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7. ÓRGÃOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DE DRENAGEM DE

ÁGUAS RESIDUAIS

7.1. Considerações de âmbito geral

Podem ser considerados órgãos comuns dos sistemas de drenagem de águas residuais, os colectores e respectivos acessórios, e as câmaras de visita. No caso de sistemas de drenagem unitários, é também corrente a utilização de sumidouros de grades e de sarjetas de passeio, por forma a serem captadas as águas pluviais superficiais.

Dada a multiplicidade de situações reais existentes na prática, e dados os constantes desafios colocados ao projectista de engenharia é também corrente o recurso a órgãos ou obras complementares, em regra previstas e projectadas para os sistemas mais complexos. Como exemplo de obras e órgãos especiais em sistemas de drenagem de águas residuais podem citar-se os atravessamentos com variação de secção (circular para rectangular e rectangular para circular), as instalações elevatórias (incluindo as com parafusos de arquimedes), as ponte-canal para transposição de linhas de água, os descarregadores e os sifões invertidos.

Neste capítulo são apresentadas as bases da concepção e dimensionamento hidráulico de alguns desses tipos de órgãos: sifões invertidos, descarregadores e instalações elevatórias de águas residuais.

Designa-se, usualmente, por sifão invertido (na terminologia anglo-saxónica depressed sewer ou inverted siphon), um troço gravítico de colector, localizado sob a linha de energia do escoamento, por onde a circulação da água se processa, obviamente, sob pressão. Em regra, este tipo de órgãos é concebido para transpor, sem perda significativa de energia, obstáculos diversos, como condutas de água e colectores pluviais (ou colectores domésticos, se os sifões invertidos forem de água pluvial), depressões naturais do terreno (vales com ou sem linhas de água), condutas de gás, etc..

No que respeita aos descarregadores, podem ser classificados, quanto à sua finalidade, em: descarregadores de tempestade, se se destinam a desviar caudais pluviais excedentes; descarregadores de transferência, se o seu objectivo é a transferência de caudais para colectores menos sobrecarregados e, finalmente, descarregadores de segurança, quando são implantados, essencialmente por razões de segurança, a montante de estações de tratamento, de estações elevatórias ou de outros órgãos importantes dos sistemas de drenagem e de tratamento de água residual.

Quanto à forma como funcionam, os descarregadores utilizados com mais frequência em redes de drenagem de água residual e pluvial podem ser classificados em descarregadores de superfície, laterais ou frontais, consoante o sentido preferencial do escoamento seja paralelo ou normal à crista do descarregador, e em descarregadores por orifício. Neste último caso e em regra, parte do caudal transportado pelo colector in-

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terceptado escoa-se por um orifício aberto lateralmente, para o colector interceptor ou para uma câmara intermédia que lhe dá acesso. Este orifício não funciona, usualmente, afogado. Por vezes, o orifício é colocado na soleira dos colectores (descarregador de salto).

No que respeita às instalações elevatórias, são relativamente frequentes em sistemas de drenagem, implantados em zonas planas, designadamente se forem de média ou grande dimensão. Embora o escoamento gravítico com superfície livre seja o usualmente recomendado para colectores de águas residuais, as condições topográficas locais podem levar a aconselhar, do ponto de vista técnico-económico, soluções que incluam instalações elevatórias. Um sistema elevatório, incluindo instalação e conduta elevatória, pode constituir uma alternativa viável a emissários gravíticos de grande extensão ou a emissários gravíticos implantados a elevada profundidade. A montante de Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) é corrente garantir-se a elevação de águas residuais recorrendo a instalações elevatórias com parafusos de arquimedes.

O texto constante nas secções 7.2 e 7.3 foi retirado, em grande parte, de Matos e Sousa 1987 e Sousa e Matos 1991.

7.2. Sifões invertidos

7.2.1. Considerações introdutórias

O sifão é um órgão especial que, tendo em conta a forma como funciona em termos hidráulico-sanitários, deve ser evitado, tanto em sistema de drenagem de água residual como de água pluvial.

Devido à sua disposição em perfil, com um trecho ascendente a jusante, por vezes implantado com um declive apreciável, o sifão invertido é um órgão especialmente vulnerável à ocorrência de deposições dos sólidos em suspensão transportados pela água residual ou pluvial. Esta situação pode ocorrer, nomeadamente nos períodos nocturnos, quando a tensão de arrastamento do escoamento for insuficiente para garantir auto-limpeza.

O facto do escoamento no interior do sifão se processar sob pressão pode, por outro lado, e em termos sanitários, ter um efeito bastante negativo, dada a ausência de arejamento da massa líquida. Ao atingir-se a condição de anaerobiose podem produzir-se sulfuretos, com todas as consequências daí decorrentes. Essas circunstâncias levam a que se deva encarar a concepção e dimensionamento de sifões invertidos de uma forma cuidada, atendendo a critérios e disposições específicas que se apresentam na secção 7.2.2.

7.2.2. Aspectos do dimensionamento

Tendo em conta as circunstâncias e condicionalismos apresentados em 7.2.1, o dimensionamento hidráulico-sanitário de um sifão invertido deve ser efectuado atendendo aos seguintes critérios e disposições:

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a) Critério de diâmetro mínimo: o diâmetro mínimo deve se estabelecido tendo em conta o perigo de obstrução das secções de escoamento. Metcalf & Eddy 1981 recomendam, respectivamente para redes de drenagem de água residual e de água pluvial, os valores de 200 e de 300 mm.

b) Critério de auto-limpeza: a velocidade média do escoamento deve ser tal que, com uma periodicidade diária, induza a verificação das condições de auto-limpeza. É corrente garantir, para que se satisfaça esse critério, velocidades mínimas do escoamento, respectivamente para redes de drenagem de água residual e de água pluvial, de 0,9 e de 1,25 a 1,5 m/s. Estas velocidades dizem respeito às condutas sob pressão que constituem os diversos ramos dos sifões.

c) Critério de velocidade máxima: a velocidade média do escoamento deve ser tal que não provoque erosão e desgaste significativo nas paredes dos colectores. É corrente admitir-se, para que se não verifiquem aquelas condições, uma velocidade máxima de 3 m/s.

d) Controlo sanitário: quando se preveja, devido ao estado de septicidade da água residual afluente ou às condições de desenvolvimento do sifão invertido, a ocorrência de circunstâncias que motivem a produção significativa de sulfuretos, torna-se necessário tomar providências com vista a proceder-se a um controlo adequado do comportamento sanitário do sistema. Este controlo pode ser efectuado adicionando produtos químicos à massa líquida (como nitrato de potássio, hidróxido de sódio, etc.) e injectando ar ou, eventualmente, oxigénio dissolvido, nos pontos baixos dos sifões invertidos, em locais onde as condições de velocidade do escoamento e de pressão e turbulência sejam suficientes para garantirem eficiências elevadas do processo de oxidação dos sulfuretos.

e) Ventilação: para assegurar a ventilação da massa de ar arrastada pelo escoamento com superfície livre no colector afluente à câmara de entrada do sifão, é vulgar conceber-se uma conduta de ventilação que assegure o escoamento do ar até à câmara de saída.

f) Perdas de carga: os diâmetros dos diversos ramos dos sifões invertidos devem ser estabelecidos de acordo com os caudais afluentes e com a energia disponível. Devido aos efeitos de resistência ao escoamento, provocados pela eventual formação e desenvolvimento do filme biológico nas paredes das condutas, é corrente admitirem-se, em projecto, coeficientes de rugosidade de Manning relativamente elevados (da ordem de 0,015 m-1/3s). Tanto a câmara de entrada como a câmara de saída dos sifões invertidos devem ser concebidas de modo a serem minimizadas as perdas de carga localizadas. Estas perdas têm especial relevância quando as velocidades do escoamento são elevadas e quando os descarregadores laterais estiverem em carga.

Na câmara de saída, assume especial importância uma concepção que minimize os efeitos da turbulência e dos vórtices provocados pelo funcionamento intermitente dos diversos ramos, o que pode ser conseguido colocando as saídas das condutas a cotas desiguais e suavizando as paredes das caleiras no interior daquela câmara. Se as perdas de carga reais forem superiores às perdas de cargas calculadas, podem ocorrer regolfos de elevação, em regime lento, nos colectores que se desenvolvem a montante das câmaras de entrada. Nesses casos, podem verificar-

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se ao longo desses colectores decréscimos da ventilação, da velocidade de escoamento e do rearejamento da massa líquida.

g) Verificação da pressão interna: os diversos ramos dos sifões devem ser construídos com materiais que resistam à pressão induzida pelo escoamento do caudal máximo previsto. A verificação das pressões internas deve ser efectuada tendo em conta a linha energia dinâmica do escoamento, para as condições de caudal máximo.

Convém ainda referir que, por vezes, a variabilidade dos caudais afluentes torna difícil ou impossível fazer cumprir simultaneamente, num sifão invertido simples (constituído apenas por um ramo, além das câmaras de entrada e de saída), o critério de auto-limpeza e de velocidade máxima. Esta situação leva a que se reparta o caudal afluente por dois ou mais ramos implantados em paralelo. É corrente conceber-se, em sistemas unitários, três ramos em paralelo, dimensionados para escoarem os caudais indicados no Quadro 7.1. Por vezes, para caudais reduzidos, a repartição é apenas efectuada por dois ramos, tal como indicado no exemplo de cálculo.

QUADRO 7.1 - Repartição de caudal nos sifões invertidos Caudal a transportar Nº de ordem dos ramos

Caudal mínimo 1º Caudal máximo de estiagem1 1º e 2º Caudal máximo de tempestade1 1º, 2º e 3º

7.2.3. Exemplo de cálculo

Pretende-se dimensionar um sifão invertido, compreendendo mais do que um ramo em paralelo, uma câmara de entrada e outra de saída. Os dados de base são os que a seguir se indicam..

- Dados:

a) Comprimento: L = 30 m

b) Diâmetros dos colectores, a montante e a jusante do sifão: D = 400 mm

c) Inclinação dos colectores, a montante e a jusante: J = 0,0039 m/m

d) Caudais de projecto:

Caudal de ponta doméstico: Q1 = 0,030 m3/s

Caudal máximo de tempestade ou de ponta de cheia: Q2 = 0,130 m3/s (que

corresponde ao caudal escoado a secção cheia, no colector de diâmetro 400 mm, com

n = 0,013 m-1/3s)

e) Perda de carga disponível: H = 0,55 m

f) Comprimento dos descarregadores, na câmara de entrada: b = 1 m

- Resolução 1 Considerado o caudal de ponta doméstico

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Perda de carga localizada, arbitrada, na câmara de entrada: ΔHe = 0,15 m

1) Ramos

a) Perda de carga unitária disponível: J = (0,55-0,15)/30 = 0,0133 m/m

b) Diâmetro dos diversos ramos e velocidade do escoamento: Nº de ordem

do ramo Diâmetro

(mm) Caudal transportado

(m3/s) Velocidade média

(m/s) 1º 200 0,033 (0,03) 1,04 2º 300 0.097 (0,130-0,033=0,097) 1,37

Considera-se n = 0,015 m-1/3s, dada a previsão de instalação de filme biológico nas canalizações dos diversos ramos do sifão. Os valores entre parêntesis representam os caudais a escoar pelos ramos em causa, de acordo com o critério de repartição de caudais. Os valores fora dos parêntesis resultam, directamente, do cálculo hidráulico, obtido com base na perda de carga unitária disponível e no diâmetro comercial seleccionado.

2) Câmara de entrada

a) Altura da crista do descarregador (h1):

Considera-se a altura da crista do descarregador (h1) igual à altura de escoamento, em regime uniforme, correspondente ao caudal escoado pelo ramo nº 1 do sifão. Nestas condições, para o diâmetro de 400 mm do colector afluente, com uma inclinação de 0,0039 m/m e para um caudal de 0,033 m3/s, obtém-se a altura uniforme de escoamento igual a 0,137 m. A altura uniforme pode ser calculada de forma analítica, a partir das expressões apresentadas em Quintela 1981, ou consultando um ábaco apropriado.

b) Verificação das perdas de cargas localizadas:

1º Ramo

. podem desprezar-se, na prática, as perdas de carga localizadas, dado o carácter acelerado do movimento e o ramo do sifão se desenvolver no enfiamento do escoamento de montante.

2º Ramo

. carga disponível sobre o descarregador

h2-h1 = 0,400 - 0,137 = 0,263 m

. velocidade média sobre o descarregador (admitindo um comprimento de 1 m):

V = Q/S = 0,097/(1x0,263) = 0,37 m

. perda de carga sobre o descarregador

1 Considerado o caudal de ponta de cheia acrescido do caudal doméstico

200

ΔH21 = 1,5 V2/2g = 1,5 x 0,372/19,6 = 0,010 m = 10 mm

. transformação de energia potencial em energia cinética à entrada do 2º ramo

(hipótese conservadora)

ΔH22 = V2/2g = 1,372/19,6 = 0,096 m = 96 mm, sendo V a velocidade média no 2º

ramo do sifão

. perda de carga total

ΔH2 = ΔH21 + ΔH22 = 106 mm < 150 mm (valor inicialmente arbitrado).

c) Cota de implantação dos diversos ramos

As secções de entrada dos diversos ramos devem ser colocadas a cotas tais que não provoquem regolfos de elevação a montante, nem afogamento do descarregador. Sendo assim, e atendendo às perdas de carga estimadas para o escoamento na câmara de entrada, podem calcular-se as cotas máximas das soleiras das diversas entradas nos ramos, para as quais aquelas condições não se verificam. Neste exemplo, considera-se a soleira do colector de entrada, de diâmetro 400 m, à cota zero.

Nº de ordem do ramo

Altura máxima da soleira dos ramos (secção inicial) na câmara de entrada

Altura adoptada (mm)

1º 1371-2002 = -63 -70 2º 4001-1063-3002 = -6 -70

Por razões construtivas foram dispostas as soleiras no início dos dois ramos a igual cota, isto é, uniformizou-se a cota da soleira das secções de entrada nos dois ramos, na câmara de entrada, com base num valor mínimo imposto, que garante a inexistência de regolfos para montante.

3) Câmara de saída

Tendo em conta as disposições apresentadas nas alíneas b) e d) da secção 7.2.2, é conveniente dispor a cota de soleira da secção de saída do colector do 2º ramo, a um valor superior à cota de entrada de sólidos em suspensão transportados pela água residual no 1º ramo, quando no 2º ramo se verifique uma velocidade que não garanta auto-limpeza. As coroas dos dois ramos, na secção de saída, são dispostas de modo a ficarem alinhadas com as alturas de escoamento uniforme no colector de jusante, correspondentes aos caudais de projecto.

Apresentam-se, na Figura 7.1, plantas e cortes do sifão invertido concebido de acordo com os cálculos apresentados no exemplo.

1 Altura da crista do descarregador respectivo, cujo comportamento hidráulico não deve ser

influenciado pela cota do nível da água a jusante.

2 Diâmetro dos ramo do sifão.

3 Perdas de carga previamente calculadas.

201

Figura 7.1 - Planta e cortes do sifão invertido apresentado no exemplo de cálculo (retirada de Sousa e

Matos, 1991).

7.3. Descarregadores

7.3.1. Considerações introdutórias

Os descarregadores são, usualmente, utilizados na beneficiação do comportamento de sistemas de drenagem unitários ou pseudo-separativos, de modo a desviar os caudais domésticos para emissários afluentes às ETAR. Nestas circunstâncias, os descarregadores devem ser dimensionados de forma a que os caudais desviados sejam limitados aos caudais de dimensionamento das infra-estruturas dispostas a jusante. Em sistemas unitários na Europa, é usual proceder-se ao desvio de duas vezes o caudal de ponta de tempo seco ou seis vezes o caudal médio, assegurando o tratamento integral dos caudais de ponta domésticos em tempo seco e, ainda, parte dos caudais pluviais, em tempo húmido.

Por vezes, no entanto, e por razões de segurança, estes órgãos são colocados em sistemas de drenagem concebidos para funcionarem de forma separativa, a montante de estações de tratamento ou de instalações elevatórias. A sua função, nestes casos, é

202

garantir que não afluem, a jusante, caudais superiores aos de dimensionamento daqueles órgãos do sistema.

Embora os descarregadores laterais sejam os mais utilizados, em determinadas condições, nomeadamente face à ocorrência de pequenos caudais, são utilizados descarregadores de superfície frontais e de salto.

No caso do descarregador de superfície frontal, pode considerar-se, em regime permanente, a carga constante ao longo da crista. Neste caso, o dimensionamento hidráulico é simples e apenas dependente da lei de vazão do descarregador.

No caso do descarregador de salto, existe um orifício concebido para a vazão do caudal de estiagem. O caudal excedente transpõe esse orifício cuja abertura deve ter dimensão adequada ao caudal de cálculo.

Segundo Ministry of Housing and Local Government 1970, apenas 8% dos sistemas de drenagem de águas residuais do Reino Unido são inteiramente separativos, sendo 41% pseudo-separativos. Por outro lado, foram identificados, neste país, mais de oitocentos descarregadores, sendo cerca de dois terços descarregadores laterais. Em Portugal, é muito comum a utilização de descarregadores de superfície laterais, como órgãos de segurança a montante de estações de tratamento de águas residuais.

O controlo do caudal desviado pode ser concretizado pela cota das próprias paredes descarregadoras, por intermédio de equipamento de regulação de caudal ou de tubos curtos. No primeiro caso, a crista da parede descarregadora é colocada à cota correspondente à altura do escoamento, em regime uniforme, correspondendo ao caudal que se pretende desviar. Quando os caudais são superiores àquele limite, é desviado uma parcela, que pela própria lei de vazão do descarregador aumenta com o incremento do caudal afluente, não sendo assim possível controlar eficazmente o caudal desviado.

Se à parede descarregadora for associado um “tubo curto” (colector de diâmetro reduzido, com escoamento em pressão), possibilita-se um maior controlo do caudal desviado. No entanto, a aplicação desta solução não é muitas vezes adequada pois acarreta problemas de operação, nomeadamente de entupimentos.

As válvulas de regulação de caudal constituem uma das soluções mais adequadas para controlar os caudais desviados para os sistemas interceptores, pois asseguram que, independentemente da carga hidráulica a montante, os caudais desviados não excedem os valores pré-determinados.

Assim, no presente sub-capítulo, são desenvolvidas as bases de cálculo e dimensionamento de descarregadores de superfície laterais. São igualmente descritos os principais critérios a considerar na concepção de câmaras de desvio, referindo-se as características de funcionamento dos reguladores de caudal mais usuais: as válvulas de “vórtice” e as válvulas de “flutuador”. A selecção do tipo de regulador depende das características da rede, nomeadamente do caudal e das alturas de escoamento, tanto em tempo seco como em tempo de chuva, no colector unitário a interceptar.

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7.3.2. Dimensionamento de descarregadores

7.3.2.1. Critérios de dimensionamento

Os descarregadores de superfície, em particular os implantados a montante de estações de tratamento, devem ser concebidos e dimensionados tendo em vista a satisfação dos seguintes requisitos:

a) minimização da turbulência e dos riscos de obstrução dos colectores a jusante;

b) auto-limpeza;

c) minimização dos cuidados de exploração e conservação;

d) entrada em funcionamento, apenas para caudais superiores a um certo limite, pré-fixado;

e) acréscimo do caudal descarregado, em função do caudal afluente, de modo a permanecer aproximadamente constante o caudal de água residual a tratar;

f) minimização da poluição causada pelos caudais descarregados, nomeadamente em termos de sólidos flutuantes e em suspensão.

No caso dos descarregadores laterais, o objectivo referido na alínea d) é concretizado colocando as cristas a cotas suficientemente altas para garantir que os caudais transportados em tempo seco não sejam descarregados. É razoável, segundo esta perspectiva, colocar a crista dos descarregadores à altura correspondente ao escoamento do caudal máximo de estiagem. Em Ministry of Housing and Local Government 1970 é divulgada a prática usual, no Reino Unido, de dimensionar os descarregadores para caudais superiores a seis vezes o caudal médio de estiagem (Qme) (entende-se por caudal médio de estiagem o caudal médio em tempo seco, excluindo caudal de infiltração), garantindo-se tratamento secundário para metade desse caudal (3 x Qme). O restante caudal (3 x Qme) é apenas sujeito a uma simples decantação, sendo os tanques dimensionados para um tempo de retenção de duas horas.

Os objectivos referidos nas alíneas e) e f) que traduzem, respectivamente, a eficiência de comportamento hidráulico e sanitário dos descarregadores, podem ser satisfeitos, pelo menos parcialmente, controlando, por intermédio de uma válvula ou de um tubo curto funcionando sob pressão, o escoamento para jusante, e instalando anteparas laterais. As anteparas, que devem ser colocadas sobre o canal descarregador aproximadamente ao nível das cristas, têm como função evitar a descarga dos corpos flutuantes e possibilitar, assim, o respectivo transporte para a estação de tratamento. Apresenta-se na Figura 7.2, o corte de um canal descarregador com as anteparas laterais.

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Figura 7.2 - Corte esquemático de um canal descarregador com anteparas laterais (retirado de Sousa e Matos, 1991).

A cota das cristas dos descarregadores deve ser suficientemente baixa para garantir, sem a ocorrência de grandes regolfos de elevação prejudiciais, a descarga dos caudais de tempestade, quando da ocorrência de chuvadas. Os volumes descarregados podem ser conduzidos, em regra sem qualquer tratamento, para uma linha de água natural, ou podem ser armazenados temporariamente, após gradagem, em tanques previstos para o efeito.

7.3.2.1. Bases teóricas do dimensionamento hidráulico

Considera-se um canal de secção transversal qualquer, onde exista um descarregador lateral de comprimento L e de crista paralela ao fundo do canal. Nestas condições, e estando o descarregador em carga, o caudal sofre, ao longo do percurso, uma diminuição gradual.

A condição de constância da energia específica determina que num canal descarregador lateral, de secção constante, a curva de regolfo seja ascendente para jusante, em regime lento, e descendente em regime rápido, como facilmente se conclui da análise da curva representativa da função h = h(Q), em que h é a altura de escoamento no canal e Q é o caudal escoado, para energia específica constante, Ho. Esta situação está representada graficamente na Figura 7.3.

Observa-se que a condição mencionada é, em regra, admitida como hipótese de base para o estudo do escoamento em descarregadores de superfície laterais e, segundo DE MARCHI, fornece resultados muito próximos dos obtidos experimentalmente, quando o regime de escoamento é lento e o declive do canal é fraco.

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Figura 7.3 - Tipos de curvas de regolfo em descarregadores laterais, para H=Ho.

A curva de regolfo pode ser obtida a partir da condição de energia específica constante, da lei de vazão do descarregador e do conhecimento das condições de escoamento na secção de controlo. DE MARCHI identificou os seguintes perfis da superfície livre, em descarregadores laterais:

1º Caso de canal com inclinação forte e regime rápido a montante do descarregador: o perfil da água é descendente para jusante e evolui de acordo com a representação esquemática apresentada na Figura 7.4 - a); a montante do descarregador o regime é uniforme e a jusante a altura de água aproxima-se assimptoticamente da altura uniforme.

2º Caso do canal com inclinação fraca e crista do descarregador acima da altura crítica: o perfil da água é ascendente para jusante e evolui de acordo com a representação esquemática apresentada na Figura 7.4 - b); a jusante do descarregador o regime é uniforme e a montante a altura de água é superior à altura crítica mas inferior à altura uniforme, que se estabelece ainda mais a montante.

3º Caso de canal com inclinação fraca e crista do descarregador abaixo da altura crítica: o perfil da água é descendente para jusante e evolui de acordo com a representação esquemática apresentada na Figura 7.4 - c); na secção de montante do descarregador, a altura de água aproxima-se da altura crítica e, ao longo do descarregador, o escoamento dá-se em regime rápido; a jusante verifica-se um regolfo de elevação e um ressalto, após o qual se estabelece o regime uniforme.

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Figura 7.4 - Regolfos em descarregadores laterais para H = Ho.

Existem, no entanto, outros perfis possíveis de superfície livre, induzidos, nomeadamente, pela condição da altura de água a jusante do descarregador ser superior à altura uniforme, ou superior ao diâmetro do colector se o escoamento se verificar sob pressão. A condição referida pode manifestar-se na sequência da obturação da secção do escoamento, ou se a capacidade de transporte do colector implantado a jusante for, voluntária ou involuntariamente, insuficiente para o transporte, com superfície livre, dos caudais afluentes. Nestas circunstâncias, o perfil da água no canal descarregador pode ser ascendente, e evoluir de acordo com a representação esquemática apresentada na Figura 7.4 - d).

Embora seja possível a ocorrência de ressaltos hidráulicos no interior dos canais descarregadores, promovendo a passagem do regime rápido, a montante, para o regime lento, a jusante, tal não foi contemplado na Figura 7.4. Nesta figura hc e hu representam, respectivamente, as alturas de água correspondentes aos regimes crítico e uniforme e ic representa a inclinação crítica.

Perfil da água descarregada

Segundo Metcalf & Eddy 1981, no caso do perfil da água ser descendente no descarregador, a análise teórica desenvolvida por DE MARCHI não se ajusta bem aos resultados experimentais, sendo conveniente adoptar outra formulação teórica, apresentada pela primeira vez por Ackers.

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Este autor propõe uma expressão que pode ser apresentada na seguinte forma:

L = 2,03 B {2,83 [(m2-0,4)1/2 (1-0,4 p/H1) +

+ 0,310 p/H1 - 0,948 arcos (0,4/m2)1/2 + 0,065]} (7.1)

sendo,

L -comprimento do descarregador (m);

B -largura do canal (m);

h1 -altura de água a montante, medida a partir da crista do descarregador (m); h2 -altura de água a jusante, medida a partir da crista do descarregador (m); m2 -parâmetro dado por h1/h2 (m/m);

p -altura da crista do descarregador, referida à soleira do canal (m);

H1 -energia específica do escoamento, referida à crista do descarregador (m).

No Quadro 7.2 apresentam-se, para diversos valores do parâmetro m2, as equações que resultam da aplicação da expressão (7.1).

QUADRO 7.2 - Expressões de cálculo de descarregadores laterais com perfil de água descendente

m2 = h1/h2 Expressões de cálculo 5 L = 2,03 B (2,81 - 1,55 p/H1) 7 L = 2,03 B (3,89 - 2,03 p/H1)

10 L = 2,03 B (5,28 - 2,63 p/H1) 15 L = 2,03 B (7,22 - 3,45 p/H1) 20 L = 2,03 B (8,88 - 4,13 p/H1)

Segundo Ackers, a energia específica, H1, referida à crista do descarregador, pode ser calculada pela seguinte expressão:

H1 = α Vu2/2g + λ (hu-p) (7.2)

sendo,

α -coeficiente de energia cinética (adimensional);

Vu -velocidade média do escoamento correspondente ao regime uniforme no canal de chegada (m/s);

λ -coeficiente que exprime a variação da cota piezométrica na secção considerada;

hu -altura de água correspondente ao regime uniforme no canal de chegada (m).

Com base em resultados experimentais, Ackers, sugere as seguintes relações:

h1 = H1/2 (7.3)

ou o que é equivalente,

h2 = H1 /(2 m2) (7.4)

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e os seguintes valores:

- na secção de montante do descarregador, α = 1,2 e λ = 1,0

- na secção de jusante do descarregador, α = 1,4 e λ = 0,95

Convém frisar que as expressões (7.1) e (7.2) só se devem aplicar no caso do perfil da água no descarregador lateral ser descendente, o que ocorre quando a razão entre a altura da crista do descarregador e a energia específica do escoamento, referida à cota da crista, é inferior a 0,6. Na secção 7.3.4 é apresentado um exemplo ilustrativo da aplicação desta formulação.

A relação entre os parâmetros m2, p/H1 e L/B representa-se graficamente na Figura 7.5.

Figura 7.5 - Relação entre os parâmetros de cálculo m2, p/H1 e L/B, para descarregadores laterais com perfil descendente (adaptada de Metcalf & Eddy 1972 e retirada de Sousa e Matos, 1991).

Perfil da água descarregada

No caso do perfil de água no descarregador lateral ser ascendente para jusante, situação que se ilustra na Figura 7.4 -d), recomenda-se a aplicação da expressão desenvolvida por DE MARCHI para canais de secção rectangular que pode ser apresentada sob a forma seguinte:

I - Io = B/C {[(2Ho-3p)/(Ho-p)] [(Ho-h)/(h-p)]1/2 - 3 arcsen [(Ho-h)/(Ho-p)]1/2} (7.5)

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sendo,

I -distância da origem de referência até à secção considerada (m);

Io -abcissa da secção (real ou ideal), na qual se verificam as seguintes relações; h=Ho e Q=0 (m)

B -largura do canal (m);

C -coeficiente de vazão do descarregador;

Ho -energia específica do escoamento, referida ao fundo do canal, dada por h + + V2/2g (m);

p -altura da crista do descarregador, referida ao fundo do canal (m);

h -altura de água no canal descarregador (m);

V -velocidade média do escoamento no canal (m).

Se se definir a função φ (h/Ho), que substitua os termos entre chavetas da expressão (7.5) e se se proceder ao cálculo do seu valor para os diversos valores de h/Ho e p/Ho, obtêm-se os resultados apresentados na Figura 7.6.

Por outro lado, dado que Io é uma constante de integração, o comprimento entre duas secções do descarregador pode ser traduzido por I2-I1; assim, quando φ(h/Ho) é calculado num e noutro extremo do descarregador, I2-I1 = Lt iguala o comprimento teórico da crista do descarregador. Nestas condições, obtém-se a seguinte expressão:

Lt = B/C [φ(h2/Ho) - φ(h1/Ho)] (7.6)

Figura 7.6 - Variação da função φ(h/Ho) com os parâmetros p/Ho e h/Ho, para descarregadores

laterais com perfil ascendente (adaptada de Metcalf & Eddy 1972 e retirada de Sousa e Matos 1991).

210

Na expressão (3.6) o coeficiente C pode tomar valores próximos de 0,415. No entanto, segundo Subramanya e Awasthy, citados em Metcalf & Eddy 1981, tal coeficiente toma valores inferiores a 0,415 e que são função do número de Froude do escoamento.

É proposto, dadas essas circunstâncias, um factor correctivo a aplicar ao comprimento teórico determinado a partir da expressão (7.6). Nestas condições verifica-se que:

L = K Lt (7.7)

K = 3,1/(2,8 - Fr1) (7.8)

sendo,

Lt -comprimento teórico do descarregador, calculado admitindo, na expressão (7.6), C = 0,415 (m);

K -factor correctivo a aplicar ao comprimento teórico do descarregador;

Fr1 -número de Froude do escoamento, na secção de montante do canal descarregador, dado por V1/(g h1)1/2.

Ao aplicar-se a expressão (7.6), admite-se que a energia específica do escoamento ao longo do descarregador lateral é constante. Num canal de secção rectangular, a altura de escoamento, o caudal escoado e a energia específica relacionam-se pela seguinte expressão:

Q = B h [2g(Ho-h)]1/2 (7.9)

A aplicação das expressões anteriores permite resolver, de uma forma iterativa, a maioria dos problemas com descarregadores laterais que se podem encontrar em casos práticos.

7.3.2.1. Exemplos de cálculo

Nesta secção são apresentado dois exemplos de cálculo ilustrativos do dimensionamento hidráulico de descarregadores laterais, em que a curva de regolfo tem um perfil descendente para jusante e um outro em que o perfil é ascendente.

A) Caso de curva de regolfo no descarregador com perfil descendente

Neste exemplo de cálculo, pretende-se dimensionar um descarregador lateral a montante de uma estação de tratamento de água residual (ETAR), com uma capacidade inferior à capacidade de transporte, a secção cheia, do colector unitário afluente.

- Dados

a) Diâmetro do colector afluente: D = 600 mm

b) Declive do colector: J = 0,003 /m

c) Coeficiente de rugosidade de Manning: n = 0,013 m-1/3s

211

d) Caudal máximo de cheia: Q1 = 0,250 m3/s

e) Caudal máximo de estiagem: Q2 = 0,03 m3/s

f) Caudal máximo admitido na ETAR: Q3 = 0,110 m3/s

- Cálculos

a) Determinação das características hidráulicas do escoamento, em regime uniforme, no colector de chegada

Q (m3/s) hu (m) Vu (m/s) 0,14 0,21 1,07 1,90 0,88 2,14

Como ao caudal máximo de 0,25 m3/s corresponde uma altura crítica hc de 0,33 m, inferior à altura uniforme hu, o regime uniforme nessas condições de escoamento pode ser considerado lento.

Por outro lado, dado que se pretende que a totalidade do caudal em tempo seco aflua à ETAR, é necessário colocar a crista do descarregador pelo menos a uma altura, referida ao fundo do canal, igual a 0,12 m. A esta altura do escoamento corresponde uma largura superficial de 0,48 m.

b) Análise do comportamento hidráulico do descarregador lateral para o caudal afluente máximo:

. Determinação da energia específica do escoamento, na secção de montante:

H1 = 1,2 Vu2/2g + 1,0 (hu-p) = 1,2 x (1,302/19,6) + 1,0 x (0,39-0,12) = 0,37 m

. Verificação do tipo de curva de regolfo

p/H1 = 0,12/0,37 = 0,32 < 0,60

ou seja, pode considerar-se uma curva de regolfo com perfil descendente para jusante (ocorrendo, assim, em regime rápido).

. Determinação do comprimento do descarregador:

Admitindo-se m2 = h1/h2 = 10, tem-se, consultando o Quadro 7.2:

L = 2,03 B (5,28-2,63 p/H1) = (2,03x0,48) x (5,28-2,63x0,32) = 4,3 m

. Determinação do caudal máximo afluente à ETAR

1,4 V22/2g = H2 - 0,95 (h-p)2 = H1 - 0,95 h2 = H1 - 0,95 [H1/(2m2)] =

= 0,37 - 0,95 [0,37/(2x10)] = 0,352 m

donde resulta:

V2 = 2,22 m/s

212

h1 = H1/2 = 0,37/2 = 0,185 m

h2 = h1/m2 = 0,185/10 = 0,018 (altura de água referida à crista do descarregador).

Por outro lado, a altura de água a jusante, referida ao fundo do canal, será dada por:

h2* = 0,12 + 0,018 = 0,138 m

Por relações geométricas, a partir da altura do escoamento h2* pode determinar-se a secção do escoamento S, donde resulta:

S = 0,049 m2

Q = V S = 2,22 x 0,049 = 0,108 m3/s < 0,110 m3/s

- Comentários

Dado o facto de o caudal afluente à ETAR, em situação de tempestade, ser inferior à sua capacidade, pode considerar-se o descarregador lateral bem dimensionado em termos hidráulicos.

Se se tivesse arbitrado um valor inferior para o parâmetro m2, o comprimento do descarregador viria menor do que 8,7 m, o que conduziria, possivelmente, ao seu subdimensionamento e à necessidade de o redimensionar:

B) Caso de curva de regolfo no descarregador com perfil ascendente

Neste exemplo de cálculo, pretende-se determinar o comprimento de um descarregador lateral que se desenvolve a montante de uma ETAR, de tal modo que o caudal afluente à mesma não ultrapassa a sua capacidade.

- Dados

a) Secção do colector unitário: quadrangular, com 0,40 x 0,40 m2

b) Declive do colector: J = 0,0015 m/m

c) Coeficiente de rugosidade de Manning: n = 0,013 m-1/3s

d) Caudal máximo admitido na ETAR: Q = 0,04 m3/s

e) Caudal máximo afluente ao descarregador: Qo = 0,052 m3/s

- Cálculo

a) Determinação das características hidráulicas do escoamento, em regime uniforme, no colector que se desenvolve a jusante do descarregador.

Q = 0,04 m3/s

(h2)u = 0,166 m

(V2)u = 0,60 m/s

Ho = h2 + V22/2g = 0,166 + 0,602/19,6 = 0,184 m

b) Escolha da altura de crista do descarregador

213

Neste exemplo de cálculo considera-se a altura da crista do descarregador de modo a que o perfil da água seja ascendente, ou seja, a um cota superior à altura crítica. Para canais de secção rectangular, isto equivale à condição:

p > 2/3 Ho

Considerando p = 0,7 Ho, obtém-se p = 0,7 x 0,184 = 0,13 m

c) Determinação da altura de água a montante do descarregador

A altura de água a montante do descarregador pode ser determinada resolvendo a seguinte expressão, iterativamente:

h1i+1 = Ho - V1i2/2g, com V1i = Qo/(bxh1i) = 0,052 / (0,40xh1i)

donde resulta (em regime lento) h1 = 0,14 m e V1 = 0,94 m/s

d) Determinação do comprimento do descarregador:

h1/Ho = 0,14/0,184 = 0,76; h2/Ho = 0,166/0,184 = 0,90; p/Ho = 0,7

Recorrendo à Figura 7.6, obtém-se:

φ(h1/Ho) = -4,2 e φ(h2/Ho) = -2,2

donde resulta,

Lt = 0,4/0,415 x (-2,2+4,2) = 1,93 m

Fr1 = 0,94/(9,8x0,14)1/2 = 0,80

L = 3,1/(2,8-0,80) x 1,93 = 3 m

- Comentários

A um comprimento do descarregador lateral de 3 m corresponde um caudal descarregado de 0,012 m3/s e um caudal afluente à ETAR igual ao máximo admitido, de 0,04 m3/s. O escoamento dá-se sempre em regime lento.

7.3.2.1. Considerações finais

Embora a expressão (7.5) possa ser aplicada, tanto no caso de regime rápido como de regime lento, ajusta-se melhor à realidade do segundo caso, nomeadamente quando o número de Froude do escoamento na secção de montante do descarregador varia entre 0,3 e 0,92 e a curva de regolfo tem perfil ascendente para jusante. Para a resolução das restantes situações, recomenda-se a aplicação da expressão (7.1).

Existem casos em que a situação pode aconselhar a construção de dois descarregadores (primário e secundário), dispostos em série, ou a construção de canais descarregadores, em que a carga de água é controlada pela capacidade de vazão de um tubo curto, por um orifício, ou pelo grau de abertura de uma válvula comandada ou não automaticamente. Na prática, são, em regra, estes últimos casos que interessa considerar.

Segundo Minsitry of Housing and Local Government 1970, os descarregadores mais eficientes, nomeadamente no que concerne o cumprimento dos pontos e) e f) referidos

214

na secção 7.3.2 destas folhas, são aqueles em que existe controlo de escoamento por jusante, nas condições atrás referidas, induzindo cargas hidráulicas elevadas no canal descarregador e a presença de um perfil de água ascendente (regime lento). Esta situação é especialmente favorável quando combinada com a existência de canais descarregadores com cristas altas, colocadas aproximadamente ao nível da cota da coroa do colector afluente. A montante convém que esteja estabelecido o regime lento, para evitar a possível ocorrência de ressaltos hidráulicos.

A Figura 7.7 é apresentada com o objectivo de evidenciar a diferença entre o comportamento hidráulico de descarregadores de superfície laterais, face a duas situações distintas de funcionamento.

Figura 7.7 - Comportamento hidráulico de um descarregador de superfície lateral face a diversas

condições de escoamento (adaptada de Matos e Sousa, 1987.

Na primeira, o regime de escoamento não é controlado por jusante e o perfil de água é descendente. Nestas condições, o caudal que não é descarregado (qa) é, invariavelmente, mesmo para elevados desenvolvimentos do canal descarregador, bastante superior ao limite desejável. Teoricamente, esse valor nunca deverá ser superior ao caudal máximo de estiagem (Qme).

Na segunda situação, o regime de escoamento considera-se controlado por jusante (eventualmente recorrendo a uma válvula motorizada) e o perfil de água é ascendente. Admitiu-se, na Figura 7.7, uma altura de água a jusante do canal descarregador independente do caudal afluente e igual a 0,80 m. Nestas condições, mesmo com canais descarregadores de reduzida extensão e, portanto, mais económicos, torna-se possível

215

garantir o escoamento de caudais, para jusante, semelhantes ao caudal máximo de estiagem.

7.3.3. Concepção de câmaras de desvio

As câmaras de desvio podem ser constituídas pelas seguintes quatro partes, que se representam esquematicamente na Error! Reference source not found. (MATIAS, 2006):

• Uma câmara central que dispõe de uma caleira por onde a água residual do colector unitário é conduzida à entrada do elemento regulador de caudal e que se encontra separado da câmara de retenção e de alívio por muros com cristas a cotas distintas (a altura do muro da câmara de retenção é inferior à altura do muro da câmara de alívio).

• Uma câmara de retenção que se destina ao armazenamento do caudal afluente, quando ultrapassada a capacidade da primeira câmara (constitui uma reserva em paralelo “off line”); caso exista, esta câmara é usualmente dimensionada de modo a armazenar, tanto quanto possível, o volume correspondente ao “first flush”, a que se associam as maiores cargas poluentes.

• Uma câmara de alívio para a qual é conduzido o excesso de caudal que as câmaras anteriores não conseguem reter, sendo o efluente encaminhado para o meio receptor.

• Uma câmara seca, onde se instala o equipamento regulador de caudal. Nesta câmara deve prever-se um desvio (em terminologia anglo-saxónica, by-pass), com válvula de guilhotina, de forma a manter o sistema de drenagem em funcionamento durante os eventuais trabalhos de manutenção e inspecção do equipamento.

216

Figura 7.8 - Representação esquemática de regulador de caudal com câmara de armazenamento.

No que se refere aos reguladores de caudal, distinguem-se dois tipos de instalações: em câmara húmida ou em câmara seca. Numa instalação em câmara húmida, o equipamento regulador de caudal encontra-se na câmara central, pelo que fica submerso quando tem lugar aumento significativo de caudal. Numa instalação do segundo tipo, o regulador de caudal é instalado à parte, na câmara seca - neste caso, a manutenção é facilitada, embora a obra de construção civil se revele mais complexa e onerosa.

Na generalidade das situações, é comum a instalação do equipamento de controlo de caudal em câmara seca. É recomendável que as dimensões interiores da câmara seca sejam, em planta, superiores a 1.5 x 1.5 m (dependendo do caudal a regular e do tamanho, tipo e posição do equipamento regulador).

Tanto as caleiras existentes no fundo desta câmara (meias canas de betão) como o colector doméstico que transporta o caudal desviado devem ser dimensionados de forma a que o escoamento se processe em superfície livre, sem inundar a câmara.

Na Figura 7.9 apresentam-se, a título exemplificativo, a planta e o corte de uma câmara de desvio simples, constituída apenas por uma câmara central e por uma câmara seca. As relações entre as cotas “A”, “B” e “C” devem ser cuidadosamente definidas: a diferença entre “A” e “C” deve ser tal que garanta que é desviado o caudal de dimensionamento da válvula; o desnível entre os pontos “B” e “C” deve assegurar um adequado “efeito de chamada”, sem “afundar” em demasia o colector doméstico que se desenvolve a jusante. No caso de se tratar de uma zona com influência da maré, é importante ter em consideração a diferença entre o nível máximo da maré e a cota “A”,

217

de modo a impedir a entrada de caudal proveniente do meio receptor no sistema interceptor.

CORTE AB

A

BY-

PAS

S6

B

PLANTA

AC

B

Colector "doméstico "(ETAR)

Colector efluente(Meio receptor)

Colector afluente

Figura 7.9 – Representação esquemática de uma câmara de desvio simples, em câmara seca (dispondo

de uma válvula do tipo vórtice).

Refere-se ainda que a abertura de acesso da câmara seca deve apresentar dimensões compatíveis com a fácil entrada e saída do equipamento. A conduta de by-pass deve ser colocada a uma distância suficiente do regulador de caudal, de forma a facilitar o acesso para manutenção, e próximo das escadas de acesso: deste modo, ao abrir o by-pass, é possível o operador sair rapidamente da câmara, em caso de inundação.

7.3.4. Reguladores de caudal

7.3.4.1 Reguladores de caudal do tipo vórtice

As válvulas do tipo vórtice regulam o caudal em função da carga de água a montante, apresentando um modo de funcionamento simples: em tempo seco, o caudal afluente passa pelas válvulas com perdas de carga localizadas reduzidas, enquanto que em tempo de chuva é introduzida uma perda de carga significativa que permite o controlo do caudal descarregado.

De facto, durante a ocorrência de precipitações, o caudal afluente é superior ao caudal de projecto da válvula de regulação, o que leva a uma acumulação de água no colector a montante – assim, a altura da massa líquida aumenta, verificando-se uma acumulação de ar na parte superior da válvula. O movimento ou escoamento rotacional da massa líquida (vórtice) tem lugar com arrastamento de ar. O efeito de vórtice processa-se com conversão da energia potencial da água em energia cinética (movimento de rotação), com elevada perda de carga localizada, regulando-se desta forma a descarga. No final da chuvada, e com a diminuição da altura de água, destrói-se o vórtice, tendo lugar um novo aumento do caudal para a mesma secção de escoamento. Deste modo, aumenta a velocidade de escoamento e favorece-se a auto-limpeza, não só da soleira da câmara de desvio como também dos colectores dispostos a jusante.

218

Na Figura 7.10 apresenta-se, a título ilustrativo, a curva característica (caudal versus altura de água) de uma válvula de regulação de caudal do tipo vórtice. Como é possível observar, uma vez formado o vórtice, a variação do caudal desviado com a carga hidráulica a montante (que depende do caudal afluente) é pouco acentuada. Para elevados valores de altura da água, o caudal descarregado é semelhante ao correspondente a alturas muito inferiores. De notar o fenómeno de histerese associado à formação do vórtice: para o mesmo caudal, correspondem duas alturas de escoamento possíveis.

Figura 7.10 – Exemplo de curva característica de uma válvula de regulação de caudal do tipo vórtice

(adaptado de Hidrostank).

Uma característica importante deste tipo de válvula é o facto de permitirem regular caudais reduzidos com elevada altura de água, pois o caudal de saída varia pouco com o nível de água a montante. Assim, as válvulas do tipo vórtice operam para caudais entre 10 e 800 l/s, com cargas de água que podem ser superiores a 4 m.

Salienta-se ainda que as válvulas do tipo vórtice não possuem peças móveis e operam de forma automática, sem necessidade de energia eléctrica.

7.3.4.1 Reguladores de caudal do tipo flutuador

Em sistemas unitários sujeitos a elevada variabilidade do nível de água, e em particular quando os colectores se encontram sob forte influência da maré, não devem ser instaladas válvulas do tipo vórtice pois estariam sistematicamente a entrar em funcionamento, levando a um desgaste acelerado do equipamento. Nestas situações, deve optar-se por instalar uma válvula do tipo flutuador.

Estas válvulas, embora mais dispendiosas que as do tipo vórtice, apresentam a vantagem de funcionarem praticamente a caudal constante. O equipamento consiste numa pequena câmara metálica que dispõe de duas comportas, situadas à entrada e à saída da câmara, no interior da qual é instalado um sistema de flutuadores. Em tempo

219

seco, as comportas de entrada e saída encontram-se completamente abertas. Porém, em tempo de chuva, o nível de água aumenta fazendo com que o flutuador regule a comporta que controla a entrada fechando-a, mantendo-se, assim, o caudal de saída praticamente constante. Outra vantagem que os reguladores de caudal do tipo flutuador apresentam é o facto de ser possível ajustar o caudal de saída in situ, ajustando a posição da comporta de saída.

A curva característica de uma válvula do tipo flutuador apresenta-se na Figura 7.11. Através da curva característica da válvula, verifica-se que, com o aumento da altura de água, ocorre um período em que é permitida a passagem de um caudal superior ao teoricamente esperado. Este fenómeno pode ser eliminado, mas apresenta a vantagem de facilitar o arrastamento de sedimentos, contribuindo para a auto-limpeza da instalação.

Figura 7.11 – Exemplo da curva característica de uma válvula de regulação de caudal

do tipo flutuador (adaptado de Hidrostank).

As válvulas do tipo flutuador são adequadas à regulação de caudais unitários de 6 a 450 l/s, com alturas de água que variem entre 0,5 m e 4 m.

Salienta-se ainda que estas válvulas operam de forma automática, sem necessidade de energia eléctrica.

7.4. Instalações elevatórias de águas residuais

7.4.1. Considerações gerais

Uma instalação elevatória constitui um órgão delicado num sistema de saneamento, devendo-se por isso adoptar grandes cuidados na localização, concepção, dimensionamento e construção das obras e na escolha dos equipamentos.

Dadas as características das águas residuais, estas instalações apresentam dificuldades que é necessário tratar e resolver de forma adequada, para que o seu funcionamento garanta a eficiência e a segurança que se exigem às obras de saneamento. Entre essas dificuldades incluem-se as decorrentes do facto das águas residuais apresentarem concentrações significativas de matéria em suspensão, e dos caudais poderem variar ao longo do dia de forma relevante.

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Dada a vastidão do tema, nesta secção procura-se apenas sistematizar os princípios e principais aspectos da concepção e dimensionamento das instalações elevatórias de águas residuais.

7.4.2. Aspectos de localização

Um dos aspectos fundamentais do projecto de engenharia de um sistema elevatório consiste na localização adequada das instalações.

A localização das instalações elevatórias deve ser tal que não comprometa e condicione de forma negativa o planeamento e desenvolvimento urbano local. A arquitectura dos edifícios e os arranjos exteriores devem proporcionar uma adequada inserção urbanística.

A localização da instalação elevatória deve ser tal que possa dispor de fontes próximas de energia eléctrica e de abastecimento de água. A proximidade de um curso de água (ou outro meio receptor) é um factor importante, para servir como meio de descarga das águas residuais transportadas por colectores de recurso, no caso de ocorrência de situações extraordinárias de paragem prolongada dos grupos elevatórios.

7.4.3. Componentes das sistemas elevatórios

Uma instalação elevatória pode incluir as seguintes componentes principais:

- obra de entrada;

- poço de bombagem;

- grupos elevatórios;

- tubagens e acessórios;

- equipamentos de protecção, comando e controlo.

Para além destas componentes principais do sistema elevatório, que inclui as instalações e a conduta elevatória, são por vezes previstos órgãos e equipamentos complementares, como sistemas de controlo de odores (filtros de carvão activado, por exemplo), sistemas de empilhamento e colecta de resíduos da câmara de grades, sistemas de arejamento e de injecção de ar comprimido ou de oxigénio puro na conduta de compressão, etc..

Nas secções seguintes são referidos alguns tópicos de dimensionamento das componentes principais dos sistemas elevatórios.

7.4.4. Obra de entrada

A obra de entrada de uma instalação elevatória é em regra constituída por uma câmara de grades, com os equipamentos adequados.

Para pequenos caudais é vulgar serem previstas duas grades, servindo uma de reserva. Em alternativa, é também corrente prever-se uma grade mecânica, mantendo-se uma grade manual de recurso. Para isolamento das grades, prevêem-se, vulgarmente, adufas de canal.

221

O tipo de grade (fina, média ou grosseira) deve depender das características da conduta elevatória, em particular da tensão de arrastamento de projecto e da secção de passagem dos grupos elevatórios. A distância entre barras varia usualmente entre 2 e 10 cm. No caso do recurso a parafusos de arquimedes, é vulgar não serem previstas grades a montante. Em certas situações, é aconselhável a instalação de trituradores, quando se admite a descarga directa das águas residuais para os meios receptores. Nestes casos, pode ser importante instalar desarenadores, nomeadamente quando se admita que as partículas arenosas possam interferir negativamente no funcionamento e exploração do sistema elevatório ou de tratamento que se desenvolve a jusante.

7.4.5. Poço de bombagem

7.4.5.1. Forma

A concepção do poço de bombagem, também vulgarmente designado como câmara de aspiração, deve atender aos riscos de acumulação de sedimentos, prevendo-se uma forma tal que favoreça o arrastamento dos mesmos para os “chupadores” dos grupos elevatórios. Na Figura 7.8 apresenta-se, esquematicamente, uma câmara de aspiração com quatro grupos submersíveis. As dimensões da câmara de aspiração são determinadas em função do número de grupos e do caudal bombado por cada uma.

A transição entre o corpo da câmara e o fundo deve ser efectuada através de paredes com inclinações que, segundo diversos autores, não devem ser inferiores a 60°, por forma a permitir a aspiração e arraste dos sedimentos.

O volume útil da câmara de aspiração corresponde ao espaço limitado por um nível mínimo, que é definido em função da velocidade do escoamento na aspiração e um nível máximo. O nível mínimo deve ser fixado por forma a evitar vórtices (ver dimensão G na Figura 7.8) susceptíveis de provocar a entrada de ar nas condutas. O nível máximo é estabelecido por forma a evitar regolfos no colector afluente. Estes níveis correspondem, respectivamente, a níveis de paragem e de arranque dos grupos elevatórios.

A câmara de aspiração deve também dispor de uma descarga de emergência ou de recurso, para entrar em funcionamento se for excedido o nível máximo.

A câmara de aspiração deve ser concebida por forma a ser facilmente visitável, para possibilitar as operações de inspecção e limpeza.

No caso de câmaras de bombagem com os grupos elevatórios a seco, é vulgar optar-se pela forma paralelepipédica, ao contrário do que ocorre quando se utilizam grupos submersíveis, situação em que a forma cilíndrica é correntemente a adoptada.

Em terrenos arenosos com elevados níveis freáticos, é vulgar serem construídos os poços por “havage”. Nesse caso, as paredes do poço são previamente “betonadas” e enterradas no local desejado. O fundo do poço é “enchido” posteriormente.

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Figura 7.12 - Dimensões de uma estação elevatória com grupos submersíveis (retirada de Monteiro, 1987).

7.4.5.2. Volume útil

A necessidade de garantir a regularização dos caudais afluentes, obriga a reservar um volume útil mínimo para a câmara de aspiração.

O volume útil mínimo deve ser definido em função da frequência máxima de arranque permitida para os grupos elevatórios.

O volume útil máximo é condicionado pelo caudal mínimo afluente, depois de fixado um valor limite para o máximo tempo de detenção, considerado igual ao tempo máximo de paragem do grupo ou grupos elevatórios.

Genericamente, o volume útil é definido por,

V = q x tp (7.10)

sendo,

223

q -caudal afluente (m3/s);

tp -tempo de paragem (s)

Se Q for o caudal de elevação e tf o tempo de funcionamento dos grupos, a equação de continuidade pode ser apresentada sob a seguinte forma:

Q x tf = q x (tf+tp) (7.11)

Definindo o ciclo (T), como o intervalo de tempo que medeia entre dois arranques sucessivos, ter-se-á:

T = tf + tp (7.12)

donde, tomando em consideração as equações (7.10) e (7.12), obtém-se,

T = v/q + V/(Q-q) (7.13)

A condição de ciclo mínimo, a que corresponde o máximo número de arranques por unidade de tempo, é então,

dT/dq = 0 (7.14)

condição que aplicada à expressão (7.13) conduz a,

q = 1/2 Q (7.15)

o que significa que a frequência de arranques é máxima quando o caudal afluente é igual a metade do caudal elevado. Nestas condições, obtém-se,

T = 4V/Q (7.16)

Ou, se se pretender definir a frequência de arranques em número de arranques por hora (N),

N = 3600/T (7.17)

Se se fixar um período de detenção máximo (tp max), deverá garantir-se a seguinte condição para respeitar o volume útil máximo definido:

V ≤ qmin x tp max (7.18)

Por outro lado, ao fixar um número máximo de arranques por hora (Nmax), para atender à condição de volume mínimo, obtém-se, de (7.16) e (7.17);

V ≥ 900 Q/Nmax (7.19)

Conjugando as duas condições impostas,

q min x tp max ≥ V ≥ 900 Q/Nmax (7.20)

A expressão (7.20) define os volumes mínimo e máximo possíveis do poço de bombagem, para atender aos condicionamentos considerados.

Na expressão (7.20) figuram parâmetros em relação aos quais se procede seguidamente a uma breve análise.

224

- Caudal mínimo afluente (qmin): raramente se dispõe de elementos estatísticos que permitam estabelecer correctamente o valor do caudal mínimo afluente à instalação elevatória. Medições efectuadas parecem indicar uma relação entre o caudal máximo e o caudal médio (factor de ponta máximo instantâneo) da ordem de grandeza da relação que se verifica entre o caudal médio e o mínimo.

- Tempo de paragem máximo (tp max): este parâmetro deve ser adoptado em função das características das águas residuais afluentes (grau de septicidade, temperatura, CBO5). Em princípio, devem ser evitados tempos de paragem superiores a 2 horas.

- Caudal de elevação (Q): a capacidade de elevação não deve ser inferior ao caudal de ponta previsto. Pode, no entanto, ser superior. Esta situação ocorre designadamente nas pequenas instalações, quando o caudal de ponta máximo afluente não permite garantir a condição de auto-limpeza na conduta elevatória.

- Frequência de arranque dos grupos elevatórios (Nmax): a literatura especializada recomenda frequentemente valores máximos de 15 arranques por hora. No entanto, a partir de certa potência, ou quando as condições de arranque forem particulares (por exemplo quando se dispuserem de volantes de inércia), será recomendável consultar os fornecedores e fabricantes respectivos.

Os condicionamentos impostos pela expressão (7.20), nem sempre são possíveis de respeitar com um só “nível” de elevação, isto é, com apenas um grupo em funcionamento, ou com vários grupos em funcionamento simultâneo. Nos casos de grande variação de caudal, seja ao longo do dia seja ao longo do período de vida do equipamento, poderá ser necessário adoptar esquemas mais complexos de arranque e paragem dos grupos. Considerando grupos de velocidade constante, serão necessários outros “níveis” de arranque e paragem, a fim de aumentar o caudal elevado. A necessidade de não exceder o limite de frequência de arranques obriga a criar “volumes úteis” adicionais. Na Figura 7.10 são apresentados dois programas de funcionamento, para uma situação onde são previstos quatro “níveis” de elevação.

Figura 7.13 - Representação esquemática, em corte, de uma câmara de aspiração.

225

Figura 7.14 - Tipo de programas de funcionamento de uma instalação elevatória (adaptada de

Carvalho, 1982).

Quando o caudal afluente excede a capacidade de elevação do primeiro grupo, o nível sobe na câmara de aspiração, apesar daquele se manter em funcionamento, atingindo-se um segundo nível (h2) que corresponde ao arranque do segundo grupo. Se mesmo assim o caudal afluente exceder a capacidade de elevação dos dois primeiros grupos, o nível na câmara de aspiração continua a subir, atingindo-se um terceiro nível. Arranca, então, o terceiro grupo, e assim sucessivamente.

No programa I, cada grupo interrompe o funcionamento, quando é atingido o nível de arranque de outro grupo.

No programa II, os grupos elevatórios também arrancam sucessivamente, mas todos os grupos accionados continuam em funcionamento até ser atingido o nível mínimo.

No caso do programa I, o que se passa em relação ao segundo “volume útil” (V2) é em tudo semelhante ao que foi descrito anteriormente para o primeiro “volume útil” (V1), considerando o caudal afluente em excesso relativamente ao caudal elevado pelo primeiro grupo.

Utilizando o programa II é possível obter um volume útil total inferior ao correspondente ao programa I. A dedução matemática da expressão de cálculo do volume útil do poço, para essas condições, pode ser lida em Monteiro 1987.

Para se evitarem variações bruscas da velocidade de escoamento na conduta elevatória, convém não fazer coincidir com precisão os níveis de arranque ou de paragem de vários grupos elevatórios.

7.4.6. Grupos elevatórios

O número de grupos elevatórios a instalar no sistema depende de diversos factores, entre os quais se incluem os seguintes:

• Variação diária de caudal;

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• Variação de caudal médio ao longo do ano e ao longo do horizonte de projecto da obra;

• Limites de velocidade considerados aceitáveis para a conduta elevatória;

• Custos de instalação e exploração.

O número de grupos elevatórios, em regra menor ou igual a três para as instalações elevatória usuais, pode ser superior em áreas onde as flutuações de caudal se preveja que sejam muito significativas. É o caso das instalações elevatórias localizadas em zonas balneares, onde os caudais médios em período estival são por vezes várias vezes superiores aos caudais médios diários no período invernoso. Neste caso, e tendo em vista reduzir os períodos de detenção hidráulica no poço de bombagem, torna-se necessário prever um número de grupos que possibilite a exploração adequada da instalação, face à grande diversidade dos caudais afluentes.

Existem diversos tipos de grupos elevatórios (ejecto-compressores, parafusos de arquimedes, grupos electrobomba de tipo submersível, de eixo vertical com bomba submersa, de eixo vertical com bomba em câmara seca e motor elevado e de eixo horizontal), cujas características principais se resumem no Quadro 7.3.

Actualmente, e mesmo para caudais elevados, é corrente a opção pelos grupos electrobomba do tipo submersível, dada a reduzida exigência de espaço requerido e os menores custos de construção associados.

Os parafusos de arquimedes são frequentemente utilizados quando as alturas de elevação não são elevadas, quando os caudais são significativos e quando se pretende uma elevação “pontual” da massa líquida. Quando se pretende ultrapassar obstáculos ou desníveis topográficos com desenvolvimento apreciável, de várias dezenas ou centenas de metros, opta-se em regra, por grupos electrobomba que bombam a massa líquida por uma ou mais condutas elevatórias, até ao destino pretendido.

QUADRO 7.3 - Tipo de grupos elevatórios e suas principais características. Tipos de grupos elevatórios Características

Ejecto-compressores secção de passagem elevada, alturas de elevação até 15 a 30 m; robustez; custo elevado; baixos rendimentos; estes grupos provocam, no processo de elevação, algum arejamento da massa líquida.

Parafusos de arquimedes alturas de elevação até 7 a 8 m; bons rendimentos, robustez;; em regra são utilizados para caudais superiores a 25 l/s.

Grupos electrobomba

• Tipo submersível

reduzida exigência de espaço e baixo custos das obras de construção civil; baixo custo do equipamento; possibilidade de elevação a alturas manométricas elevadas.

• Eixo vertical com bomba submersa exigem pouco espaço para instalação; o acesso ao grupo é difícil.

• Eixo vertical com bomba em câmara seca e motor elevado

acesso fácil à bomba; motor colocado ao abrigo de eventuais inundações e em espaço facilmente ventilável.

• Eixo vertical com bomba em câmara seca e motor directamente acoplado

eventual risco de inundação do motor.

• Eixo horizontal equipamento de custo reduzido; necessidade de mais espaço e maior custo das obras de construção civil (por comparação com as

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requeridas para os grupos submersíveis).

Os grupos devem ser montadas em carga, para se evitarem sistemas de ferragem difíceis de garantir. O nível mínimo na câmara de aspiração não deve ser inferior ao nível que corresponde ao topo do corpo da bomba.

Para evitar entupimentos, o corpo da bomba é geralmente do tipo voluta simples. As velocidades específicas destas bombas são, de um modo geral, elevadas, por lhes corresponderem propulsores mais amplos. Por este motivo e porque se evitam velocidades de rotação muito altas, as alturas de elevação não são, em regra, muito elevadas, e raramente ultrapassam 40 metros (Monteiro, 1987).

Devido à acção abrasiva de alguns materiais transportados pelas águas residuais, é corrente limitar a velocidade de rotação dos propulsores a 1450 rotações por minuto.

A utilização de grupos de velocidade variável não está muito divulgada na prática. No entanto, os automatismos de regulação da velocidade apresentam já graus de eficiência e de segurança apreciáveis, nomeadamente quando são baixas as potências instaladas.

7.4.7. Tubagem e acessórios

No interior das instalações elevatórias é recomendável a instalação de tubagem de ferro fundido, com uniões de flange, pois este tipo de tubagem é resistente ao ataque provocado pelas águas residuais; como o seu custo é elevado, por vezes aplica-se tubagem de ferro galvaniado, a qual deve ser revestida interior e exteriormente de forma adequada.

Não se deve aplicar tubagem de fibrocimento ou PVC no interior das instalações elevatórias, pelo facto do material apresentar riscos significativos de danificação e pelo facto das respectivas juntas não se prestarem a montagem e desmontagem.

O traçado da tubagem em perfil deve ser tal que se evitem pontos altos; para além disso, devem garantir-se inclinações superiores a 2%. As aspirações devem ser independentes (uma por grupo) e o mais curtas possível.

De um modo geral, os acessórios das tubagens deverão ser de ligação por flange, por forma a garantirem uma boa estanquicidade e facilitarem as operações de montagem e desmontagem.

No caso de dois ou mais grupos elevatórios bombarem o caudal para uma mesma conduta de impulsão, os tês de ligação devem ser de ramal curvo, para se reduzirem os riscos de formação de turbilhões.

7.4.8. Equipamento de protecção, de comando e de controlo

Os dispositivos de protecção e de comando dos grupos são constituídos por aparelhagem de arranque (botoneiras e contactores), dispositivos de protecção (disjuntores, fusíveis e relés térmicos) e por automatismos correspondentes ao esquema de funcionamento adoptado.

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No circuito hidráulico, os equipamentos de protecção e comando podem ser constituídos por válvulas de seccionamento e de retenção, e por dispositivos de protecção contra o golpe de aríete.

Os dispositivos de controlo, que podem ser montados nas instalações, são mais ou menos numerosos e sofisticados. Os mais utilizados são medidores de caudal e nível, contadores de horas de funcionamento dos grupos, amperímetros, voltímetros e alarme à distância.

Na câmara de aspiração existem ainda os “reguladores de nível”, por meio dos quais se fixam os níveis de arranque e de paragem dos grupos elevatórios. Existem diversos tipos de reguladores, desde a simples bóia que acciona um ou mais interruptores, até sistemas eléctricos (“peras” e “eléctrodos”), sistemas de pressão (campânula imersa e “bolha de ar”) e outros mais sofisticados que recorrem a ultrasons ou células foto-eléctricas.

Nos casos em que se prevejam frequentes faltas de corrente, e se for manifestamente desaconselhável a descarga de recurso dos caudais afluentes, pode ser recomendável a instalação de um gerador de emergência, previsto para entrar em funcionamento quando for atingido um nível limite na câmara de aspiração.

7.4.9. Conduta elevatória

A conduta elevatória é uma das componentes do sistema elevatório e o seu dimensionamento é condicionado pelo número e características dos grupos escolhidos.

Não é necessário tratar-se de uma conduta muito extensa para que o seu volume exceda o volume útil da câmara de aspiração. Nestes casos, os períodos de detenção hidráulica são superiores aos verificados na câmara, com a agravante decorrente de se tratar de uma detenção complementar da já anteriormente ocorrida, e do escoamento se processar sob pressão. Essas condições podem contribuir para a ocorrência de septicidade da massa líquida.

Outro problema importante, ligado ao comportamento das condutas elevatórias, diz respeito à ocorrência e efeito dos choques hidráulicos, em consequência, sobretudo, das paragens bruscas dos grupos elevatórios.

A eventual necessidade de reduzir os efeitos do choque hidráulico pode constituir um problema fundamental no dimensionamento dos sistemas elevatórios. Em Almeida 1981 é tratado com detalhe o problema da protecção contra o golpe de aríete em condutas elevatórias. Para ser garantida a condição de auto-limpeza, torna-se necessário que a velocidade de bombagem exceda um valor mínimo, necessário a ressuspensão e arraste das partículas em suspensão. Alguns autores recomendam genericamente velocidades mínimas de bombagem da ordem de 0,9 m/s a 1,2 m/s, admitindo, em certas circunstâncias, velocidades de 0,7 m/s.

Dada a natureza das águas residuais, é conveniente limitar o diâmetro mínimo da conduta, sendo muitas vezes fixado o valor de 100 mm. Esta imposição condiciona, evidentemente, o caudal mínimo bombado, que não deverá ser inferior a 6 l/s, por forma a serem garantidas condições de auto-limpeza.

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Em pequenas instalações elevatórias, quando as condições de auto-limpeza não forem favoráveis, é conveniente que pelo menos semanalmente se proceda a uma intervenção do operador, no sentido do funcionamento simultâneo do grupo de reserva. Nessas condições, o aumento do caudal e da velocidade de bombagem é, em regra, suficiente para garantir a ressuspensão e arraste das partículas anteriormente sedimentadas.

É necessário prever uma descarga de fundo da conduta, destinada ao seu esvaziamento em caso de necessidade. Esta descarga pode eventualmente ser efectuada para o colector de recurso que serve de by-pass à instalação.

Em determinadas situações, quando a variabilidade dos caudais o justificar, pode ser necessário a instalação de duas condutas elevatórias em paralelo. Para os menores caudais apenas funciona uma das condutas elevatórias, entrando a segunda em exploração, quando os caudais se tornam progressivamente superiores.

7.4.10. Disposições e órgãos complementares

Além dos órgãos e componentes das instalações elevatórias já referidas anteriormente, existem outros órgãos, cujo funcionamento se pode tornar fundamental nesse tipo de instalações. É o caso dos ventiladores.

Quando a ventilação é mecânica, o que por vezes é indispensável, dadas as características do ar viciado nos espaços confinados da instalação (nomeadamente na câmara de grades e no poço de bombagem), dever-se-á proceder a insuflação de ar e não à sua extracção mecânica (Direcção Geral de Saneamento Básico 1978). Os caudais a ventilar dependem do volume da instalação e do número de renovações por hora pretendido. Por vezes, quando o risco de ocorrência de septicidade é elevado, e com vista a tratar o ar que é ventilado para o exterior, são previstos equipamentos de desodorização apropriados, como “scrubbers”, filtros de carvão activado e torres de ozono.

No caso das condutas elevatórias terem características, nomeadamente a extensão, que proporcionem a formação de sulfuretos no interior da massa líquida, designadamente sulfureto de hidrogénio, pode ser uma medida apropriada prever, na instalação elevatória, os equipamentos necessários ao tratamento e controlo dos sulfuretos (injecção de ar comprimido, injecção de oxigénio “puro”, injecção de cloro ou adição de peróxido de hidrogénio, nitratos ou sais de ferro). Esta matéria é tratada com maior detalhe no Capítulo 4? destas folhas.

7.4.11. Apresentação de esquemas de instalações elevatórias

Da Figura 7.11 à Figura 7.15 apresentam-se, esquematicamente, vários tipos e esquemas de instalações elevatórias. A Figura 7.11 refere-se à representação esquemática, em corte, de uma instalação com parafusos de Arquimedes. As representações esquemáticas apresentadas desde a Figura 7.12 até à Figura 7.15 Referem-se, respectivamente, a instalações elevatórias com grupos electrobomba submersíveis, só com a bomba submersível, grupos electrobomba de eixo vertical e grupos electrobomba de eixo horizontal.

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Figura 7.15 - Representação esquemática (em corte) de uma instalação elevatória com parafusos de

Arquimedes (adaptada de DGSB, 1978).

Figura 7.16 - Instalação elevatória com grupo electrobomba de eixo vertical instalado em câmara não

inundável (retirada de Monteiro, 1987).

Figura 7.17 - Instalação elevatória com grupo electrobomba de eixo horizontal instalado em câmara

não inundável (retirada de Monteiro, 1987).

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Figura 7.18 - Instalação elevatória com grupo electrobomba submersível (retirada de Monteiro,

1987).

Figura 7.19 - Instalação elevatória só com bomba submersível (retirada de Monteiro, 1987).

A Figura 7.16, bem como a Figura 7.17, referem-se à instalação elevatória do Torrão (localizada no Concelho de Almada), que inclui três grupos electrobomba de eixo vertical, que bombam para duas condutas em paralelo, de diâmetro 400 mm.

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Figura 7.20 - Representação esquemática (em planta) do circuito hidráulico da instalação elevatória do Torrão (retirada de Matos, 1992).

Figura 7.21 - Planta e corte da instalação elevatória do Torrão (retirada de Matos, 1992)

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DO CAPÍTULO 7

Almeida, A.S. - Manual de Protecção contra o Golpe de Aríete em Condutas Elevatórias. LNEC, Relatório, Lisboa, 1981.

Carvalho, R. - Estações Elevatórias de Águas Residuais. Estações Elevatórias no Saneamento Básico, LNEC, Lisboa, 1982

Direcção Geral de Saneamento Básico - Estações Elevatórias de Águas Residuais. Curso de Actualização em Engenharia Sanitária. (CAES). Centro Tecnológico da DGSB, 1978.

Matos, J.M. - Aerobiose e Septicidade em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais. Dissertação de Doutoramento, Lisboa, IST, 1992.

Matos, J.M.S.; Ribeiro de Sousa, E.A. - Dimensionamento de Órgãos Especiais em Sistemas de Drenagem: Sifões Invertidos e Descarregadores. In “Encontro Nacional de Saneamento Básico”, APESB, Matosinhos, 1987.

Metcalf & Eddy INC. - Wastewater Engineering. Collection and Pumping of Wastewater. McGraw-Hill Book Company, New York, 1981.

Ministry of Housing and Local Government - Technical Committee on Storm Overflows and the Disposal of Storm Sewerage. Final Report. Her Majesty's Stationery Office, London, 1970.

Monteiro, A. - Estações Elevatórias de Águas Residuais. In “Curso de Dimensionamento de Sistemas de Abastecimento de Água e de Drenagem de Águas Residuais”. CEHIDRO, Funchal, 1987.

Quintela, A.C. -Hidráulica. Lisboa, Fundação Calouste Gulbenkian, 1981.

Sousa, E.R., Matos, J.M. - Órgãos Especiais do Sistema de Drenagem. MSB2. Doc. - Manual de Saneamento Básico - Abastecimento de Água e Esgoto. Direcção Geral dos Recursos Naturais, Lisboa, 1991.