Estudo das afluências a uma ETAR. Caso de estudo da ETAR de Folhadela

(1)

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

ESTUDO DAS AFLUÊNCIAS A UMA ETAR.

Caso de Estudo da ETAR de Folhadela

Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil

CARLOS ALBERTO DA COSTA VIEIRA

Orientadores

Professora Doutora Isabel Maria Assunção da Marta Oliveira Bentes Professora Doutora Ana Cristina Ribeiro Matos Coutinho

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

ESTUDO DAS AFLUÊNCIAS A UMA ETAR.

Caso de Estudo da ETAR de Folhadela

Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil

CARLOS ALBERTO DA COSTA VIEIRA

Orientadores

Professora Doutora Isabel Maria Assunção da Marta Oliveira Bentes (Professor Associado da UTAD)

Professora Doutora Ana Cristina Ribeiro Matos Coutinho (Professor Auxiliar da UTAD)

(6)

(7)

(8)

(9)

Agradecimentos

Gostaria de agradecer a todas as pessoas que direta ou indiretamente ajudaram na conclusão desta etapa.

Agradeço à minha orientadora, Professora Isabel Bentes, e à minha coorientadora, Professora Cristina Matos, por toda a ajuda prestada, tempo disponibilizado e constante motivação na realização do trabalho.

Um muito obrigado à EMAR pela oportunidade, em especial ao Eng.º Manuel Moras, ao Eng.º Domingos Palheiros, à Eng.ª Andreia e aos senhores responsáveis pela manutenção da ETAR.

Por fim, mas não menos importante, agradeço à minha família e amigos pelo apoio e companheirismo prestado durante todo este percurso académico, em especial aos meus pais porque sem eles nada seria possível.

(10)

(11)

(12)

(13)

Resumo

A afluência indevida de águas de infiltração e pluviais às redes de drenagem de águas residuais e consequentemente às Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) constitui um problema com crescente importância nos últimos anos dado os efeitos que provoca nas infraestruturas, nomeadamente o seu desgaste, e no ambiente, nomeadamente descargas de caudais não tratados no meio recetor. Estes caudais indevidos comprometem o bom funcionamento das redes e das ETAR’s e aumentam os encargos financeiros das entidades responsáveis pela exploração dos sistemas.

Neste trabalho procedeu-se à monitorização e registo do caudal afluente à ETAR de Folhadela em Vila Real, durante um ano (desde Maio de 2014 até Maio de 2015 com exceção de Julho, Agosto e Dezembro de 2014) de forma a quantificar a afluência de águas de outras origens que não a residual doméstica à rede de drenagem. Desta forma, procedeu-se à quantificação dos diversos componentes do caudal registado, nomeadamente a infiltração das águas do solo e a afluência de águas pluviais através da comparação dos registos de caudal com os dados pluviométricos da região. O volume de escoamento das águas pluviais afluente à ETAR foi ainda dividido em duas parcelas, a afluência direta e indireta das águas pluviais.

Com a realização deste estudo foi possível perceber o impacto que as águas de infiltração e de afluência da chuva têm na rede de drenagem e na estação de tratamento das águas residuais domésticas, uma vez que foi possivel determinar que 47,81% do caudal total afluente à ETAR é consequência da infiltração das águas do solo, 26,17% corresponde ao caudal das águas pluviais afluentes e apenas 26,02% do caudal são águas residuais domésticas.

Palavras-chave: Infiltração das águas do solo; Afluência de águas pluviais;

(14)

(15)

Abstract

Groundwater (infiltration) and storm-water (inflow) entering the wastewater treatment plant (WWTP) is a problem that has increased in the past years because of the associated problems like infrastructures deterioration, environmental problems caused by untreated wastewater discharging on the receiving waters and the raise of financial charges on the entity responsible by the WWTP exploration.

In this study was done the monitoring and recording of the flow entering the WWTP of Folhadela, Vila Real, during a year (between May 2015 to May 2015, with exception of July, August and December of 2014) on the attempt to understand the influence of infiltration of water, with a source different of the sanitary flow, on the wastewater network. This way we did the quantification of registered flow’s components namely infiltration and inflow by comparing the flow data with the storm data. The volume of inflow was separate in derived inflow and delayed inflow.

With this study was possible to understand the impact that infiltration and inflow have in the wastewater network and in the WWTP because 47,81% of total flow was infiltration, 26,17% was inflow and just 26,02%.

(16)

(17)

I

Índice de Texto

1 Introdução e Objetivos ... 1

2 Revisão Bibliográfica ... 5

2.1 Considerações Gerais ... 5

2.2 Método de análise dos registos de caudal e precipitação ... 8

2.2.1 Métodos de cálculo da infiltração das águas do solo ... 8

2.2.2 Caudal em tempo seco ... 10

2.2.3 Cálculo das afluências das águas pluviais ... 11

2.2.4 Casos de Estudo ... 15

2.3 Método do Triângulo ... 20

2.3.1 Casos de Estudo – Método do triângulo ... 22

2.4 Métodos Químicos ... 24

2.4.1 Carência Bioquímica de Oxigénio ... 25

2.4.2 Método dos isótopos estáveis ... 32

3 Caso de Estudo ... 37

4 Metodologia ... 39

4.1 Caudal Base ... 39

4.2 Caudal em tempo seco ... 40

4.3 Infiltração das águas do solo ... 40

4.4 Caudal das águas residuais domésticas ... 42

4.5 Fatores de ponta ... 42

4.6 Diagrama de caudais efluentes ... 44

4.7 Caudal em tempo de chuva ... 44

4.8 Afluência direta e indireta das águas pluviais ... 45

4.9 Comparação entre o caudal de consumo e o caudal registado na ETAR 46 5 Apresentação e Análise de Resultados ... 49

(18)

II

5.2 Caudal em tempo seco ... 50

5.3 Infiltração das águas do solo ... 53

5.4 Caudal das águas residuais domésticas ... 54

5.5 Fatores de ponta ... 58

5.6 Caudal em tempo de chuva ... 59

5.7 Comparação entre o caudal de consumo e o caudal registado na ETAR 74 6 Conclusões e Propostas Futuras ... 75

Bibliografia ... 79

ANEXOS ... 83

Índice de Figuras

FIGURA 1–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS COMPONENTES DO CAUDAL TOTAL NA PRESENÇA DE EVENTOS PLUVIOMÉTRICOS (DEP,1993) ... 12

FIGURA 2–REPRESENTAÇÃO DA SEPARAÇÃO DAS ÁGUAS PLUVIAIS SEGUNDO O MÉTODO PROPOSTO POR EPA EM 1990(EPA,1990) ... 13

FIGURA 3–REPRESENTAÇÃO DO INÍCIO DA AFLUÊNCIA DIRETA DAS ÁGUAS PLUVIAIS E DEMONSTRAÇÃO DO TEMPO DE RESPOSTA (DEP,1993). ... 14

FIGURA 4–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO INÍCIO E FIM DA AFLUÊNCIA DIRETA E INDIRETA DAS ÁGUAS PLUVIAIS (DEP,1993). ... 14

FIGURA 5–RELAÇÃO ENTRE INTENSIDADE DE PRECIPITAÇÃO (EIXO HORIZONTAL) E O VOLUME TOTAL DE ESCOAMENTO REGISTADO DURANTE OS RESPETIVOS EVENTOS PLUVIOMÉTRICOS (EIXO VERTICAL)(DEP,1993). ... 15

FIGURA 6–DECOMPOSIÇÃO GRÁFICA DOS COMPONENTES DO CAUDAL AFLUENTE À ETAR DE DRESDEN (KRAPF &KREBS,2011). ... 16

FIGURA 7–RELAÇÃO ENTRE INTENSIDADE DE PRECIPITAÇÃO (EIXO HORIZONTAL) E O VOLUME TOTAL DE ESCOAMENTO REGISTADO DURANTE OS RESPETIVOS EVENTOS PLUVIOMÉTRICOS (EIXO VERTICAL)(KRAPF &KREBS,2011). ... 16

(19)

III FIGURA 8–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS DADOS DE CAUDAL AFLUENTE À ETAR E

DE PRECIPITAÇÃO (HINTZ, ND). ... 18 FIGURA 9–CONSTRUÇÃO GRÁFICA DO MÉTODO DO TRIÂNGULO (ADAPTADO DE

ALMEIDA,2004). ... 21 FIGURA 10–QUANTIFICAÇÃO DAS COMPONENTES DO CAUDAL REGISTADO ATRAVÉS DO MÉTODO DO TRIÂNGULO (ADAPTADO DE ALMEIDA,2004). ... 21 FIGURA 11-APLICAÇÃO DO “MÉTODO DO TRIÂNGULO” À ETAR DE MIRANDELA

(ALMEIDA,2004). ... 22 FIGURA 12-APLICAÇÃO DO “MÉTODO DO TRIÂNGULO” À ETAR DO FREIXO (ALMEIDA,

2004). ... 24 FIGURA 13-SEPARAÇÃO GRÁFICA DOS COMPONENTES DO CAUDAL REGISTADOS EM

AMBAS AS ETARS (KRACHT &GUJER,2004). ... 29 FIGURA 14–INFLUÊNCIA DE CADA TUBAGEM NA INFILTRAÇÃO TOTAL ETAR DE PRAGA

(BARES ET AL.,2011). ... 30 FIGURA 15–DECOMPOSIÇÃO DO HIDROGRAMA DA ÁGUA RESIDUAL DOMÉSTICA

REGISTADA NA TUBAGEM, SEGUNDO O MÉTODO DOS ISÓTOPOS ESTÁVEIS

(BERTRAND-KRAJEWSKI,2005) ... 33 FIGURA 16–COMPOSIÇÃO DO HIDROGRAMA TOTAL DIÁRIO RESULTADO DA UTILIZAÇÃO

DO MÉTODO DOS ISÓTOPOS ESTÁVEIS (BERTRAND-KRAJEWSKI,2005) ... 34 FIGURA 17–PLANTA DA REDE DE DRENAGEM DA ETAR DE FOLHADELA. ... 37 FIGURA 18–CAUDALÍMETRO UTILIZADO PARA A MONITORIZAÇÃO DO CAUDAL ... 38 FIGURA 19–SEPARAÇÃO GRÁFICA DO CAUDAL DURANTE A PRESENÇA DE UM EVENTO

PLUVIOMETRICO (DEP,1993). ... 45 FIGURA 20–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO CAUDAL INSTANTÂNEO MÉDIO EM TEMPO

SECO DO MÊS DE JUNHO DE 2014. ... 51 FIGURA 21-REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO CAUDAL INSTANTÂNEO MÉDIO EM TEMPO

SECO DO MÊS DE MARÇO DE 2015. ... 52 FIGURA 22–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO QARD INSTANTÂNEO (L/S). ... 55

FIGURA 23–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO QARD MÉDIO HORÁRIO (L/S). ... 55

FIGURA 24-DIAGRAMA TEÓRICO DE CONSUMOS (FATOR DE PONTA 4.0)(MARQUES & SOUSA,2009). ... 56 FIGURA 25-DIAGRAMA TEÓRICO DE CONSUMOS (FATOR DE PONTA 3.0)(MARQUES &

(20)

IV

FIGURA 26-DIAGRAMA TEÓRICO DE CONSUMOS (FATOR DE PONTA 2.4)(MARQUES & SOUSA,2009). ... 57 FIGURA 27-DIAGRAMA TEÓRICO DE CONSUMOS (FATOR DE PONTA 2.0)(MARQUES &

SOUSA,2009). ... 57 FIGURA 28–COMPARAÇÃO DO QARD REGISTADO COM O DIAGRAMA DE CONSUMOS

TEÓRICOS (FATOR DE PONTA 2.4). ... 58 FIGURA 29–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO QTC(L/S). ... 60

FIGURA 30–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO QTS E O QTC(L/S)... 60

FIGURA 31–EXEMPLO GRÁFICO DA DETERMINAÇÃO DA AFLUÊNCIA DIRETA E INDIRETA DAS ÁGUAS PLUVIAIS. ... 61 FIGURA 32–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO QTS,QTC E PRECIPITAÇÃO –6 DE JUNHO

DE 2014. ... 63 FIGURA 33–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO QTS,QTC E PRECIPITAÇÃO –8,13,15 E

16 DE OUTUBRO DE 2014. ... 64 FIGURA 34–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO QTS,QTC E PRECIPITAÇÃO –3,10,13,14

E 15 DE NOVEMBRO DE 2014. ... 65 FIGURA 35–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO QTS,QTC E PRECIPITAÇÃO –15,16,17,

18 E 31 DE JANEIRO DE 2015. ... 66 FIGURA 36–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO QTS,QTC E PRECIPITAÇÃO –2,14,15 E

23 DE FEVEREIRO DE 2015. ... 68 FIGURA 37–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO QTS,QTC E PRECIPITAÇÃO –8,9,10,18,

22,24,25,26 DE ABRIL DE 2015. ... 69 FIGURA 38–REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO QTS,QTC E PRECIPITAÇÃO –4 DE MAIO DE

2015. ... 71 FIGURA 39–RELAÇÃO ENTRE A PLUVIOSIDADE E O VOLUME AFLUENTE À ETAR PARA

CADA EVENTO PLUVIOMÉTRICO. ... 72

Índice de Tabelas

TABELA 1–RESULTADOS DO PROJETO APUSS NA ALEMANHA ... 31 TABELA 2–CAUDAIS MÉDIOS MENSAIS E VOLUMES MENSAIS REGISTADOS. ... 49 TABELA 3–IASMÉDIA E VOLUME TOTAL DE INFILTRAÇÃO ... 53

TABELA 4–PERCENTAGEM DA IASDE CADA MÊS EM RELAÇÃO AO VOLUME TOTAL DE

(21)

V TABELA 5–DADOS UTILIZADOS PARA OS FATORES DE PONTA. ... 58 TABELA 6–PRECIPITAÇÃO E VOLUME DAS ÁGUAS PLUVIAIS –6 DE JUNHO DE 2014. 63 TABELA 7–PRECIPITAÇÃO E VOLUME DAS ÁGUAS PLUVIAIS –8,13,15 E 16 DE

OUTUBRO DE 2014. ... 64 TABELA 8–PRECIPITAÇÃO E VOLUME DAS ÁGUAS PLUVIAIS –3,10,13,14 E 15 DE

NOVEMBRO DE 2014. ... 65 TABELA 9–PRECIPITAÇÃO E VOLUME DAS ÁGUAS PLUVIAIS –15,16,17,18 E 31 DE

JANEIRO DE 2015. ... 67 TABELA 10–PRECIPITAÇÃO E VOLUME DAS ÁGUAS PLUVIAIS –2,14,15 E 20 DE

FEVEREIRO DE 2015. ... 68 TABELA 11–PRECIPITAÇÃO E VOLUME DAS ÁGUAS PLUVIAIS –8,9,10,18,22,24,

25,26 DE ABRIL DE 2015. ... 70 TABELA 12–PRECIPITAÇÃO E VOLUME DAS ÁGUAS PLUVIAIS –4 DE MAIO DE 2015. 71

Índice de Quadros

QUADRO 1–RESUMO DOS VOLUMES CALCULADOS ... 73 QUADRO 2–RESUMO DOS VOLUMES DA AFLUÊNCIA DIRETA E INDIRETA DAS ÁGUAS

(22)

(23)

(24)

Lista de Acrónimos e Simbologia

APUSS -Assessing infiltration and exfiltration on the performance of urban sewer systems

CQO -Carência Química de Oxigénio

DEP -Department of Environmental Protection EPA -Environmental Protection Agency

ETAR -Estação de Tratamento de Águas Residuais EUA -Estados Unidos da América

fd -Fator de Ponta diário

fi -Fator de Ponta instantâneo

fm -Fator de Ponta mensal

FP -Fator de Ponta

IAS -Infiltração das águas do solo

IASMDA -Infiltração das águas solo média diária anual

IASTA -Infiltração das águas solo total anual

IRAR -Instituto Regulador de Águas Residuais

P -População

QAAP -Caudal de afluência de águas pluviais

QADAP -Caudal de afluência direta das águas pluviais

QAIAP -Caudal de afluência indireta das águas pluviais

QARD -Caudal de águas residuais domésticas

Qbase de inf -Caudal base de infiltração

QBMA -Caudal base médio anual

QConsumo -Caudal de consumo

Qi -Caudal máximo instantâneo

QIAS -Caudal da infiltração das águas do solo

QIMM -Caudal instantâneo médio mensal

QMA -Caudal médio anual

QMAAI -Caudal médio anual de afluências indevidas

QmaD -Caudal médio diário

Qmai -Caudal médio anual

QmaM -Caudal médio mensal

QmD -Caudal médio do dia de maior volume recebido na ETAR durante

o ano

QmM -Caudal médio do mês de maior volume recebido na ETAR durante

o ano

Qo -Magnitude inicial do caudal que não pertence ao Qbase de inf no

instante inicial QT -Caudal total

QTC -Caudal em tempo de chuva

QTS -Caudal em tempo seco

T0 -Instante inicial

VAAP -Volume de afluência de águas pluviais

VTA -Volume total anual

VTM -Volume total mensal

(25)

(26)

(27)

Introdução e Objetivos

1

1 Introdução e Objetivos

A crescente procura e degradação dos recursos hídricos, principalmente nas zonas que apresentam maior carência de água, tem levantado grandes preocupações às entidades responsáveis pela gestão dos sistemas de abastecimento de água e de recolha de águas residuais (Heiner et al, 2011). Os custos associados à gestão dos recursos hídricos têm aumentado significativamente mercê, muitas vezes, da melhoria das tecnologias utilizadas e da qualidade de serviço mas pondo muitas vezes em causa a sustentabilidade económica dos sistemas.

Todas as comunidades produzem resíduos, tanto líquidos como sólidos. Os resíduos líquidos são constituídos essencialmente pela água utilizada pelo consumidor, nas atividades domésticas, comerciais e industriais. A água residual pode ser definida como sendo o conjunto da água e dos resíduos que provêm de residências, instituições e estabelecimentos industriais ou comerciais, juntamente com águas provenientes dos solos e de chuvadas (Tchobanoglus, 1991).

Quando a presença das águas do solo e das águas pluviais numa rede de drenagem das águas residuais é elevada, ocorrem problemas hidráulicos na rede e na estação de tratamento que as recebe uma vez que, tanto a rede de drenagem como a estação de tratamento, foram dimensionadas para um caudal diferente do que realmente ocorre nestas infraestruturas.

Esta afluência de caudal traz encargos financeiros avultados às entidades responsáveis pela exploração da rede de saneamento, uma vez que é necessário tratar um maior volume de água e resultando também num desgaste agravado das infraestruturas. Além dos problemas financeiros ocorrem também problemas ambientais no meio recetor devido à necessidade de descarregar diretamente o caudal em excesso sem que seja feito o seu tratamento (Ellis, 2001).

A presença de águas do solo nas redes é definida como infiltração e a sua entrada na rede pode ser consequência de defeitos na tubagem, nas juntas de

(28)

2

tubagens, nas ligações ou nas câmaras de visita. Existe ainda uma parcela desta infiltração que é constante e acontece devido à ligação de drenos à rede. A presença de águas pluviais na rede de drenagem é definida como afluência das águas pluviais e é consequência direta da ocorrência de eventos pluviométricos na região onde as redes de drenagem de águas residuais estão implementadas. Esta afluência de águas pluviais pode ser dividida em duas parcelas, afluência direta e indireta. A afluência direta das águas pluviais pode ser consequência da descarga direta na rede de águas residuais domésticas de caleiras, pátios, ruas, jardins, e tampas de caixas de visita mal isoladas. De uma forma geral, a afluência direta de águas pluviais é consequência de ligações que encaminham diretamente as águas pluviais para a rede de drenagem de águas residuais e é notada de imediato na rede através de um aumento do caudal de escoamento. A afluência indireta de águas pluviais à rede é consequência da infiltração destas águas no solo que posteriormente entram na rede através de um processo idêntico ao da infiltração das águas do solo. Ao contrário da afluência direta, a afluência indireta demora algum tempo a ser notada na rede, podendo demorar horas a dias após a ocorrência do evento pluviométrico (Tchobanoglus, 1991).

Para combater este problema convém inspecionar e reabilitar a rede de drenagem das águas residuais. Muitas vezes as inspeções são visuais e os caudais observados são muito superiores às estimativas feitas para o caudal afluente à rede, sendo que nem sempre é possível determinar a sua origem (Lee et al., 2009; Wirahadikusumah et al., 1998).

A importância da correta quantificação do volume de cada componente do caudal afluente tem extrema importância para a realização de uma reabilitação eficiente da rede, uma vez que, quando se conhece a origem das águas indevidas é mais fácil corrigir os defeitos da rede através da sua reabilitação. No âmbito deste problema desenvolveu-se este trabalho que tem como principal objetivo a utilização de uma metodologia que permita a determinação do volume e da origem das afluências indevidas a uma ETAR através da monitorização e registo contínuo dos caudais à entrada da ETAR de Folhadela, em Vila Real, e com auxílio dos registos pluviométricos obtidos na estação

(29)

3 meteorológica de Vila Real. Pretende-se, pois, quantificar os caudais indevidos afluentes à estação decompondo-os em caudal proveniente da água do solo e caudal pluvial de afluência direta e indireta e ainda quantificar o caudal de água residual doméstica.

Atendendo à existência de registos de caudal pretende-se, complementarmente, calcular os diagramas de afluências e a determinação de fatores de ponta para o caso concreto da ETAR de Folhadela, comparando esses valores com os habitualmente utilizados e registados na bibliografia.

(30)

(31)

(32)

(33)

Revisão Bibliográfica

5

2 Revisão Bibliográfica

2.1 Considerações Gerais

A relevância dada às afluências indevidas em redes de drenagem de águas residuais tem aumentado significativamente nos últimos anos suscitando preocupações com o fenómeno que levam à procura de soluções para tentar combater este problema. O conhecimento pouco aprofundado dos caudais de infiltração afluentes a uma rede de águas residuais pode levar ao mau dimensionamento da rede, nomeadamente ao seu subdimensionamento que faz com que a ETAR esteja sujeita a uma grande carga hidráulica e como consequência recorra frequentemente ao bypass, ou o sobredimensionamento que tem como consequências custos de construção desnecessários e a uma redução da eficiência da ETAR.

Foram criados regulamentos com vista à redução destas afluências que estipulam valores a serem utilizados em fase de projeto para a quantificação da infiltração de águas nas redes de drenagem. Em Portugal é utilizado o Decreto Regulamentar 23/95 para a determinação do valor do caudal de infiltração a utilizar em fase de projeto. A legislação estipulada encontra-se no artigo 126º “Caudais de infiltração”, no qual se pode ler:

“4 - Desde que não se disponha de dados experimentais locais ou de informações similares, o valor do caudal de infiltração pode considerar-se: a) Igual ao caudal médio anual, nas redes de pequenos aglomerados com coletores a jusante até 300 mm;

b) Proporcional ao comprimento e diâmetro dos coletores, nas redes de médios e grandes aglomerados; neste último caso, quando se trate de coletores recentes ou a construir, podem estimar-se valores de caudais de infiltração da ordem de 0,500 m3/dia, por centímetro de diâmetro e por quilómetro de comprimento da rede pública, podendo atingir-se valores de 4 m3/dia, por centímetro e por quilómetro, em coletores de precária construção e conservação.

(34)

6

c) Os valores referidos nas alíneas a) e b) podem ser inferiores sempre que estiver assegurada uma melhor estanquidade da rede, nomeadamente no que respeita aos coletores, juntas e câmaras de visita.”

Uma nota mais recente sobre as afluências indevidas a uma rede de águas residuais é feita pelo antigo Instituto Regulador das Águas e dos Resíduos (IRAR) que alerta para a necessidade de combater este fenómeno como se pode ler na Recomendação 4 de 2007:

 “Em Portugal, é elevada a proporção das redes de drenagem de águas residuais urbanas que apresentam contribuições significativas de águas pluviais.

 A ocorrência destas afluências indesejáveis aos sistemas de saneamento pode resultar em impactos em termos de: aumento do risco de inundações urbanas (pelo extravasamento através de câmaras de visita e ramais de ligação); redução da eficiência de estações de tratamento de águas residuais e consequente risco ambiental para os meios recetores; agravamento global de custos de operação e manutenção de infraestruturas (designadamente de sistemas elevatórios).

 A ocorrência destas afluências pode também conduzir à mais rápida deterioração das infraestruturas, devido a velocidades de escoamento excessivas ou ao arrastamento e deposição de sedimentos.

 Tanto o sistema em “alta” como o sistema em “baixa” podem receber afluências indesejáveis, embora com origens e contribuições diversas, sendo essas afluências, por vezes, muito significativas.

 A nível nacional têm sido analisados, discutidos e utilizados diversos procedimentos para a determinação dos volumes e respetivos montantes a faturar pelas entidades gestoras dos sistemas em “alta” aos municípios e restantes utilizadores destes sistemas, procedimentos esses que importa harmonizar e uniformizar.”

Nesta recomendação, o Instituto Regulador de Águas Residuais (IRAR) menciona ainda alguns princípios a adotar pelas entidades gestoras:

(35)

7  “A metodologia de faturação a adotar pelos sistemas em alta relativamente aos sistemas em baixa deve atender aos seguintes objetivos: -Incentivo à redução das afluências indesejáveis de águas pluviais;

-Redução do grau de incerteza e volatilidade das receitas previsionais totais geradas pelas entidades gestoras dos sistemas em “alta” e dos correspondentes pagamentos efetuados pelos utilizadores;

-Distribuição dos encargos pelos utilizadores em função da respetiva “quota” de utilização do sistema, traduzida pela proporção de volumes atribuível a cada utilizador.

 Para o efeito, os volumes de águas residuais descarregados pelos utilizadores devem ser determinados com base em medições de caudais em secções de entrega, sempre que materialmente relevante e tecnicamente justificável.

 Sem prejuízo do anteriormente referido:

- Em sistemas complexos, com grande número de ligações entre a “alta” e “baixa”, essas medições de caudais podem ser feitas apenas em secções estratégicas, que permitam avaliar ou estimar com precisão aceitável a contribuição dos diversos utilizadores e, consequentemente, quantificar as respetivas “quotas” de utilização do sistema multimunicipal ou intermunicipal; -Poder-se-á prescindir de medição contínua, no caso de contribuições quantitativamente pouco relevantes, relativamente às quais se possam convencionar volumes resultantes de estimativa ou de extrapolação a partir de medições feitas em intervalos temporais de amostragem.”

Nos últimos anos desenvolveram-se vários métodos que permitem quantificar tanto a infiltração das águas do solo como a afluência de águas pluviais às ETAR. Nos parágrafos seguintes são descritos os métodos mais utilizados bem como casos de estudo onde estes foram utilizados.

(36)

8

2.2 Método de análise dos registos de caudal e precipitação

Este método é dividido em duas etapas que permitem determinar, em separado, a parcela do caudal proveniente da infiltração das águas do solo e a parcela do caudal proveniente da afluência das águas pluviais.

2.2.1 Métodos de cálculo da infiltração das águas do solo

Os métodos de cálculo de infiltração baseiam-se no conceito teórico que na ausência de precipitação, ou seja, em tempo seco o caudal presente na rede é apenas constituído por águas residuais domésticas e águas do solo que se infiltram na rede, equação (1):

(1)

Onde,

QTS – Caudal em tempo seco (m3)

QARD – Caudal das águas residuais domésticas (m3)

IAS – Infiltração das águas do solo (m3)

2.2.1.1 Métodos baseados no caudal de consumo

Segundo FCMNRC (2003), quando há registos do caudal consumido pela população (Qconsumo), pode-se criar uma relação entre o caudal consumido pela

população e o caudal registado na ETAR. Afirmando que, durante os meses de verão aproximadamente 70% da água consumida é encaminhada para a ETAR e durante os meses de inverno este valor sobe para aproximadamente 90%. Utilizando os valores de registo do QTS e assumindo que o QARD é 70% do

Qconsumo nos meses de verão e 90% nos meses de inverno, surgem as

equações:

(37)

9 para os meses de inverno (2b)

FCMNRC (2003) apresenta ainda outra hipótese de estimativa de infiltração considerando a IAS pode ser estimada como 15% do volume total do caudal diário.

2.2.1.2 Método dos caudais mínimos

Este método é o mais utilizado nos estudos da IAS quando existem registos do

caudal instantâneo afluente à ETAR e os dados de precipitação da zona onde esta se encontra com intervalos de tempo de registo pormenorizados de forma a garantir-se que não existem erros na consideração dos períodos de tempo seco. Baseia-se no princípio que, durante o período noturno (00:00 e 06:00), é expectável que não haja caudal a circular na rede uma vez que a produção de caudal de águas residuais domésticas durante este período é nula ou muito reduzida, desta forma, assume-se que todo o caudal presente na rede neste período é proveniente de águas do solo que percolam na rede ou do nível freático que entram na rede (EPA, 2014) (DEP, 1993).

Neste método são determinados os caudais mínimos registados na ETAR em tempo seco durante vários dias no período noturno, e é calculada a sua média com o objetivo de obter a infiltração média das águas do solo. Para o dia de registo ser considerado período de tempo seco, não pode ter ocorrido nenhum evento pluviométrico com precipitação superior a 0,3mm até 3 dias antes do dia em questão.

No caso de haver registos de caudal do ano completo este método é aplicado a todos os meses em separados com os dados dos registos respeitantes a cada mês tendo em vista a consideração da flutuação das águas do solo e do nível freático ao longo do ano. Desta forma é possível obter não só um cálculo mais preciso da infiltração das águas do solo total como também verificar o valor máximo de infiltração registado, designado por pico de infiltração.

(38)

10

Caso não se verifique a existência de registo do ano completo, DEP (1993) recomenda o cálculo da infiltração média das águas do solo tanto para a época onde o nível freático esteja mais elevado (início da Primavera), como para a época onde o nível freático esteja mais baixo (fim do Verão), com a finalidade de associar uma destas infiltrações médias calculadas aos meses cujos registos de caudal não existem. Isto é, caso exista um mês que não tenha registos de caudal a infiltração média das águas do solo será considerada igual à calculada para a época em que este mês se encaixe de forma a evitar o efeito da flutuação das águas do solo ou a variação do nível freático.

FCMNRC (2003) apresenta uma versão modificada deste método referindo que é possível calcular a infiltração das águas do solo assumindo que esta corresponde a 85% da média dos caudais mínimos calculada como referido no parágrafo anterior.

2.2.2 Caudal em tempo seco

Uma vez calculada a IAS, é necessário calcular o caudal em tempo seco para

poder avançar para a determinação da afluência das águas pluviais.

Weiss et al. (2002) define o caudal em tempo seco como sendo o caudal total instantâneo registado na rede perante a ausência de precipitação e é resultado do cálculo do caudal médio de todos os dias secos para um dado mês. DEP (1993) recomenda o cálculo do QTS da mesma forma que Weiss et al. (2002)

mas acrescenta que o intervalo de dias de dados utilizados para o seu cálculo devem corresponder ao mesmo intervalo utilizado para o cálculo das IAS,

enquanto EPA (2014) afirma que para determinar o QTS basta analisar os

registos do caudal num intervalo de 7 a 14 dias de tempo seco.

Uma vez calculada a IAS e o QTS é possível determinar o caudal proveniente

das águas residuais domésticas através da equação (1) tendo em vista a comparação deste caudal com o caudal de consumo registado pela entidade responsável ou caso se pretenda apenas calcular o volume total das afluências indevidas sem separar este volume em infiltração das águas do solo e afluência de águas pluviais.

(39)

11

2.2.3 Cálculo das afluências das águas pluviais

A segunda etapa do método de análise dos registos de caudal e precipitação tem como objetivo a quantificação da parcela do caudal correspondente à afluência de águas pluviais à rede.

EPA (2014) aborda um método simplificado para o cálculo do volume destas afluências afirmando que o caudal médio anual de afluências indevidas (infiltração das águas do solo e afluência de águas pluviais) pode ser determinado subtraindo o caudal de águas residuais domésticas ao caudal médio anual, equação (3) e, posteriormente, o volume total anual de afluências indevidas resulta do produto do caudal médio anual de afluências indevidas por 365 (dias).

(3)

Onde,

QMAAI – Caudal médio anual de afluências indevidas (m3/dia)

QMA – Caudal médio anual (m3/dia)

QARD – Caudal das águas residuais domésticas (m3/dia)

DEP (1993) apresenta um método mais pormenorizado para a quantificação destas afluências indevidas o qual consiste na análise dos registos de caudal e precipitação sempre que é expectável que haja afluências de águas pluviais, isto é, sempre que ocorre um evento pluviométrico é avaliada a sua afluência à rede. Neste método é necessário calcular o caudal em tempo de chuva de forma a comparar com o caudal em tempo seco tendo em vista a determinação do volume de afluência de águas pluviais. O caudal em tempo de chuva corresponde ao caudal registado durante os dias em que houve presença de precipitação e este é comparado com o caudal em tempo seco determinado imediatamente antes do evento pluviométrico de forma a comparar ambos os caudais perante as mesmas condições das águas do solo como representado na Figura 1.

(40)

12

Figura 1 – Representação gráfica dos componentes do caudal total na presença de eventos pluviométricos (DEP, 1993)

Determinado o caudal em tempo de chuva e o caudal em tempo seco imediatamente antes do evento pluviométrico é possível quantificar o caudal de afluências de águas pluviais, através da equação (4).

(4)

Onde,

QAAP – Caudal de afluência de águas pluviais (m3/dia)

QTC – Caudal em tempo de chuva (m3/dia)

QTS – Caudal em tempo seco (m3/dia)

Em 1990, a Agência de Proteção do Ambiente dos EUA (EPA) redigiu um relatório/guia no qual especifica a influência da precipitação no aumento do caudal nas redes de drenagem de águas residuais. A Divisão da EPA responsável pelas Águas designa este aumento de caudal por infiltração induzida de águas pluviais e separa esta em resposta rápida da infiltração induzida das águas pluviais e reposta menos rápida da infiltração induzida das águas pluviais como representado na Figura 2.

(41)

13 Figura 2 – Representação da separação das águas pluviais segundo o método

proposto por EPA em 1990 (EPA, 1990)

Atualmente o caudal de afluência de águas pluviais é dividido em duas parcelas: infiltração derivada das águas pluviais e infiltração induzida das águas pluviais (afluência direta e indireta das águas pluviais) (Bennett, 1999). DEP (1993) define a afluência direta das águas pluviais como a parcela do caudal registado que aumenta rapidamente após o início do evento pluviométrico e diminui após o fim do evento. O seu início é determinado quando se verifica a divergência entre o caudal registado e o caudal em tempo seco terminando após a conclusão do evento pluviométrico mais o tempo de resposta de registo. O tempo de resposta consiste no intervalo de tempo entre o início do evento pluviométrico e o do registo das afluências provocadas por esse evento no caudalímetro, como representado na Figura 3.

(42)

14

Figura 3 – Representação do início da afluência direta das águas pluviais e demonstração do tempo de resposta (DEP, 1993).

A afluência indireta das águas pluviais é definida como a parcela do caudal que inicia após o final do caudal da afluência direta das águas pluviais e termina quando se verifica a convergência entre o caudal em tempo de chuva com o caudal em tempo seco determinado antes do evento pluviométrico, como representado na Figura 4.

Figura 4 – Representação gráfica do início e fim da afluência direta e indireta das águas pluviais (DEP, 1993).

(43)

15 Este método tem a particularidade de permitir relacionar a intensidade de precipitação e o volume de afluência de águas pluviais verificado, quer seja o volume total de afluência ou dividido em direta e indireta, como representado na Figura 5.

Figura 5 – Relação entre intensidade de precipitação (eixo horizontal) e o volume total de escoamento registado durante os respetivos eventos pluviométricos (eixo vertical) (DEP, 1993).

2.2.4 Casos de Estudo

2.2.4.1 ETAR de Dresden, Alemanha

O instituto de Gestão da Água Urbana da Universidade Tecnológica de Dresden submeteu um artigo para a 12ª Conferência Internacional de Drenagem Urbana no qual são quantificadas as afluências indevidas à ETAR da Cidade de Dresden na Alemanha entre 2001 e 2002, ETAR esta que serve 1605 habitantes e tem uma descarga média total de 156m3/dia (Krapf & Krebs, 2011).

Devido à ausência de dados pluviométricos da região relativos a alguns períodos do estudo, o autor decidiu escolher os dias para cálculo do caudal em tempo seco baseando-se na observação, ou seja, registou os dias onde não se verificaram eventos pluviométricos e usou os registos de caudal desses dias para determinar o caudal em tempo seco.

(44)

16

Neste estudo foi utilizado o método dos caudais mínimos para determinar o caudal de infiltração das águas do solo, mais uma vez os dias escolhidos para calcular este parâmetros foram baseados na observação do autor. O volume relativo à afluência de águas pluviais foi calculado através da diferença entre o volume total registado e o caudal em tempo seco calculado. Calculados os volumes de cada componente obtiveram-se os resultados apresentados na Figura 6.

Figura 6 – Decomposição gráfica dos componentes do caudal afluente à ETAR de Dresden (Krapf & Krebs, 2011).

O autor determina ainda a relação entre a intensidade de precipitação dos dias que existe registo com o volume de afluências de águas pluviais registado.

Figura 7 – Relação entre intensidade de precipitação (eixo horizontal) e o volume total de escoamento registado durante os respetivos eventos pluviométricos (eixo vertical) (Krapf & Krebs, 2011).

(45)

17

2.2.4.2 ETAR de Maggie Valley, EUA

Em 2000, na cidade de Maggie Valley, as entidades responsáveis pela drenagem de águas residuais domésticas do Estado da Carolina do Norte, EUA iniciaram um estudo sobre a afluência de águas pluviais à rede de drenagem de águas residuais após surgirem suspeitas que estas afluências tinham um impacto negativo elevado no funcionamento da rede. Este estudo terminou em 2004 e durante esse período realizou-se uma reabilitação da rede de forma a quantificar a redução das afluências que esta intervenção trouxe à rede. É de salientar que esta reabilitação apenas tinha como objetivo a redução da afluência de águas pluviais e para tal recorreram ao teste do fumo para determinar quais os componentes da rede a reabilitar (Hintz, nd).

Foi monitorizado o caudal e a precipitação antes da reabilitação e com o auxílio desses dados determinou-se o volume correspondente ao caudal em tempo seco e o volume total de caudal registado na rede, subtraindo o volume correspondente ao caudal em tempo seco ao volume total registado determinou-se o caudal de afluência de águas pluviais, caudal este que foi distribuído proporcionalmente pela rede obtendo-se um caudal diário unitário de 1049,27 l/dia/Km.

Após a reabilitação voltou a monitorizar-se o caudal e a precipitação, e com a utilização do método referido no parágrafo anterior determinou-se o caudal unitário de afluência de águas pluviais tendo-se obtido um valor de 917,5 l/dia/Km.

Com esta reabilitação o autor determinou uma redução de 131l/dia/Km no caudal de afluência de águas pluviais.

2.2.4.3 ETAR de Marion, EUA

Em 2006, na cidade de Marion, as entidades responsáveis pela drenagem de águas residuais domésticas do Estado da Carolina do Norte, EUA, estudaram

(46)

18

os níveis excessivos de infiltração na rede de drenagem de águas residuais após detetados problemas na capacidade hidráulica da ETAR. Monitorizaram simultaneamente o caudal afluente à ETAR, a precipitação da zona durante o mês de Janeiro e realizaram testes de fumo em 41 caixas de visita, testes estes que revelaram várias deficiências no sistema de recolha e nos coletores (Hintz, nd).

Neste estudo não foi calculado o volume de infiltração mas verificou-se uma forte correlação entre os eventos pluviométricos e o aumento do caudal registado na ETAR, como se apresenta na Figura 8.

Figura 8 – Representação gráfica dos dados de caudal afluente à ETAR e de precipitação (Hintz, nd).

(47)

19

2.2.4.4 ETAR de Muetzerich, Alemanha

Em 2012, Stanfer et al., publicaram um estudo onde analisaram a influência da reabilitação da rede de drenagem de águas residuais domésticas nos níveis de afluências indevidas à rede. Esta cidade é constituída por aproximadamente 2200 habitantes com uma área de aproximadamente 500ha. Neste estudo o caudal foi monitorizado em dois locais afastados cerca de 500m um do outro. Calculou-se a infiltração das águas do solo através do método dos caudais mínimos, o caudal em tempo seco através da média diária do caudal em dias sem presença de precipitação e o caudal das águas residuais domésticas através da diferença entre o caudal em tempo seco e a infiltração das águas do solo.

Monitorizou-se o caudal nos dois locais e a precipitação da zona entre 2004 e 2007 (32meses), dividindo esta monitorização em dois períodos: Outubro de 2004 a Julho de 2006 e de Julho de 2006 a Junho de 2007, este último período após a reabilitação da rede. Durante estes períodos verificaram-se 424 eventos pluviométricos dos quais 258 no primeiro período com intensidade total de 1222mm e 166 no segundo período com intensidade total de 900mm.

Antes da reabilitação verificou-se na estação de monitorização de caudal 1 170m3/semana de infiltração e 278,4m3/semana na estação 2. Após a reabilitação verificaram que a infiltração na estação 1 diminuiu para 99,9m3/semana e 214,97 m3/semana na estação 2. Verificou-se então uma redução de 70,1 m3/semana na estação 1 e 63,5 m3/semana na estação 2. Os autores enfrentaram várias dificuldades no processo de separação do caudal de afluência direta e indireta das águas pluviais, optando por calcular o valor total do caudal de afluência de águas pluviais.

Calcularam a média do caudal de afluência de águas pluviais por evento pluviométrico, para ambas as estações de monitorização, antes e após a reabilitação. Os resultados apresentados mostram a redução de 7,67 m3/evento para 4,95 m3/evento na estação 1 enquanto na estação 2 verificaram um ligeiro aumento de 6,87 m3/evento para 6,9 m3/evento.

(48)

20

2.3 Método do Triângulo

O método do triângulo foi proposto por Weiss et al. (2002) como sendo um método de análise gráfica dos registos de caudal e precipitação. Definido o período de tempo a estudar, os caudais diários totais em m3 são ordenados volumetricamente por ordem crescente desprezando a sua ordem cronológica. O valor máximo de caudal registado durante o período de estudo é utilizado como referência para calcular a percentagem de cada caudal diário total em relação a esse caudal máximo de forma a construir um gráfico com esta variável no eixo vertical e o número de dias no eixo horizontal (Brombach et al, 2003).

A construção gráfica do método segue as seguintes condições:

 O caudal das águas residuais domésticas calculado por um dos métodos anteriormente referidos ou através do caudal consumido, constante ao longo do tempo;

 A área do gráfico abaixo da linha do caudal das águas residuais domésticas corresponde ao volume total das águas residuais domésticas;  O volume total de infiltração e escoamento superficial corresponde à área do gráfico entre a curva de caudais e a linha horizontal do caudal das águas residuais domésticas;

É desenhada uma linha vertical que passa no ponto de separação entre os dias de tempo seco e os dias de tempo de chuva ou que sofreram influência de eventos pluviométricos. O ponto de interceção entre esta linha vertical e a curva de caudais é ligado à extremidade direita da linha do caudal das águas residuais domésticas, resultando numa reta, como representado na Figura 9.

(49)

21 Figura 9 – Construção gráfica do método do triângulo (Adaptado de Almeida,

2004).

Esta interceção permite quantificar o volume da afluência de águas pluviais e o volume de infiltração do solo separadamente sendo que a área à direita da reta de interceção corresponde ao volume total de afluência de águas pluviais e a área à esquerda corresponde ao volume total de infiltração da água dos solos, como representado na Figura 10.

Figura 10 – Quantificação das componentes do caudal registado através do método do triângulo (Adaptado de Almeida, 2004).

(50)

22

2.3.1 Casos de Estudo – Método do triângulo

2.3.1.1 ETAR de Mirandela

Em 1999 iniciou-se um estudo com a duração de 340 dias na ETAR de Mirandela, Portugal. Esta ETAR serve a população da cidade de Mirandela e duas aldeias do concelho, servindo aproximadamente 12500 habitantes. Os registos do caudal e precipitação são valores totais diários registados na ETAR de Mirandela e na estação pluviométrica de Mirandela, respetivamente. (Almeida, 2004)

Os registos do caudal e da precipitação apresentaram uma relação proporcional entre caudal registado durante a presença de eventos pluviométricos e a intensidade de precipitação.

Segundo Almeida (2004), durante os 340 dias o volume afluente à ETAR teve o valor de 504265m3, o caudal médio diário de origem residual doméstica foi estimado através da média dos caudais de 91 dias sem ocorrência de precipitação com valor de 1332 m3 totais diários. Com recurso ao método do triângulo obtiveram o diagrama representado na Figura 11.

Figura 11 - Aplicação do “método do triângulo” à ETAR de Mirandela (Almeida, 2004).

(51)

23 Com recurso à análise do diagrama elaborado, os autores obtiveram um volume de 31115 m3 de infiltração e 34755 m3 de afluência de águas pluviais, representando 7,1% e 13,1% do volume total, respetivamente.

2.3.1.2 ETAR do Freixo

Em 2002, realizou-se um estudo com duração de 340 dias na ETAR do Freixo, Portugal. A ETAR em questão situa-se na cidade do Porto e serve uma parte da população da cidade, aproximadamente 85000 habitantes.

Os dados recolhidos de caudal e precipitação são diários totais e foram registados na ETAR do freixo e na estação pluviométrica da Serra do Pilar, respetivamente (Almeida, 2004).

Os registos do caudal e da precipitação apresentaram uma relação proporcional entre caudal registado durante a presença de eventos pluviométricos e a intensidade de precipitação. No entanto, o aumento do caudal em Abril foi excluído pelo autor uma vez que o seu aumento não está associado a nenhum evento pluviométrico.

Neste estudo, Almeida (2004) apresenta o volume total afluente à ETAR nos 340 dias com um valor de 4534303m3 e o caudal médio diário de origem residual doméstica estimado através da média do caudal de 81 dias sem presença de precipitação com o valor de 12432m3 diários.

Recorrendo à utilização do método do triângulo, o autor realizou o diagrama apresentado na Figura 12.

(52)

24

Figura 12 - Aplicação do “método do triângulo” à ETAR do Freixo (Almeida, 2004).

Com recurso à análise do diagrama elaborado, os autores obtiveram um volume de 130174 m3 de infiltração e 321435 m3, representando 3,2% e 10,0% do volume total, respetivamente.

2.4 Métodos Químicos

Os métodos químicos são caracterizados pela utilização de um traçador químico que diferencia diretamente a origem do caudal presente na rede, nomeadamente o caudal das águas residuais domésticas do caudal das afluências indevidas (Kracht & Gujer, 2004).

Geralmente estes traçadores químicos são poluentes ou substâncias que diluem com a presença da água do solo ou de origem pluviais, reduzindo desta forma a sua concentração e estabelecendo uma relação entre a concentração do traçador e a quantidade de caudal das águas indevidas.

Grande parte dos estudos mais antigos assume que a qualidade da água é homogénea independentemente da área de estudo tendo apenas a população

(53)

25 como fator de influência na concentração dos traçadores presentes nas águas residuais domésticas (Gasperi et al., 2008).

Estudos mais recentes caracterizam a qualidade das águas residuais domésticas através da recolha de amostras, manual ou automaticamente, da água presente na rede de drenagem a ser estudada (Larrante, 2008).

Atualmente os traçadores mais utilizados para a quantificação das afluências indevidas são a carência química de oxigénio (CQO) e os isótopos da molécula da água. Outros traçadores como a carência bioquímica de oxigénio e o total de sólidos suspensos permitem perceber a existência ou não de afluência indevidas mas a sua quantificação através destes traçadores ainda não é reconhecida.

2.4.1 Carência Bioquímica de Oxigénio

A carência bioquímica de oxigénio é o teste utilizado com mais frequência na determinação da carga poluente presente nas águas residuais de origem doméstica e industriais, traduzindo a quantidade equivalente de oxigénio que seria consumido na oxidação das substâncias orgânicas ou inorgânicas. Ou seja, este teste determina a quantidade de oxigénio consumido na oxidação química da matéria orgânica e inorgânica oxidável presente na água. Segundo Bares (2011) afirma que a carência bioquímica de oxigénio é o melhor traçador natural para se usar na quantificação das afluências indevidas.

Kracht e Gujer realizaram em 2004 um dos estudos considerados mais completos na utilização da carência bioquímica de oxigénio para a quantificação das águas de infiltração do solo e pluviais em redes de drenagem de águas residuais domésticas com a apresentação do método das séries temporais de cargas poluentes.

Este método é dividido em duas fases, numa primeira fase mede-se contínua e simultaneamente o caudal e a concentração de um determinado parâmetro na rede de drenagem, analisando as séries temporais desse caudal e da sua concentração. Numa segunda fase realiza-se um modelo matemático que relaciona a concentração do poluente em ordem ao caudal registado.

(54)

26

Kracht e Gujer (2004) justificam a utilização do parâmetro CQO nas águas residuais domésticas dada a sua baixa ou nula concentração presente nas águas indevidas, evitando assim dificuldades acrescidas na determinação da massa poluente característica das águas derivadas de afluências indevidas na rede em estudo, ao contrário de outros traçadores que exigem que seja determinada a massa poluente que estes têm nas águas não residuais domésticas.

O método em questão inicialmente assume o caudal presente na rede como a soma do caudal das águas residuais domésticas e um determinado caudal de infiltração das águas do solo, equação (5).

(5)

Onde,

QT – Caudal total na rede (m3)

QARD – Caudal das águas residuais domésticas (m3)

QIAS – Caudal de infiltração das águas do solo (m3)

Os autores referem, quando há registos pormenorizados, a possibilidade de observar variações consideráveis na afluência de águas à rede ao longo do tempo, principalmente aquando da presença de grandes eventos pluviométricos. Estes eventos causam saturação do solo e o aumento do nível das águas do solo que levam à infiltração de um caudal atrasado e temporário. Este fenómeno de retenção temporária de águas de infiltração levou os autores a dividirem o caudal de afluências indevidas em duas parcelas, o caudal base de infiltração e uma outra componente de infiltração relativa ao caudal atrasado e temporário que diminui exponencialmente com o tempo, segundo a equação (6).

(6) Onde Q0 é a magnitude inicial do caudal que não pertence ao Qbase de inf no

(55)

27 calculado facilmente quando existem registos de pluviosidade e Q0 é estimado

através de um algoritmo de otimização.

Com base nos registos do caudal e da carência química de oxigénio das águas residuais domésticas, equação (7), calculam-se as séries temporais modeladas da carência química de oxigénio.

( )

(7)

Onde CQOARD,mod é a carência química de oxigénio modelada CQOARD é a

carência química de oxigénio registada. O valor de CQOARD pode ser

introduzido como constante na equação (7) mas como o seu valor de concentração no QARD é variável ao longo do tempo, foi criada uma relação

para estimar o valor de CQOARD em função do QARD, equação (8).

(8)

A variação de CQOARD é descrita por uma função periódica, com periocidade

de 1 dia, equação (9).

(9) Onde,

A - Amplitude das variações durante o dia de CQO freq – frequência da variação durante o dia de CQO

phase – cantante de periocidade relativa a um ciclo de 24h

Para descrever a dependência da concentração de CQO no caudal das águas residuais domésticas os autores optaram por uma função polinomial com coeficientes a, b e c calculados através de correlações, equação (10).

(10) Os autores deste método referem que não é viável acrescentar a esta metodologia um componente de caudal de afluência de águas pluviais,

(56)

28

consequência do escoamento superficial, devido a complicações dinâmicas temporais durante os eventos pluviométricos. Portanto, não é aconselhável a utilização deste método durante eventos pluviométricos, embora este possa ser utilizado em dias que estejam sobre a influência de águas no solo resultado de eventos pluviométricos, como é descrito no caso de estudo seguinte onde o autor realizou os estudos imediatamente apos um evento pluviométrico grande duração.

2.4.1.1 Casos de Estudo

2.4.1.1.1 ETAR de Uster, Suiça

Kracht e Gujer (2004) aplicaram o método das séries temporais de cargas poluentes em 2003 na ETAR de Uster e num coletor pertencente à rede de drenagem de águas residuais domésticas da vila de Rumlang. A ETAR serve aproximadamente 35000 habitantes enquanto o coletor que liga a vila à ETAR regional de Rumlang serve aproximadamente 5600 habitantes.

Os dados de CQO foram registados com intervalo de 2 minutos através de um espectrómetro submersível UV-VIS e o registo do caudal com intervalo de 1 minutos através de um caudalímetro ultrassónico. Com recurso a estes aparelhos os autores obtiveram uma relação entre a variação do caudal e a CQO registada, sendo que o aumento do caudal representava proporcionalmente um aumento da CQO.

O modelo matemático baseado nas equações referidas anteriormente foi implementado usando o instrumento de simulação e análise de registos AQUASIM (Reichert, 1994) e obtiveram-se valores muitos aproximados entre os dados registados de CQO e os modelados através deste método.

Os autores consideraram que o modelo de séries temporais de CQO permite uma reprodução aproximada dos valores reais, uma vez que os valores modelados se aproximam bastante dos valores reais.

(57)

29 Na Figura 13 está representada, graficamente, a separação do caudal registado em caudal de infiltração, caudal de infiltração atrasado e caudal de águas residuais domésticas. Os autores justificam o elevado caudal de infiltração atrasado registado no início de cada estudo pela existência de grandes eventos pluviométricos que ocorreram antes de iniciado cada estudo.

Figura 13 - Separação gráfica dos componentes do caudal registados em ambas as ETARs (Kracht & Gujer, 2004).

Através da quantificação das componentes do caudal registado, os autores determinaram os valores de infiltração de 66000-70000 m3 na ETAR de Uster e 4400-4900 m3 na tubagem de Rumlang, com uma percentagem de 62-65% e 35-38% do volume total, respetivamente.

2.4.1.1.2 ETAR de Praga

Bares et al. (2011) recorreram aos métodos químicos, nomeadamente à Carência Química de Oxigénio com recurso ao modelo de séries temporais de CQO, de forma a estudar a quantificação do caudal de infiltração na rede de drenagem de águas residuais da Cidade de Praga. Os valores do caudal afluente à ETAR e da Carência Química de Oxigénio foram registados em 5 tubagensError! Reference source not found. que servem a ETAR de praga, com auxílio de aparelhos especializados, ambos com intervalo de 6 minutos entre registos. O autor justifica o estudo das tubagens em períodos diferentes

(58)

30

devido à falta de material, em particular o aparelho UV/VIS utilizado na determinação da carência química de oxigénio.

O autor apenas registou os períodos com ausência de precipitação de forma a poder quantificar a infiltração estando as tubagens e a água presente na rede nas mesmas condições. O autor optou por calcular a percentagem de infiltração presente em cada tubagens de forma a determinar a influência que cada tubagem tem nas águas de infiltração que afluem à ETAR.

Os dados foram tratados com um intervalo de confiança de 95% devido a possíveis erros de medição e obtiveram-se os valores representados na Figura 14.

Figura 14 – Influência de cada tubagem na infiltração total ETAR de Praga (Bares et al., 2011).

O autor relacionou também o valor de infiltração com o valor médio de caudal mínimo noturno e com o caudal médio diário de caudal registado para cada tubagem. Os autores verificaram uma elevada quantidade de caudal de infiltração em ambos os casos, principalmente durante o período noturno onde é visível a superioridade de caudal de infiltração em relação ao caudal de águas residuais domésticas.

(59)

31

2.4.1.1.3 Projeto APUSS

Em 2005 foi lançado o relatório final APUSS, realizado pela Comissão Europeia, no qual estão referidos vários estudos em cidades e países diferentes com recurso ao método das séries temporais de cargas poluentes. Nos parágrafos seguintes serão feitas referências a esses estudos.

Na Alemanha foi realizada a monitorização de 6 tubagens com a cooperação de entidades alemãs e obtiveram os resultados representados na Tabela 1 Tabela 1 – Resultados do Projeto APUSS na Alemanha

Zona estudada

Gladbeck Bottrop Berlin Salzb Streett Mueva Lockwitz Caudal em tempo seco (l/s) 12 10 50 7 7.4 12 Habitantes 3670 4080 60000 4455 1300 2850 Percentagem de infiltração (%) 27,6 14,6 5 0 46 57 Duração da monitorização 2 Semanas 4 Semanas 4 Semanas 6 Meses 3 Meses 5 Dias

Em Roma, Itália, foi utilizado um caudalímetro para o cálculo da altura da lâmina liquida e da velocidade do escoamento e um espectrómetro para registar os valores de CQO de forma a quantificar a infiltração das águas do solo na ETAR de Infernetto.

Com recurso a um modelo matemático o autor determinou a infiltração média com o valor de 84,42 l/s, sendo que esta infiltração representa 52,27% do volume total.

No Reino Unido foi realizado um estudo na ETAR de Berkhamsted. Esta ETAR serve 25000 habitantes numa área de 8 Km2 onde 60% das tubagens têm mais que 100 anos de idade e têm um diâmetro compreendido entre 150 e 525 mm. Um estudo realizado anteriormente, durante o Inverno, mostrou uma infiltração na ordem dos 300% em relação ao caudal residual de origem doméstica, através da análise dos dados de caudal recolhidos.

(60)

32

Através da utilização de um espetrofotómetro submersível UV-VIS o autor determinou as series temporais de CQO de forma a aplicar o método das series temporais das cargas poluentes tendo em vista a quantificação da infiltração das águas do solo.

A separação dos componentes do caudal foi realizada através da aplicação dos registos nas series temporais modeladas através de uma regressão não linear resultando no valor de 10900 m3 de volume de infiltração, valor este que representa 37,1% do volume total registado.

2.4.2 Método dos isótopos estáveis

A água, no seu estado natural (H2O), é composta por três isótopos estáveis

(16O, 17O, 18O), dois isótopos estáveis de hidrogénio (1H, 2H) e um isótopo não estável (3H). A composição dos isótopos estáveis da água é muito robusta e não sofre alterações perante catividades químicas ou biológicas, principalmente quando circula nas infraestruturas da rede de drenagem de águas residuais, tornando-se um traçador natural com as características ideais para ser utilizado neste método (Bertrand-Krajewski, 2005).

Esta composição isótopa da água é utilizada como traçador de infiltração, uma vez que difere consoante a água em questão. A composição isotópica da água abastecida à população, a água residual doméstica e a água presente no solo são diferentes e através desta diferença consegue-se determinar a sua origem e quantificar as águas presentes na rede, nomeadamente a componente da água residual doméstica e a água do solo que entra na rede (Kracht et al., 2003).

A título de exemplo, foi realizado um estudo sobre o método dos isótopos estáveis numa tubagem experimental no âmbito do projeto APUSS. Na Figura 15 estão representados os valores registados de 18O relativos ao caudal das águas residuais domésticas durante 28 horas e os valores referência de 18O das águas dos solos e de consumo.

(61)

33 Figura 15 – Decomposição do hidrograma da água residual doméstica registada na tubagem, segundo o método dos isótopos estáveis (Bertrand-Krajewski, 2005)

Comparando os dados de 18O é possível observar que durante o período noturno (entre as 02:00 e as 06:00) os valores de 18O das águas residuais domésticas aproximam-se dos valores referência de 18O das águas dos solos e durante o dia os valores de 18O do caudal das águas residuais domésticas aproximam-se dos valores referência de 18O da água de consumo. Esta comparação permite assumir que durante o período noturno grande parte do caudal presente na rede tem como origem a infiltração das águas do solo (Bertrand-Krajewski, 2005).

Baseado nestes dados, o autor determinou que 17% do volume afluente tinha como origem a infiltração das águas do solo, 2% água de consumo sem resíduos e 8% águas residuais domésticas.

(62)

34

2.4.2.1 Casos de estudo Método dos Isótopos estáveis 2.4.2.1.1 Projeto APUSS

Em 2005 foi lançado o relatório final APUSS, realizado pela Comissão Europeia, no qual estão referidos vários estudos em cidades e países diferentes com recurso ao método dos isótopos estáveis. Nos parágrafos seguintes serão feitas referências a esses estudos.

Foi realizado o estudo de uma tubagem experimental em Ecully, perto de Lyon na França através da aplicação do método dos isótopos com vista à distinção e quantificação dos componentes do caudal afluente à tubagem, nomeadamente o caudal de infiltração e o caudal proveniente do consumo da população, Figura 16.

Figura 16 – Composição do hidrograma total diário resultado da utilização do método dos isótopos estáveis (Bertrand-Krajewski, 2005)

Com base nestes dados, o autor quantificou a infiltração das águas do solo em relação ao caudal total registado em tempo seco com valor de 63,5 m3/h durante o dia e 41,7 m3/h durante o período noturno, sendo que essa infiltração representa 38% e 56% do volume total registado, respetivamente.

(63)

35 Na ETAR de Infernetto, Roma, foi quantificado o caudal de infiltração através do método dos isótopos estáveis com recurso a um caudalímetro submersível (Sigma 900Max) para a monitorização da altura da lâmina líquida e velocidade do escoamento afluente à ETAR enquanto a carga poluente foi registada através de um amostrador automático (SIGMA 900MAX). Estas amostras foram analisadas em laboratório de forma a determinar a abundância de 18O.

Os componentes verificados no caudal afluente à ETAR, através do método dos isótopos estáveis, foram o caudal de infiltração e o caudal residual de origem doméstica. O caudal total médio diário de infiltração foi estimado em 49,9% ± 11,9% com precisão de ± 20%.

(64)

(65)

(66)

(67)

Caso de Estudo

37

3 Caso de Estudo

O presente estudo foi realizado na Estação de Tratamento de Águas Residuais da Freguesia de Folhadela (com as coordenadas 41°16' 49" N 7° 44' 25" O) em Vila Real, Portugal. Esta ETAR é explorada pela empresa EMAR e serve a população de Folhadela que, segundo os Censos realizados pelo Instituído Nacional de Estatística em 2011, é composta por 2261 habitantes, dos quais 2184 são habitantes presentes. A planta da rede de drenagem está representada na Figura 17. Esta ETAR recebe ainda as águas residuais provenientes do Complexo Desportivo da UTAD que não está representada na Figura 17.

Figura 17 – Planta da rede de drenagem da ETAR de Folhadela.

Para a monitorização do caudal afluente à estação utilizou-se um caudalímetro portátil ultrassónico representado na Figura 18, designado PCM4, que mede caudais não permanentes em condições não poluídas a muito poluídas, em canais parcialmente preenchidos a cheios, com as mais diversas formas geométricas.