compostos orgˆanicos sol´uveis e coloidais e de part´ıculas s´olidas em suspens˜ao que escaparam ao

(57)

2.5. DESCRIC¸ ˜AO DAS OPERAC¸ ˜OES E PROCESSOS SELECIONADOS 27

tratamento prim´ario. Normalmente, isto ´e feito atrav´es de processos biol´ogicos, nomeadamente o tratamento por lamas ativadas, reatores biol´ogicos, ou sistemas de lagoas e sedimenta¸c˜ao [1] [2].

2.4.4

Tratamento Terci´

ario

Tratamento Terci´ario – Nem todas as ETAR possuem este tratamento. ´E usado geralmente quando o efluente final requer condi¸c˜oes mais exigentes ”em termos microbiol´ogicos”. O tratamento terci´ario vai al´em do n´ıvel de tratamento secund´ario convencional, incidindo principalmente na remo¸c˜ao de s´olidos e microrganismos. Juntamente com os processos de remo¸c˜ao de nutrientes biol´ogicos, os processos normalmente utilizados para este prop´osito s˜ao micro-Tamisa¸c˜ao e desinfe¸c˜ao [1] [2].

2.5

Descri¸c˜

ao

das

Opera¸c˜

oes

e

Processos

selecionados

Em Portugal, existem v´arios modelos de ETAR com diferentes processos de tratamento. No entanto, apenas ser˜ao descritos os mais frequentemente utilizados e com mais relevˆancia para a problem´atica em quest˜ao.

2.5.1

Tamisa¸c˜

ao

O processo de tamisa¸c˜ao remove poluentes de grandes dimens˜oes de forma a proteger os equipamentos e processos seguintes de sofrerem danos. Os equipamentos podem ser constitu´ıdos por barras paralelas, redes de arame ou placas met´alicas perfuradas. As aberturas podem ser de qualquer forma geom´etrica mas s˜ao geralmente circulares ou retangulares. Os materiais retidos neste procedimento s˜ao colocados em aterros ou queimados, ou ent˜ao postos novamente no fluxo residual depois de triturados [1].

(58)

28 CAP´ITULO 2. ETAR - PROCESSOS DE TRATAMENTO

2.5.2

Desarenamento/Desengorduramento

A opera¸c˜ao de desarenamento destina-se a remover do efluente os materiais mais pesados (em geral metais, areias, carv˜ao, entre outros), permitindo a passagem de s´olidos de natureza orgˆanica. A inclus˜ao do desarenamento no sistema de tratamento permite evitar a ocorrˆencia de dep´ositos de areias nos canais e condutas, protegendo os equipamentos contra desgaste de abras˜ao, evitando ainda a sobrecarga dos ´org˜aos de tratamento a jusante. A extrac¸c˜ao de areias que se depositam no fundo ´e efetuada por bombagem, associada ao funcionamento de uma ponte raspadora. O desengorduramento permite remover as gorduras atrav´es da emuls˜ao das mesmas (com o aux´ılio da ponte raspadora, estas s˜ao armazenadas em dep´ositos destinados para o efeito) evitando que estas se acumulem nos reatores e prejudiquem o tratamento biol´ogico [1].

2.5.3

Tratamento Biol´

ogico Anaer´

obio - Remo¸c˜

ao do

osforo

O f´osforo aparece na ´agua como Ortofosfato, polifosfato ou f´osforo orgˆanico. As bact´erias utilizam o f´osforo durante a s´ıntese de c´elulas e transporte de energia. Desta forma, 10% a 30% de todo o f´osforo dos afluentes ´e removido durante o tratamento biol´ogico secund´ario. Podem ser removidas maiores quantidades deste composto se forem usados processos biol´ogicos especializados na sua remo¸c˜ao. Estes processos s˜ao baseados na exposi¸c˜ao dos microrganismos a ambientes anaer´obios e aer´obios alternadamente, exercendo, desta forma, press˜ao sobre os mesmos e fazendo com que absorvam mais f´osforo que o habitual [1].

2.5.4

Tratamento Biol´

ogico Aer´

obio - Remo¸c˜

ao do Azoto

A Nitrifica¸c˜ao ´e o primeiro passo na remo¸c˜ao do azoto. Corresponde `a oxida¸c˜ao biol´ogica da Am´onia a Nitrato com a forma¸c˜ao de Nitrito como intermedi´ario, sob condi¸c˜oes aer´obias. A convers˜ao a Nitritos e Nitratos envolve duas esp´ecies de

(59)

2.5. DESCRIC¸ ˜AO DAS OPERAC¸ ˜OES E PROCESSOS SELECIONADOS 29

bact´erias autotr´oficas1 espec´ıficas: as Nitrosomonas e as Nitrobacter, que obtˆem

energia a partir de compostos inorgˆanicos como a Am´onia e os Nitritos. As bact´erias nitrificadoras s˜ao organismos sens´ıveis e s˜ao extremamente suscept´ıveis a uma grande variedade de inibidores tais como por exemplo altas concentra¸c˜oes de amon´ıaco ou ´acido n´ıtrico, ou pH com valores fora do intervalo ´optimo (7.5 - 8.6) [1] [2].

O amon´ıaco ´e oxidado em nitrato atrav´es da inje¸c˜ao de ar ou oxig´enio com um elevado grau de pureza.

Equa¸c˜ao da rea¸c˜ao qu´ımica do processo de nitrifica¸c˜ao [2]:

NH4++ 2 O2 −−→ NO3– + 2 H++ H2O

A Desnitrifica¸c˜ao consiste na redu¸c˜ao biol´ogica dos Nitratos ou Nitritos a Azoto molecular em ambiente an´oxico2, em que os Nitratos e os Nitritos funcionam como

receptores finais na cadeia de transporte de electr˜oes, quando uma fonte orgˆanica de Carbono est´a dispon´ıvel. As bact´erias utilizam o Oxig´enio dos Nitratos e dos Nitritos para metabolizar estruturas celulares [1].

O processo ´e realizado por uma grande variedade de microorganismos heterotr´oficos, os quais obtˆem energia a partir de uma fonte de Carbono orgˆanico. Estes microorganismos s˜ao muito comuns, pois s˜ao facultativos, isto ´e, podem utilizar outras fontes de Oxig´enio al´em do Oxig´enio molecular, nomeadamente, o Nitrato e o Nitrito [1].

Equa¸c˜ao da reac¸c˜ao qu´ımica do processo de desnitrifica¸c˜ao [2]:

NO3−−→ NO2−−→ NO −−→ N2O −−→ N2

A remo¸c˜ao do Azoto do efluente residual ´e de extrema importˆancia tendo em conta que concentra¸c˜oes significativas do mesmo podem ter v´arios efeitos adversos, tais como [1]:

1Obtˆem energia a partir da oxida¸c˜ao de compostos inorgˆanicos, nomeadamente a Am´onia e os

Nitritos.

Imagem

Figura 2.2 – Esquema de opera¸c˜ ao de uma grelha de barras. Fonte: [1]
Figura 2.5 – Princ´ıpio de funcionamento de um tanque de desarenamento por gravidade.
Figura 2.6 – Tanque de arejamento na ETAR de Santo Emili˜ ao, Vieira do Minho.
Figura 3.1 – Potˆencias m´edias mensais por per´ıodos tarif´ arios. Fonte: [4].
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Referências

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