UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA POLITCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRULICA E SANITRIA

RICARDO DE MATTOS FORTIS

MODELAGEM COMPUTACIONAL DA DISPERSO DA PLUMA DO EFLUENTE DOS EMISSRIOS SUBMARINOS DO TEBAR -

PETROBRS

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So

Paulo para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia.

SO PAULO 2005

UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA POLITCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRULICA E SANITRIA

RICARDO DE MATTOS FORTIS

MODELAGEM COMPUTACIONAL DA DISPERSO DA PLUMA DO EFLUENTE DOS EMISSRIOS SUBMARINOS DO TEBAR -

PETROBRS

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So

Paulo para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia.

rea de Concentrao: Engenharia Hidrulica

Orientador: Prof. Dr. Jayme Pinto Ortiz

SO PAULO 2005

Fortis, Ricardo de Mattos Modelagem Computacional da Disperso da Pluma dos

Emissrios Submarinos do TEBAR PETROBRS / Ricardo de Mattos Fortis. So Paulo, 2005.

181p.

Dissertao (Mestrado) Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia Civil.

1.Emissrio Submarino 2.Modelagem Computacional 3. Canal de So Sebastio. I. Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia Hidrulica e Sanitria. II.t.

Este exemplar foi revisado e alterado em relao verso original, sob responsabilidade nica do autor e com a anuncia de seu orientador.

So Paulo, 06 de janeiro de 2006.

Assinatura do autor:

Assinatura do orientador:

DEDICATRIA

Aos meus pais, Srgio e Vera.

AGRADECIMENTOS

Ao Prof Dr. Jayme Pinto Ortiz, que mostrou-me os percursos hidrodinmicos seguros que deveriam ser seguidos para a realizao desta dissertao.

A Biloga Dra. Claudia Conde Lamparelli - Gerente do Setor de guas Litorneas da CETESB, pela valiosa contribuio direta na realizao desta Dissertao.

Ao Eng. MSc. Kleiber Lima de Bessa e a Biloga Dra. Emilia Arasaki, pelo incentivo e apoio em todas as etapas deste trabalho.

Aos demais colegas do Grupo de Mecnica dos Fluidos aplicada s Cincias Ambientais e Bioengenharia: Daniel, Edward e Christian.

Ao Prof. Dr. Paolo Alfredini que, como componente da Comisso Julgadora, deu valiosa contribuio na realizao deste trabalho.

Ao Eng. Dr. Jos Eduardo Bevilacqua Gerente da Diviso de Qualidade das guas e ao Eng. Dr. Regis Nieto Gerente do Setor de Efluentes Lquidos, da CETESB.

Aos colaboradores do Setor de guas Litorneas, em especial Biloga MSc. Dbora Orgler de Moura, e aos Tcnicos do Setor de Amostragem de Efluentes Lquidos da CETESB .

Ao Prof Dr. Robert Doneker e ao Eng. Tobias Blenninger da Universidade de Karlsruhe, pelas estimadas contribuies referentes ao software CORMIX.

Aos meus pais Srgio e Vera, a minha irm Valria e a minha namorada rica, cuja presena so fundamentais todo o dia.

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE SMBOLOS RESUMO ABSTRACT

CAPTULO I CONSIDERAES GERAIS 1.1. Introduo 01

1.1.1. Emissrio Submarino 04

1.1.2. Legislao Brasileira: Resoluo CONAMA 20/86 e Resoluo CONAMA 357/05 07 1.1.3. Zona de Mistura Regulatria 11

1.2. Objetivos 14

CAPTULO II PROJETO, INSTALAO, OPERAO E MANUTENO DE EMISSRIOS SUBMARINOS COM SISTEMAS DIFUSORES 2.1. Critrios de Projeto e Dimensionamento 15

2.1.1. Levantamento da rota subaqutica 15 2.1.2. Tipos de material de construo: vantagens e desvantagens 17 2.1.3. Hidrulica interna de difusores 27 2.1.3.1. Parmetros bsicos de projeto de sistemas difusores 29 2.1.3.2. Anlise hidrulica detalhada 30

2.1.3.3. Hidrulica dos difusores com vlvulas de orifcio

varivel (vlvulas duckbill) 35 2.1.4. Principais aspectos de dimensionamento de projeto para tubos de PEAD 48 2.2. Tcnicas de Instalao 50

2.2.1. Float-and-Sink 50 2.2.1.1. Modelos, dimensionamento e instalao dos pesos de lastro para tubulaes de PEAD 52 2.2.1.2. A instalao dos Emissrios Submarinos do TEBAR 64

2.2.2. Outras tcnicas de instalao 67

2.2.2.1 Pulling / Bottom Pull 67 2.2.2.2.. Pipe-by-Pipe 69 2.2.2.3. Tcnicas alternativas 71

2.3. Manuteno de emissrios submarinos e sistemas difusores 75 2.3.1. Inspees Peridicas 75 2.3.2. Fenmenos flooding e purging 78 2.3.3. Limpeza externa e interna 82

CAPTULO III MTODOS COMPUTACIONAIS PARA A MODELAGEM COMPUTACIONAL DA DISPERSO DA PLUMA DE EFLUENTES 3.1. Processos intervenientes a disposio ocenica no estabelecimento do campo prximo e do campo distante. 85 3.2. Modelo computacional CORMIX 87 3.2.1. Introduo 87

3.2.2. Geometria de sistemas difusores multiorifcios 88 3.2.3. Descrio do modelo matemtico CORMIX 2 93

3.3. Modelo Computacional FLUENT 97 3.3.1. Introduo 97 3.3.2. Descrio do Mtodo dos Volumes Finitos 99

3.3.2.1 Equaes governantes de escoamento de fluidos 99 3.3.2.2. Modelo k/e de turbulncia 103

3.3.2.3. Modelagem de transporte de espcies qumicas 104 3.4. Anlise dos modelos matemticos computacionais utilizados para o estudo da disperso da pluma de efluentes: CORMIX e FLUENT 107

CAPTULO IV - MATERIAL E METODOLOGIA 4.1. Estudo de Caso: Terminal Aquavirio de So Sebastio TEBAR 111

4.1.1. Descrio do Empreendimento 111 4.1.1.1 Emissrio Submarino do TEBAR 113 4.1.1.2. Sistema de Tratamento de Efluentes 114 4.1.2. Caractersticas geogrficas e hidrolgicas do Canal de So Sebastio 116 4.1.3. Anlise do parmetro amnia na qualidade do efluente 118

4.1.4. Anlise do parmetro amnia na qualidade das guas do Canal de

So Sebastio 120

CAPTULO V RESULTADOS 5.1. Clculo da hidrulica interna de difusores dos emissrios submarinos do TEBAR 125 5.1.1. Resultados analticos 125 5.2. Modelo computacional CORMIX 129 5.2.1. Cenrios 129

5.2.2. Resultados 132 5.3. Modelo Computacional FLUENT 139

5.3.1. Construo e discretizao da geometria do Canal de So Sebastio (batimetria) software Gambit 139 5.3.2. Cenrios 149

5.3.3. Resultados 152 5.4. Anlise comparativa dos resultados da modelagem computacional e estudo de disperso com traador fluorimtrico. 166

CAPTULO VI CONCLUSES 170

CAPTULO VII - REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 174

LISTA DE FIGURAS pg.

Figura 1.1: Configurao de um emissrio submarino com sistema difusor 05 Figura 1.2: Esquematizao da zona de mistura regulatria com dois nveis de critrios

proposto pela USEPA 12 Figura 2.1: rea de construo dos tubos de concreto reforado (10m de comprimento, dimetro interno de 1600 mm e espessura da parede de 200 mm) do emissrio de Thessaloniki, Grcia 21 Figura 2.2: Linhas de emissrio de PEAD 23 Figura 2.3: Conexo de tubulao de ferro fundido atravs de juntas ball-and-socket 25 Figura 2.4: Comparativo do processo de intruso de cunha salina e sedimentos para o interior da tubulao entre orifcios simples e a utilizao de vlvulas duckbill) 36 Figura 2.5: Relao da vazo com a abertura do bocal da vlvula duckbill, em relao a vlvulas de rea fixa 37 Figura 2.6: Relao da vazo com a velocidade efetiva do jato atravs da vlvula duckbill, em relao a vlvulas de rea fixa 38

Figura 2.7: Relao da vazo com a perda de carga total, utilizando-se vlvula duckbill, em relao a vlvulas de rea fixa 38

Figura 2.8: Vlvula duckbill EVR Check Valve, srie CPF 40 Figura 2.9: Modelo de vlvula duckbill com bico curvado, para preveno mxima a entrada de sedimentos em reas de eroso ou alagadas 43 Figura 2.10: Vlvula duckbill Tideflex Effluent Diffuser 44 Figura 2.11: Fixao com flange quadrada na estrutura da tubulao e modelo com cotovelo a 45 46 Figura 2.12: Risers e vlvulas duckbill de material elastomrico, anexados ao tubo de PEAD 47

Figura 2.13: Vlvula de controle de liberao de ar do interior da tubulao 51 Figura 2.14: Afundamento da tubulao de PEAD com colares de lastro anexados 51 Figura 2.15: Colar de lastro de concreto retangular 53 Figura 2.16: Colar de lastro com base em concreto e chapa de ferro 54 Figura 2.17: Colar de lastro de concreto piramidal 55 Figura 2.18: Modelos de colares de lastro com identificao das sees referentes ao dimensionamento da Tabela 4 57 Figura 2.19: Colcho de lastro para estabilizao de tubulao submarina 58

Figura 2.20: Grfico da relao entre mximo espaamento de lastro e dimetro Externo 60 Figura 2.21: Esquema de instalao de pesos de lastro em tubos de PEAD 63 Figura 2.22: Planta de localizao dos emissrios submarinos do TEBAR acompanhando a

estrutura do per at a parte sul 66 Figura 2.23: Sistema de rampa com rolamentos 68 Figura 2.24: Inclinao da rampa de lanamento emissrio de Kadikoy, Istanbul, Turquia 68 Figura 2.25: Estrutura de instalao Horse utilizada para assentar sees de tubos pesando 283kN, do emissrio de Thessaloniki, Grcia (SPYROPOULOS, 2003) 70 Figura 2.26: Esquema ilustrativo da instalao pelo processo off bottmo tow para tubos de plstico reforado com fibra de vidro 72 Figura 2.27: Mapa da Baa de Chesapeake. 76 Figura 2.28: Emissrio de concreto danificado, e novos tramos com cintas de amarrao 76 Figura 2.29: Substituio da tubulao vertical risers com braadeiras de apoio 77 Figura 2.30: Seo difusora com perda de material de recobrimento por ao hidrodinmica 77 Figura 2.31: Esquema ilustrativo de limpeza interna de tubo por pigging 83 Figura 3.1: Esquematizao das condies geomtricas e do ambiente nas vizinhanas do lanamento 92

Figura 3.2: As imagens a (vista em 3D), b (vista lateral) e c (vista em planta), correspondem a configurao geomtrica unidirecional com os orifcios perpendiculares ao alinhamento da

estrutura fsica do sistema difusor ( = 90). As imagens d (vista em 3D), e (vista lateral) e f (vista em planta), correspondem a configurao geomtrica unidirecional com os orifcios mais ou menos perpendiculares ao alinhamento da estrutura fsica do sistema difusor em

foram de leque ( 90) 93 Figura 3.3: As imagens g (vista em 3D), h (vista lateral) e i (vista em planta), correspondem a configurao geomtrica onde os orifcios apontam alternadamente e em direo oposta

perpendicular em relao a estrutura fsica do sistema difusor ( = 90). As imagens j (vista em 3D), k (vista lateral) e l (vista em planta), correspondem a configurao geomtrica onde os orifcios apontam alternadamente e em direo oposta, em ngulos que variam de

90 94

Figura 3.4: As imagens m (vista em 3D), n (vista lateral) e o (vista em planta), correspondem a configurao geomtrica em srie, onde os orifcios apontam na direo da estrutura fsica

do sistema difusor ou com pequenos ngulos de abertura, formando um leque, como visto

acima ( =30) 95 Figura 3.5: Perfis representativos de densidade estveis no ambiente aqutico 98 Figura 3.6: Exemplo de Volume de Controle, representado por uma clula hexadrica quadrada, onde consideramos as faces N, S, L, O, T e C, como sendo: Norte, Sul, Leste, Oeste, Teto e Cho, respectivamente, em relao ao ponto central do volume na coordenada (x,y,z) 101 Figura 4.1: Disposio das 2 linhas do emissrio submarino em relao ao per de acesso e o

pier sul. (Fundespa, 2003a) 112 Figura 4.2: Vista do Per Sul onde o sistema difusor dos emissrios submarinos esto

assentados no leito de fundo 114 Figura 4.3: Resultados do parmetro amnia das amostras coletadas no efluente tratado do TEBAR durante o perodo de abril de 2000 a maro de 2002 119 Figura 4.4: Posicionamento das estaes oceanogrficas no canal de So Sebastio e

localizao do Terminal TEBAR 121 Figura 4.5: Posicionamento das estaes oceanogrficas amostradas trimestralmente na rea

de disperso do emissrio submarino 122 Figura 4.6: Concentraes mximas, mdias e mnimas, de amnia, determinadas nos pontos apresentados nas figuras 4.4 e 4.5 124 Figura 5.2.1: Esquematizao retangular da rea circunvizinha ao sistema difusor do Emissrio Submarino do TEBAR. Observa-se que o modelo exige uma simplificao, no possibilitando representar a batimetria do Canal de So Sebastio 130 Figura 5.2.2: Fluxograma de classificao de fluxo com empuxo negativo em camada de

ambiente uniforme (classes MNU). O tipo MNU2 a classe de fluxo determinada em todos os cenrios apresentados 133

Figura 5.2.3: Vista lateral da pluma no campo prximo referente ao Cenrio C9 134 Figura 5.2.4: Vista lateral em planta no campo distante referente ao Cenrio C9 134 Figura 5.2.5: Concentrao de amnia a jusante do lanamento, no campo prximo, para os cenrios C1 a C10 137 Figura 5.2.6: Concentrao de amnia a jusante do lanamento, no campo prximo, para os cenrios C1 a C10, com o limite (linha preta, C = 0,4mg/L) estabelecido pela Resoluo CONAMA 20/86 (para amnia) e Resoluo CONAMA 357/05 (para NAT) 137

Figura 5.2.7: Concentrao de amnia a jusante do lanamento, no campo distante (at 915m), para os cenrios C1 a C10 138 Figura 5.2.8: Diluio da amnia a jusante do lanamento, no campo prximo (at 100m), para os cenrios C1 a C10 138

Figura 5.3.1: Carta Nutica n 1643 Canal de So Sebastio (parte Norte), com permetros dos dois volumes de controle (Linha preta Malha 1; Linha azul Malha 2), criados no software GAMBIT 139 Figura 5.3.2: Tela principal do software GAMBIT 140 Figura 5.3.3: Vista lateral da geometria do CSS (Malha 1) a partir da cota 10m de profundidade, com os 6 orifcios de sada plotados. Geometria realizada no software GAMBIT 143 Figura 5.3.4: Vista em planta da geometria do CSS (Malha 1) a partir da cota 10m de profundidade, com os 6 orifcios de sada plotados. Geometria realizada no software GAMBIT 143

Figura 5.3.5: Vista lateral da geometria do CSS (Malha 2) a partir da cota 10m de profundidade, com os 6 orifcios de sada plotados. Geometria realizada no software GAMBIT 144 Figura 5.3.6: Vista em planta da geometria do CSS (Malha 2) a partir da cota 10m de profundidade, com os 6 orifcios de sada plotados. Geometria realizada no software GAMBIT 144 Figura 5.3.7: Detalhamento da malha estruturada hexadrica Malha 1, de uma parte da geometria do CSS, realizada no software GAMBIT 145 Figura 5.3.8: Detalhamento da malha estruturada hexadrica da Malha 1 na regio prxima aos seis difusores do Emissrio Submarino do TEBAR, realizada no software GAMBIT 146 Figura 5.3.9: Detalhamento da malha estruturada hexadrica da Malha 2, de uma parte da geometria do CSS, realizada no software GAMBIT 147 Figura 5.3.10: Condies de fronteira estabelecidas na geometria do CSS, realizada no software GAMBIT 148 Figura 5.3.11: Perfil transversal do escoamento da pluma do efluente. As 6 primeiras sees transversais esto coincidentes aos 6 orifcios de descarga (difusores) do emissrio Submarino 152 Figura 5.3.12: Perfil longitudinal do escoamento da pluma do efluente coincidente aos 6 orifcios de descarga do emissrio submarino do TEBAR 153

Figura 5.3.13: Perfil longitudinal do escoamento da pluma do efluente coincidente ao ponto central do sistema difusor no campo prximo (impacto bntico) 153 Figura 5.3.14: Imagem em 3D do escoamento da pluma do efluente coincidente ao ponto central do sistema difusor no campo prximo (impacto bntico) 154 Figura 5.3.15: Imagem 3D do escoamento da pluma do efluente rente ao leito de fundo do Canal 154 Figura 5.3.16: Detalhamento da vista em planta do escoamento da pluma do efluente rente ao leito de fundo do Canal 155 Figura 5.3.17: Grfico da concentrao de amnia a jusante do lanamento at o trmino do campo prximo, para o Cenrio FA-1. A linha vermelha representa o limite de 0,4mg NH3/L

estabelecido pela CONAMA 20/86 156 Figura 5.3.18: Grfico da concentrao de amnia a jusante do lanamento at o trmino do campo prximo, para o Cenrio FA-2. A linha vermelha representa o limite de 0,4mg NH3/L estabelecido pela CONAMA 20/86 157 Figura 5.3.19: Grfico da concentrao de amnia a jusante do lanamento at o trmino do campo prximo, para o Cenrio FB - 1. A linha vermelha representa o limite de 0,4mg NH3/L

estabelecido pela CONAMA 20/86 157 Figura 5.3.20: Vista geral da geometria do canal (contorno em linhas cinzas) com as 6 sees longitudinais coincidentes aos 6 orifcios de descarga do emissrio submarino do TEBAR 158 Figura 5.3.21: Perfil longitudinal do escoamento da pluma do efluente coincidente aos 6 orifcios de descarga do emissrio submarino do TEBAR, a partir de cerca de 250m dos orifcios 159 Figura 5.3.22: Perfil longitudinal do escoamento da pluma do efluente coincidente aos 6 orifcios de descarga do emissrio submarino do TEBAR, a cerca de 450m do 1 orifcio (mais prximo a amargem) e de 600m do 6 orifcio (mais afastado da margem) 159 Figura 5.3.23: Perfil da descarga em seo longitudinal no tempo igual a 0,05s 160 Figura 5.3.24: Perfil da descarga em seo longitudinal no tempo igual a 0,5s 160 Figura 5.3.25: Perfil da descarga em seo longitudinal no tempo igual a 2,5s 161 Figura 5.3.26: Perfil da descarga em seo longitudinal no tempo igual a 7,5s 161 Figura 5.3.27 Perfil da descarga em seo longitudinal no tempo igual a 29,5s 162 Figura 5.3.28: Perfil da descarga em seo longitudinal no tempo igual a 53,5s 162 Figura 5.3.29: Perfil da descarga em seo longitudinal no tempo igual a 81,5s 163 Figura 5.3.30: Perfil da descarga em seo longitudinal no tempo igual a 105,5s 163

Figura 5.3.31: Concentrao da pluma do efluente do TEBAR, a 1,5m acima do leito de fundo, simulados no FLUENT (cenrios FA-1, FA-2 e FB - 1) 164 Figura 5.4.1.: Posio dos pontos de amostragem dos perfis hidrogrficos (temperatura, salinidade, densidade e fluorescncia) em vermelho e a posio dos risers em azul (1s, 2s e 3s linha sul , 1n linha norte), para a Campanha 1 167 Figura 5.4.2.: Posio dos pontos de amostragem dos perfis hidrogrficos (temperatura, salinidade, densidade e fluorescncia) em vermelho e a posio dos risers em azul (1s, 2s e 3s linha sul , 1n linha norte), para a Campanha 2 167 Figura 5.4.3: Anlise comparativa da taxa de diluio entre o software FLUENT e CORMIX e estudo de disperso com traador fluorescente 169 Figura 6.1: Comparao dos resultados entre o CORMIX e FLUENT, no campo prximo 171

Figura 6.2: Comparao dos resultados entre o CORMIX e FLUENT, no campo distante 172

LISTA DE TABELAS pg.

Tabela 1:Padres de qualidade das guas e do lanamento de efluentes dos parmetros

amnia (Resoluo CONAMA 20/86) e NAT Nitorgnio Amoniacal Total (Resoluo CONAMA 357/05). 10 Tabela 2: Valores das sees da vlvula duckbill em funo do dimetro interno 41 Tabela 3: Caractersticas mecnicas do material PEAD 48 Tabela 4: Fator de correo da presso de flambagem em relao a ovalizao 49 Tabela 5: Valores de dimensionamento dos colares de lastro 56 Tabela 6: Critrios de deciso entre o software CORMIX e FLUENT 110 Tabela 7: Posicionamento dos emissrios submarinos 113 Tabela 8: Comparativo dos padres de emisso com os resultados das anlises fsico-qumicas do efluente do Tebar 120

Tabela 9: Resumo das principais variveis selecionadas para os cenrios simulados no CORMIX 131 Tabela 10: Resultados dos cenrios simulados, no campo prximo e distante 135 Tabela 11: Dimenses dos volumes 1 e 2 criados para as simulaes computacionais do FLUENT 142

Tabela 12: Resumo das condies de contorno das simulaes computacionais do FLUENT 151 Tabela 13: Valores de concentrao e diluio da pluma dos emissrios submarinos do TEBAR no final do campo distante, na altura dos orifcios de descarga, para os 3 cenrios

analisados no FLUENT 165 Tabela 14: Resultado dos perfis fluorimtricos 168

LISTA DE SMBOLOS

Aor - rea do orifcio (m2) C - concentrao (mg/L) Cd - coeficiente de descarga

C0 - concentrao inicial (mg/L) Di - dimetro interno (m) De dimetro externo (m) D diluio

D0 - diluio inicial Dor - dimetro do orifcio (m) Dr - dimetro do riser (m) e espessura (m) Frd - nmero de Froude densimtrico F - fator de atrito de Darcy-Weisbach g - acelerao gravitacional (m/s2)

e

gg

=' - acelerao da gravidade modificada (m/s2)

H - carga mdia total na tubulao (m) H - altura do corpo dgua nas proximidades do lanamento (m) h - altura do orifcio de sada do difusor em relao a parede externa da tubulao.

hi - perda de carga distribuda (m) J0 fluxo de empuxo (m4/s3) j0 fluxo de empuxo por quantidade de movimento (m3/s3) k - fator de afundamento LD comprimento da seo difusora (m) M0 - fluxo de quantidade de movimento (m4/s2) m0 - fluxo de quantidade de movimento por unidade de comprimento (m3/s2) N - nmero total de difusores n - n simo difusor n = 1 - difusor mais afastado da margem p - presso na tubulao (kgf/cm2) Q - vazo (m3/s) Qo; Qe - vazo do efluente (m3/s)

q0 fluxo de volume por unidade de comprimento (m2/s) s espaamento entre orifcios (m) S - espaamento entre lastros (m) ua; Va velocidade da corrente (m/s) V - velocidade de descarga na tubulao (m/s) vj - velocidade do jato (m/s) zs1 - profundidade da superfcie at a linha de centro do primeiro orifcio (m) zsn - profundidade da superfcie at a linha de centro do nsimo orifcio (m) a massa especfica da gua (kg/m3)

a - peso especfico do lquido ambiente (kgf/m3)

e - peso especfico do efluente (kgf/m3) - ngulo de inclinao da tubulao ou orifcio com a horizontal - ngulo orientado no sentido anti-horrio em relao a direo do escoamento do fluxo do

ambiente

- ngulo de orientao em relao ao alinhamento da estrutura fsica do sistema difusor v - viscosidade cinemtica (m2/s)

ea = - diferena da massa especfica entre o ambiente e o efluente

RESUMO

O Terminal Almirante Barroso TEBAR, de propriedade da Petrobrs, est localizado no Canal de So Sebastio CSS, onde lana seus efluentes atravs de dois emissrios

submarinos com sistema difusor, ambos de polietileno de alta densidade - PEAD. Cada seo difusora constituda de trs risers com 0,15m de dimetro e 1,5m de altura, a uma profundidade que varia entre 19,15 e 25,45m. A intensidade mdia de corrente no canal da ordem de 0,40 a 0,60m/s, com direo preferencial NE. O efluente possui altas concentraes de amnia (mxima de 125,5,mg/L em abril de 2001) que ultrapassam o padro de emisso estabelecido pela Resoluo Conama 20/86 (Artigo 21 - 5,0mg NH3/L), alm de ser caracterizado como um efluente denso devido a alta concentrao de salinidade.

Para compreender o processo de disperso do contaminante amnia e o perfil

hidrodinmico da pluma do efluente dos emissrios submarinos do TEBAR, utilizou-se a modelagem computacional como uma ferramenta de anlise do processo da disperso de efluentes em corpos dgua, e tambm como suporte na deciso das agncias ambientais e dos processos industriais frente a exigncia de atendimento legislao. Dois diferentes mtodos

foram utilizados, o mtodo integral (software CORMIX) e o mtodo dos volumes finitos (software FLUENT). O CORMIX um programa especialista largamente utilizado na anlise do campo prximo do lanamento de efluentes por emissrios submarinos, enquanto que, no FLUENT pode-se considerar os efeitos da batimetria (Carta Nutica n0 1643 da Marinha do Brasil) e analisar tanto o campo prximo quanto o campo distante.

Os resultados de ambos os mtodos apresentaram uma pluma com empuxo negativo, que submerge aps alguns metros do lanamento, acarretando em um forte impacto bntico na rea circunvizinha do sistema difusor. Os resultados da disperso do contaminante

apresentados pelo CORMIX, para este estudo, foram extremamente conservadores, onde o padro de qualidade das guas somente atingido a grandes distncias do lanamento (200m). Os resultados do FLUENT esto de acordo com os estudos de monitoramento da qualidade da gua e de diluio de traadores fluorimtricos, atingindo o padro de qualidade das guas a poucos metros do lanamento (15m).

ABSTRACT

The Almirante Barroso Oil Terminal TEBAR, property of Petrobrs, is located at So Sebastio Channel CSS, which effluent is discharged through two submarine outfalls build

of HDPE High Density Polyethylene. Both of them has three risers with 0.15m of diameter and 1.5m of height, and are located between 19.15m and 25.45m of depth. The medium current velocity is between 0.40m/s and 0.60m/s to northward (NW). The effluent was sampled from April 2000 to March 2002 by Petrobrs. In this period, it was founded high concentrations of ammonia (125.5mg/L in April 2001), trespassing the limit value for emission of CONAMA 20 Resolution Art.21 (5mg/L). The salinity of effluent is of order 52.8% at a temperature of 27.3C for the same period. This range of values results in a density of 1037 kg/m3.

Computer modeling uses for the waste water dispersion process and the hydrodynamic profile description in water bodies is a modern tool as a decision support for the environmental agencies and for the industries in order to verify the standard water quality. Two different computer techniques are used in this present work, integral methods (software CORMIX) ), which conduct to the dilution results of the plume in the near field, and finite volume methods (software FLUENT) where its possible to analyze the effects of a variable batimetries (Nautical Map n0 1643 - Marinha do Brasil) and to consider the near and far dispersion process.

Both softwares showed that effluent plume has negative buoyancy, ocurring a strong impact benthic in the vicinity area of submarine outfall. The FLUENT application permits

obtain results for near-field and far-field with no restrictions of bathymetry and port discharge geometry but the computational cost is higher compared with classical software used to

prevent plume dispersion from submarine outfalls and which are based in gaussian integral methods (CORMIX). In this present work, the CONAMA 20 Resolution for ammonia (C = 0,4mg/L) is attended around 15m for FLUENT and 200m for CORMIX, far from ports.

CAPTULO I CONSIDERAES GERAIS

1.1. INTRODUO

A regio litornea do Estado de So Paulo, a cada ano, apresenta um aumento no

contigente populacional, fixo e flutuante, devido s oportunidades profissionais, comerciais, e de lazer e turismo. Decorrente da falta de planejamento territorial e a aplicao de polticas de desenvolvimento social e econmico, a regio vtima de uma srie de impactos ambientais que ao longo do tempo vem comprometendo o uso do solo e a qualidade das guas.

Segundo AFONSO (1999), podemos classificar os impactos ambientais ou problemas ambientais emergentes no litoral paulista, em trs categorias:

Perda dos recursos natural, histrico e cultural: - contaminao das guas superficiais, das guas subterrneas e do solo;

contaminao dos manguezais; e, contaminao do ar; provocadas pela existncia do Plo Industrial de Cubato, do Porto de Santos e de So

Sebastio, fontes difusas decorrentes da disposio inadequada dos efluentes sanitrios urbanos e dos resduos slidos, e de fontes pontuais provenientes principalmente das indstrias e dos emissrios submarinos.

- desmatamentos para construo de loteamentos, reas de minerao e a

extrao vegetal (palmito, banana, plantas ornamentais, etc...); - pesca indiscriminada e em locais proibidos; e,

- extrao mineral de areia e de pedras.

Conflitos de uso do solo:

- Presena de urbanizao desordenada, indstrias e portos em reas de conservao ou prximas a ecossistemas sensveis.

A sensvel interrelao entre turismo, lazer e atividades porturias verifica-se, como exemplo, no Canal de So Sebastio, local com alta procura pelo turismo de Ilhabela e que sofre com a iminncia de derramamentos de leo provenientes do terminal petrolfero TEBAR (Terminal Almirante Barroso da PETROBRS S.A.), e da descarga dos efluentes lquidos domsticos provenientes dos trs emissrios submarinos da SABESP e do emissrio

submarino de efluente industrial do TEBAR. Tal problema tambm ocorre, e ainda de forma mais acentuada na Baixada Santista.

Riscos de acidentes: - Acidentes em reas industriais e porturias; - Acidentes no transporte de produtos perigosos atravs de oleodutos, ou e portos

e terminais;

- Eroso e deslizamento nas encostas serranas e praias. Destaca-se, entre as fontes de poluio hdrica que afetam os recursos hdricos do litoral

paulista, o esgoto domstico e os efluentes industriais. A falta de sistemas de coleta e tratamento adequados grande, tornando a maioria dos corpos dgua receptores em veculos de transporte de despejos in natura, e como agravante de que, ao desaguarem no mar esses corpos dgua podem, em determinadas circunstncias, comprometer a balneabilidade das

praias e os demais usos previstos (recreao e lazer, pesca, manuteno da vida aqutica, etc...). Outro aspecto importante a utilizao da disposio ocenica atravs de emissrios submarinos de efluentes domsticos (operados pela SABESP) e industrial (TEBAR/PETROBRS) cada vez mais difundida no litoral, e que acarreta em um aumento do aporte de matria orgnica e substncias txicas ao mar, caracterizando-se como fontes de poluio pontual. (CETESB, 2004).

Tal diagnstico ambiental vem chamando a ateno da opinio pblica e de rgos ambientais e de pesquisas, como as Universidades, para a anlise, monitoramento e

desenvolvimento de massa crtica e de tecnologia, na busca da soluo para a poluio dos recursos hdricos desta regio.

Segundo RAGAS et al (1998), dois princpios bsicos podem ser estabelecidos no controle da poluio dos recursos hdricos: o princpio de preveno da poluio na fonte geradora e o princpio de capacidade assimilativa do corpo dgua.

O primeiro princpio, baseado na idia de que qualquer forma de poluio deve ser

evitada para minimizar o impacto negativo no corpo receptor. Dentro desta perspectiva, as medidas de controle ambiental, com a instalao de sistemas de tratamento de efluentes

domsticos e industriais, dependem das possibilidades tecnolgicas, econmicas e sociais de cada regio; e, concomitantemente so estabelecidos valores mximos restritivos para a emisso.

Os chamados pases em desenvolvimento, e no qual o Brasil est inserido, geralmente, apresentam baixos ndices de instalao de redes coletoras e sistemas de tratamento de

efluentes, e alm de que, quando existentes, so na maioria dos casos ineficientes na remoo qualitativa e quantitativa dos poluentes.

O segundo princpio, o de capacidade assimilativa, baseado na idia de que o meio ambiente pode suportar uma certa carga de poluio, desde que a capacidade de assimilao do corpo dgua no seja excedida, e sem efeitos adversos significativos, duradouros, e permanentes. Neste caso, a qualidade das guas estabelecida por padres de qualidade, que

estabelecem limites de concentrao para um certo nmero de substncias cujas concnetraes no devem ultrapassar valores mximos permitidos, e que variam em funo do

uso previsto para a respectiva gua.

A tendncia das diretivas para o gerenciamento dos recursos hdricos referente ao controle da poluio e a melhoria da qualidade das guas superficiais, basear-se na harmonizao destes dois princpios citados acima, e estes serem complementares entre si, ao

invs de soarem como discrepantes ou alternativos (HAANS et al, 1998). Uma srie de situaes paralelas pode existir em relao a estes dois princpios, cuja

utilizao em separado enfraquecida, conforme exemplos a seguir:

um lanamento de efluente que atende ao padro de emisso mas a carga poluidora

remanescente elevada para a assimilao do corpo dgua, causando efeitos de toxicidade crnica e aguda; e,

o custo para a remoo de uma certa quantidade de poluente ou a tecnologia necessria para a remoo de um nico poluente, pode se tornar invivel para certos pases ou

regies, tornando os padres de emisso e de qualidade das guas uma utopia. Dentro desta linha de raciocnio e considerando-se que a regio litornea do Estado de

So Paulo apresenta, como um dos principais sistemas de tratamento de efluentes, a disposio ocenica atravs dos emissrios submarinos, procurou-se, ao longo deste trabalho, desenvolver o tema dentro do estado da arte dos emissrios submarinos utilizando-se modelos computacionais para a anlise da disperso da pluma de efluentes com vista ao atendimento

do padro de qualidade das guas. O litoral paulista, possui 7 emissrios submarinos de esgoto domstico (2 em Praia Grande, 1 em Santos, 1 em Guaruj, 2 em So Sebastio e 1 em Ilha Bela), alm de um emissrio submarino industrial, tambm no municpio de So Sebastio, de propriedade da Petrobrs, e que ser o objeto de estudo para as simulaes computacionais deste trabalho.

Alm do emissrio submarino do TEBAR, tem-se conhecimento que a Transpetro Petrobrs Transportes S.A. (empresa subsidiria da PETROBRS S.A.) opera outros terminais que lanam seus efluentes atravs de emissrios submarinos, como o caso do Terminal Aquavirio de So Francisco do Sul (SC) e do Terminal Aquavirio de Osrio (RS).

A CETREL S.A. Empresa de Proteo Ambiental, responsvel por tratar os efluentes lquidos, resduos slidos e monitoramento ambiental do Plo Petroqumico de Camaari, lana seus efluentes lquidos atravs de um emissrio submarino, com 4,8km de extenso e a uma profundidade mdia de 25m.

SALAS (2000) cita os seguintes emissrios submarinos industriais no Brasil, todos situados na regio Norte / Nordeste e com data de construo que varia de 1978 a 1982:

Aracruz Celulose S.A. (2 emissrios): Nitrofertil;

Salgema;

Titnio do Brasil TIBRAS (2 emissrios); Distrito Industrial de Manaus.

1.1.1. EMISSRIO SUBMARINO

O emissrio submarino uma estrutura fsica hidrulica linear que conecta a superfcie

terrestre ao corpo dgua receptor constituindo-se basicamente de 3 componentes principais: a estao de lanamento localizada na parte terrestre, e que pode conter uma estao de

tratamento de efluentes industrial ou domstico; o emissrio cuja funo transportar o efluente (por gravidade ou bombeamento) para o local exato de disposio; e, o sistema difusor, onde um orifcio ou bocal, ou um conjunto destes, lanam e dispersam o efluente. Na figura 1.1 podemos visualizar estes trs constituintes em vista lateral e planta.

Figura 1.1: Configurao de um emissrio submarino com sistema difusor.

A utilizao de sistemas difusores multiorifcios, definidos a partir de projetos adequados fundamental para garantir a qualidade da gua aps o processo de diluio inicial

do efluente na zona de mistura. No processo de disperso de um efluente, na massa lquida, duas fases distintas devem

ser consideradas. A primeira, referente mistura inicial, ocorre na regio chamada campo prximo (near-field), e depende, basicamente, das condies ambientais (nvel de turbulncia das guas, velocidade da corrente e estratificao trmica) e das caractersticas geomtricas do difusor (n de orifcios, dimetro, alinhamento). Como valor padro, para um sistema difusor ser considerado eficiente, este deve alcanar diluies mnimas da ordem de 100 (D0 = C0 / C; sendo D0 = Diluio inicial, C0 = Concentrao inicial, C = Concentrao final), no campo prximo.

Os jatos lanados em alta velocidade atravs do sistema difusor podem ser afetados pela corrente do ambiente e pela estratificao trmica. As correntes iro defletir gradualmente o jato flutuante na direo do seu escoamento induzindo um aumento da mistura. Por outro lado, um ambiente estratificado, ir agir na retrao da acelerao vertical do jato (empuxo),

estao terrestre

difusor

profundidade

Emissrio submarino tubulao

orifcio

emissrio

riser

espaamento

Linha da costa

aprisionando a pluma de efluente em um certo nvel da coluna dgua. Ambas situaes podem ocorrer, como o caso de guas profundas (geralmente com mais de 10m), estratificadas (com variao de temperatura ao longo da coluna dgua) e passveis de fortes correntes marinhas.

Conforme a pluma se afasta do ponto de lanamento, as caractersticas geomtricas do difusor passam a ter menor influncia no processo de disperso, e uma segunda fase se inicia, na qual a turbulncia do ambiente ir controlar a trajetria e a taxa de diluio da pluma. Esta regio chamada de campo distante (far-field). Existe uma srie de condies hidrodinmicas, que variam conforme as condies locais de cada regio, e para cada caso, deve-se realizar intensivos estudos e medies de campo para compreender melhor os

fenmenos fsicos que envolvem a mistura hidrodinmica ocenica. O projeto e desenvolvimento de sistemas de tratamento de efluentes e o adequado

lanamento no corpo receptor, analisando os processos de mistura e diluio atravs da utilizao de softwares de previso do comportamento da descarga em relao s condies oceanogrficas, tem tido um avano muito importante na rea da Engenharia Hidrulica.

Segundo ORTIZ&BESSA (2004), a utilizao de modelagem computacional para a simulao do processo de disperso da pluma de efluente, reproduzindo-se a zona de mistura em qualquer tipo de corpo dgua, constitui-se hoje em ferramenta imprescindvel no processo de deciso, tanto para os rgos ambientais, como para as indstrias. Neste presente trabalho,

utilizam-se duas tcnicas computacionais, para a simulao do processo de disperso de um efluente industrial, cujo lanamento ocorre no Canal de So Sebastio - CSS. A primeira tcnica, baseada no mtodo integral, utiliza o software CORMIX, que permite a previso da concentrao do efluente ao longo do eixo da pluma e a estimativa da largura da pluma. Os resultados permitem uma concluso sobre a diluio no campo prximo. A segunda tcnica, baseada em CFD Computational Fluid Dynamics (DFC Dinmica dos Fluidos Computacional) , utiliza o mtodo dos volumes finitos, atravs do software FLUENT que conduz a resultados de diluio nos campos prximo e distante. Os resultados obtidos

permitem concluir que o uso de CFD, em particular do software FLUENT, permite obter resultados tanto no campo prximo, como no campo distante, mostrando a abrangncia e a potencialidade deste uso, que pode ser estendido para a simulao de plumas de efluentes em corpos dgua receptores com batimetrias variadas e considerando descargas de sistemas

difusores com geometrias complexas.

1.1.2. LEGISLAO AMBIENTAL: RESOLUO CONAMA 20/86 E RESOLUO CONAMA 357/05

A seguir sero apresentadas, de forma sintetizada, estas duas legislaes, devido a sua aplicabilidade no estudo de caso deste presente trabalho, por referirem-se a classificao dos

corpos dgua por usos preponderantes e ao estabelecimento de condies e padres de qualidade das guas naturais e de lanamento de efluentes nos recursos hdricos superficiais do Brasil.

Destaca-se a criao de novas classes para guas salinas (como exemplo, as guas do Canal de So Sebastio) disposta na Resoluo CONAMA 357/05 em relao a CONAMA 20/86.

Ressalta-se aqui, que a Resoluo CONAMA no 20 de 18 de julho de 1986 foi revogada pela Resoluo CONAMA no 357 em 17 de maro de 2005.

Adotou-se para a anlise da disperso da pluma do efluente dos emissrios submarinos do TEBAR o parmetro amnia e os seus respectivos padres de qualidade da gua e de

lanamento de efluentes estabelecidos pela Resoluo CONAMA 20/86. Sero apresentados os padres de qualidade das guas e de lanamento de efluentes para o parmetro amnia

(Res. CONAMA 20/86) e parmetro NAT Nitrognio Amoniacal Total (Res. CONAMA 357/05).

- Resoluo CONAMA 20/86: A Resoluo CONAMA 20/86 classificava as guas doces, salobras e salinas do

Territrio Nacional, em nove classes, segundo seus usos preponderantes, da seguinte maneira:

GUAS DOCES (guas com salinidade igual ou inferior a 0,5 o/oo) Classe Especial - guas destinadas:

a) ao abastecimento domstico sem prvia ou com simples desinfeco; b) preservao do equilbrio natural das comunidades aquticas.

Classe 1 - guas destinadas: a) ao abastecimento domstico aps tratamento simplificado b) proteo das comunidades aquticas; c) recreao de contato primrio (natao, esqui aqutico e mergulho); d) irrigao de hortalias que so consumidas cruas e de frutas que se desenvolvem

rentes ao solo e que sejam ingeridas cruas sem remoo de pelcula;

e) criao natural e/ou intensiva (aquicultura) de espcies destinadas alimentao humana.

Classe 2 - guas destinadas: a) ao abastecimento domstico, aps tratamento convencional; b) proteo das comunidades aquticas; c) recreao de contato primrio (esqui aqutico, natao e mergulho); d) irrigao de hortalia e plantas frutferas; e) criao natural e/ou intensivas (aquicultura) de espcies destinadas alimentao

humana.

Classe 3 - guas destinadas:

a) ao abastecimento domstico, aps tratamento convencional; b) irrigao de culturas arbreas, cerealferas e forrageiras; c) dessedentao de animais.

Classe 4 - guas destinadas:

a) navegao; b) harmonia paisagstica; c) aos usos menos exigentes.

GUAS SALINAS (guas com salinidade variando entre 0,5 o/oo e 30 o/oo) Classe 5 - guas destinadas:

a) recreao de contato primrio; b) proteo das comunidades aquticas; c) criao natural e/ou intensiva (aquicultura) de espcies destinadas alimentao

humana.

Classe 6 - guas destinadas: a) navegao comercial; b) harmonia paisagstica; c) recreao de contato secundrio.

GUAS SALOBRAS (guas com salinidade igual ou superior a 30 o/oo) Classe 7 - guas destinadas:

a) recreao de contato primrio; b) proteo das comunidades aquticas;

c) criao natural e/ou intensiva (aquicultura) de espcies destinadas alimentao humana.

Classe 8 - guas destinadas: a) navegao comercial; b) harmonia paisagstica; c) recreao de contato secundrio.

Durante a vigncia desta legislao, as guas do Canal de So Sebastio eram

classificadas como Classe 5. No artigo 8o, onde so estabelecidos os limites e condies para as guas de Classe 5, o teor mximo para o parmetro amnia no ionizvel (NH3) igual a 0,4mg NH3/L.

Em relao aos padres de emisso, o artigo 21 da Resoluo CONAMA 20/86 estabelecia que o valor mximo admissvel do parmetro amnia no efluente de qualquer fonte poluidora que poder ser lanado, direta ou indiretamente, nos corpos dgua, igual a

5,0mg NH3/L.

- Resoluo CONAMA 357/05: De acordo com a Resoluo CONAMA 357/05, que: dispe sobre a classificao dos

corpos de gua e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as

condies e padres de lanamento de efluentes, e d outras providncias; estabelece que, as guas salinas (guas com salinidade igual ou superior a 30 o/oo), sejam classificadas da seguinte maneira, conforme seus usos preponderantes: Classe Especial - guas destinadas:

a) preservao dos ambientes aquticos em unidades de conservao de proteo integral;

b) preservao do equilbrio natural das comunidades aquticas. Classe 1 - guas que podem ser destinadas:

a) recreao de contato primrio, conforme Resoluo CONAMA n 274, de 2000; b) proteo das comunidades aquticas; e c) aqicultura e atividade de pesca.

Classe 2 - guas que podem ser destinadas:

a) pesca amadora; e, b) recreao de contato secundrio.

Classe 3 - guas que podem ser destinadas:

a) navegao; e b) harmonia paisagstica

Portanto, verifica-se uma alterao na classificao das guas salinas, frente a Resoluo CONAMA 20/86, definindo novas classes de guas salinas segundo a qualidade requerida para os seus usos preponderantes.

Na Resoluo CONAMA 357/05, as guas do Canal de So Sebastio esto enquadradas como classe 1. Os critrios de qualidade das guas salinas de classe 1, esto definidos no artigo 18, onde se estabelecem as condies e padres de qualidade para vrios

parmetros inorgnicos e orgnicos. A Resoluo CONAMA 357/05 substituiu o parmetro amnia pelo nitrognio amoniacal total, mantendo o mesmo valor mximo permissvel igual a

0,4mg N/L.

Em relao as condies e padres de lanamento de efluentes, o artigo 34 (equivalente ao artigo 21 da Resoluo CONAMA 20/86), substituiu o parmetro amnia pelo nitrognio amoniacal total, com valor mximo igual a 20,0mg/L.

Tabela 1: Padres de qualidade das guas e do lanamento de efluentes dos parmetros amnia (Resoluo CONAMA 20/86) e NAT Nitrognio Amoniacal Total (Resoluo CONAMA 357/05).

Resoluo CONAMA 20/86 Resoluo CONAMA 357/05

Parmetro Amnia (NH3) NAT Nitrognio Amoniacal Total (NH3 + NH4+) Padro de

Qualidade das guas

0,40 mg/L (artigo 8)

0,40 mg/L (artigo 18)

Padro de Lanamento de

Efluentes 5,0 mg/L (artigo 21) 20,0 mg/L (artigo 34)

Ressalta-se todavia que, apesar da substituio do parmetro amnia pelo nitrognio

amoniacal total, tanto como parmetro de qualidade dos corpos dgua quanto no padro de emisso de efluentes, para este presente estudo, trabalhou-se com a amnia, pois os dados referentes a qualidade do efluente do TEBAR, analisados pela PETROBRS, no perodo de abril de 2000 a maro de 2002 (CASCARDI, 2002), referem-se a esta substncia e no ao nitrognio amoniacal total (devido a legislao em vigor na poca). Alm disso, a partir de abril de 2002 at a presente data, no se obteve informaes sobre a qualidade do efluente da

PETROBRS para o parmetro amnia e demais formas nitrogenadas.

1.1.3. ZONA DE MISTURA REGULATRIA

A zona de mistura de um efluente em um corpo dgua pode ser definida como uma

zona de impacto onde o parmetro de qualidade da gua pode ser excedido, dentro de novos valores limites, e no qual o processo de diluio inicial de um efluente pode ser considerado como um ps-tratamento. comum estabelecer a zona de mistura, somente para um constituinte, ou um conjunto destes, a partir do momento em que a relao de custo/benefcio para sua remoo em uma estao de tratamento de efluentes terrestre, se torne invivel economicamente ou operacionalmente.

Na prtica, para se determinar a zona de mistura regulatria, estipula-se uma rea, comprimento, largura ou volume, o menor possvel e de fcil identificao, variando em funo das caractersticas ambientais do corpo receptor (lagos, reservatrios, rios e oceanos), no interferindo nos usos previstos para a gua (1984 USEPA Water Quality Handbook apud www.cormix.info).

A zona de mistura regulatria deve estar livre das seguintes substncias, seja de origem de uma fonte pontual ou no-pontual:

Substncias em concentrao que possam causar toxicidade aguda vida aqutica; Substncias em concentrao que possam sedimentar e causar assoreamento;

Slidos flutuantes, escumas, leos e qualquer outra matria em concentraes que cause incmodo;

Substncias em concentrao que possam produzir cor, odor, sabor ou turbidez objetvel;

Substncias em concentrao que possam produzir efeitos indesejveis vida aqutica e que resultem no surgimento ou dominncia de espcies indesejveis.

Alm disso, a agncia ambiental americana, United States Environmental Protection Agency USEPA, recomenda trs nveis de critrios para o estabelecimento da zona de

mistura (ver figura abaixo), sendo: o Critrio de Concentrao Mxima (Criterion Maximum Concentration - CMC) para prevenir o efeito txico agudo na vida aqutica; o Critrio de Concentrao Contnua (Criterion Continuous Concentration - CCC) para prevenir o efeito txico crnico na vida aqutica; e, a Concentrao de Referncia Ambiental (Reference Ambient Concentration - RAC) para a proteo da sade humana. A zona de mistura limitada pelo valor do CCC, ou seja, um dado constituinte, pode existir em concentrao superior ao CCC at o limite espacial estabelecido. Para o caso americano, cada Estado tem

competncia em definir os valores das concentraes, assim como a frequncia e a durao do evento. (RAGAS et al, 1998).

Figura 1.2: Esquematizao da zona de mistura regulatria com dois nveis de critrios proposto pela USEPA (www.cormix.info).

No Brasil a Resoluo CONAMA 357 de 17 de maro de 2005, que revogou a Resoluo CONAMA 20/86, demonstra um avano na questo do estabelecimento de uma zona de mistura, quando da descarga de efluentes em corpos dgua, apesar de no especificar em seu texto, valores especficos, ou diretrizes para a definio de uma rea ou volume que

represente a zona de mistura, seja qual for o tipo de corpo dgua. No Artigo 33, A Resoluo CONAMA 357 / 05 descreve em relao a zona de mistura

de efluentes: ... o rgo ambiental competente poder autorizar, levando em conta o

tipo de substncia, valores em desacordo com os estabelecidos para a respectiva classe de enquadramento, desde que no comprometam os

usos previstos para o corpo de gua.

E continua em seu Pargrafo nico:

A extenso e as concentraes de substncias na zona de mistura devero ser objeto de estudo, nos termos determinados pelo rgo

Corpo dgua

emissrio

Zona de mistura regulatria

Linha

da

co

sta Critrio de Concentrao Mxima

Critrio de Concentrao Contnua

Corpo dgua

emissrio

Zona de mistura regulatria

Linha

da

co

sta Critrio de Concentrao Mxima

Critrio de Concentrao Contnua

ambiental competente, s expensas do empreendedor responsvel pelo lanamento.

Maiores detalhes sobre critrios de implantao de uma zona de mistura regulatria , no

Brasil e no Mundo (Comunidade Europia, Mar Mediterrneo e China), podem ser obtidos na Tese de Doutoramento de ARASAKI (2004).

1.2. OBJETIVOS

Os objetivos deste trabalho so:

Apresentar o estado da arte de emissrios submarinos utilizando sistemas difusores multiorifcios, destacando o PEAD Polietileno de Alta Densidade, como material de construo, discutindo as principais tcnicas de instalao e manuteno de emissrios submarinos, com destaque para a tcnica de instalao float-and-sink para tubos de PEAD;

Analisar a disperso da pluma de uma determinada substncia constituinte do efluente

industrial do Terminal Almirante Barroso TEBAR, localizado no Canal de So Sebastio CSS, quanto ao atendimento do padro de qualidade das guas, e estudar o comportamento fsico hidrodinmico, com a utilizao de tcnicas computacionais baseadas no mtodo integral (CORMIX) e no mtodo de volumes finitos (FLUENT), comparando os resultados obtidos com estudos de diluio com traador fluorescente.

CAPTULO II PROJETO, INSTALAO, OPERAO E MANUTENO DE EMISSRIOS SUBMARINOS COM SISTEMAS DIFUSORES

2.1. CRITRIOS DE PROJETO E DIMENSIONAMENTO

2.1.1. LEVANTAMENTO DA ROTA SUBAQUTICA O levantamento da melhor rota subaqutica para instalao de um emissrio submarino

geralmente se inicia por uma batimetria detalhada da superfcie do leito de fundo, e anlise das caractersticas mecnicas e fsicas do solo e do subsolo. Tambm deve ser realizada a

anlise das propriedades fsicas e qumicas do corpo dgua e de sua hidrodinmica, assim como, a obteno de dados de corrente para clculo da capacidade de diluio do efluente.

A utilizao de cartas nuticas, sonar, exame de acstica, imagens de vdeos e fotografias, importante para que se evite qualquer obstculo na rota ou reas sensveis, como: recifes de coral, reas com vida aqutica intensa, solos instveis, fracos, suscetveis eroso ou deposio excessiva e com pedregulhos grandes, precipcios, quedas, cumes e reas

prximas a marinas e ancoradouros. Porm, algum detalhe pode no ser detectado pelos equipamentos de medio e inspeo, causando srios problemas estruturais a tubulao,

acarretando atraso no cronograma do projeto e custos adicionais, os quais sempre so indesejveis.

Sendo assim, a explorao subaqutica deve ser conduzida por experientes

mergulhadores, onde, pelo menos um destes deve ser engenheiro com conhecimento de anlise estrutural de materiais e hidrulica de tubulao. importante frisar que, devido a maioria dos mergulhos ser realizada em guas turvas, com pouca visibilidade, h necessidade do mergulhador saber analisar e diagnosticar o problema pelo tato ou pela viso aguada, transmitindo em seguida as informaes para um relatrio escrito.

Para a realizao do mergulho comercial deve-se checar as normas regulatrias locais,

definindo os exames mdicos peridicos. Tais procedimentos devem ser de interesse do mergulhador e do empregador, e podem ser garantidos atravs de certificado mdico e de

treinamento. DALE (2002) discute e enumera uma srie de consideraes referentes a sade e segurana do mergulhador para inspeo subaqutica, considerando o mergulho uma atividade perigosa onde seus riscos devem ser entendidos e conhecidos de local para local. De uma forma geral as principais preocupaes so: falhas no fornecimento de oxignio e na

comunicao com o barco de apoio; fraca amarrao contra correntezas em rios com altas velocidades; choques com embarcaes, guindastes, estruturas submersas e rochas;

visibilidade ruim, entre outros.

Durante a explorao preliminar os mergulhadores devem estar munidos de bssola e trena, fazendo marcaes desde o ponto de entrada do emissrio no corpo dgua at o

extremo final da rea de prospeco, devendo ser instaladas bias numeradas e coloridas identificando e mensurando a distncia entre cada obstculo ou reas problemticas que o

processo de instalao possa encontrar; caso, a rea problemtica seja pequena, as bias devem ser ancoradas ou amarradas firmemente no centro do obstculo, porm, se a rea for de grandes dimenses as bias devem ser amarradas no incio e no final identificando-a como uma rea nica (CEPIS, 2002). O mergulhador deve anotar a descrio das condies para cada bia numerada correspondente, sendo de grande utilidade a filmagem e fotografias das reas crticas. A utilizao de GPS essencial nos estudos e inspees de rotina (NRCC, 1994).

Em uma segunda pesquisa exploratria, os mergulhadores devem buscar determinar a melhor rota desobstruda em ambos os lados do obstculo. Caso obtenha sucesso, o mergulhador deve marcar com bias de diferente colorao daquelas dos obstculos, o

comprimento inteiro da rota. Prximo aos obstculos recomendvel um espaamento de cinco em cinco metros, porm, na extenso da rota, um espaamento de 50 metros usualmente adequado. Caso seja necessrio fazer curvas extremamente agudas para desviar dos obstculos, ser necessrio instalar conexes pr-fabricadas. Por ser a instalao de tubulaes em curvas de maior complexidade, deve-se prevalecer pela escolha de rotas de

maior extenso sem curvas, principalmente para os materiais convencionais pouco flexveis.

Durante o perodo de construo em locais com trfego intenso, importante instalar

placas com aviso nas prprias bias, nas marinas e ancoradouros mais prximos e notificar aos barqueiros e pescadores da regio para evitarem a rea de construo em progresso. Ao mesmo tempo, se faz necessrio adicionar a localizao do emissrio em cartas nuticas e mapas, o mais breve possvel, com aviso de proibio de ancoragem das embarcaes nas

vizinhanas.

Em rios de guas rasas a explorao e o levantamento da rota submarina,

intrinsicamente, se torna muito mais rpida e segura, podendo em certos casos onde a profundidade for muito baixa e a topografia do leito de fundo ser de fcil compreenso, se tornar desnecessria.

2.1.2. TIPOS DE MATERIAL DE CONSTRUO: VANTAGENS E DESVANTAGENS

A construo de emissrios submarinos enfrenta alguns problemas relacionados

preparao e assentamento da tubulao em terra e na gua, principalmente, devido variao da hidrodinmica do corpo dgua, devendo a construo ser estudada, planejada e integrada ao projeto, estabelecendo-se uma harmonia entre os materiais da tubulao, tipos de juntas, tipos de suportes, equipamentos e tcnicas desenvolvidas e disponveis pelos empreiteiros

selecionados para a obra (CHAO&MOTTA PACHECO, 1979; WRc, 1990). Segundo KOMEX (2002) dois aspectos distintos podem determinar a seleo do material de construo de um emissrio:

Instalao de dispendiosos sistemas projetados para resistir a qualquer fora, interna e/ou externa ao longo do seu ciclo de vida;

Instalao de sistemas mais baratos e com resistncia relativa, mas que possam ser

substitudos rapidamente e a um baixo custo. Para AVANZINI (2000), alm de se considerar a expectativa de vida til e custos de

manuteno, a escolha do material depende no somente de aspectos puramente tcnicos, mas sim, da familiaridade e da habilidade do corpo de engenheiros e da construtora responsvel pela obra em lidar com o material a ser utilizado e da disponibilidade de fabricao do

material prximo rea de trabalho, pois, o fator econmico mais importante a questo do transporte da tubulao, que pode representar, para tubos com dimetro maior que 1200 mm

(um tramo de tubo por caminho) acrscimo de 30% do valor total da obra. Outros requisitos para a seleo do material da tubulao so: possibilidade do material

possuir dimetro adequado para o projeto, resistncia corroso, juntas seladas contra vazamentos, e alto grau de resistncia e integridade, como: flexibilidade axial, flambagem e

toro.

Alm desses fatores construtivos, as estruturas submersas so passveis de danos e

falhas devido a vrios fatores que podem ser divididos em quatro categorias (NRCC, 1994): corroso, coliso (usualmente com barcos, barcaas, balsas, ncoras e equipamentos de pesca), aes do vento e das mars e outros fatores (tipo de material, evento ssmico, variao de vazes ocasionando presso interna negativa na tubulao, etc...). Conforme os fatores mencionados a estimativa de danos causados em tubulaes distribui-se da seguinte maneira: 50% devido a corroso, 25% devido a colises e aes do vento e das mars e 25% devido a outros tipos de foras (KEMP et al, 2002).

O Instituto de Hidromecnica da Universidade de Karlsruhe (IFH, 2002) dispe de uma base de dados de emissrios submarinos que permite concluir, apesar de no ser possvel a

distino da localizao por tipo de corpo dgua (rios, lagos, esturios, guas costeiras, oceano, etc...), quais os materiais de construo mais utilizados, sendo estes:

ao carbono: 28,15%; ao inoxidvel: 0,97%; concreto reforado: 19,4%; polietileno de alta densidade PEAD: 16,5%; ferro fundido: 6,8%; plstico reforado com fibra de vidro - PRFV (glass fiber reinforced pipes - GRP):

5,8%; polipropileno: 1,95%; outros / desconhecidos: 20,42%.

De acordo com SALAS (2000), at o ano de 1993, tinha-se a seguinte distribuio, por tipo de material de construo, para um total de 65 emissrios submarinos com comprimento maior que 500m, em cidades costeiras da Amrica Latina e Caribe.

ao (carbono ou inoxidvel, com ou sem revestimento protetor): 40%; concreto reforado: 21,6%; polietileno de alta densidade PEAD: 20%; ferro fundido: 10,8%;

plstico reforado com fibra de vidro - PRFV (GRP - glass fiber reinforced pipes): 4,6%;

polipropileno: 3%.

A seguir, ser apresentada uma breve caracterizao dos principais materiais de construo para emissrios submarinos: Ao, Concreto, PEAD, Ferro Fundido, PRFV e PVC, destacando-se suas vantagens e desvantagens (AVANZINI, 2000; DALE, 2002; GRACE, 1978; KOMEX, 2002; LINGURI&LISSONI, 2000; MATSUSHITA, 1979; PPI, 2004). As consideraes a seguir, no tm como inteno excluir ou priorizar um tipo de material

especificamente, mas sim, otimizar os fatores de escolha apresentados anteriormente, para uma adequada seleo do material.

Ao o tipo de material mais comum a ser fabricado para vrios dimetros, estando

relativamente disponvel praticamente em qualquer regio, alm de largamente utilizado na indstria offshore de leo e gs. O transporte de tubos de grande dimetro e comprimento pode se tornar um transtorno, mesmo para pequenas distncias, encarecendo demais o custo total de construo do emissrio. A instalao geralmente

feita pelo mtodo pulling / bottom-pull, com a presena de revestimento externo, tanto para proteo a corroso, quanto para o lanamento, neste caso agindo como peso de lastro.

Quando a tubulao de ao estiver totalmente preenchida por gua ou efluente ir possuir uma flutuao negativa, e esta no ter peso suficiente para assegurar uma estabilidade contra foras externas (correntes martimas, ventos, ondas, etc...) ou contra foras de flutuao extra, como a liquefao do solo de suporte da tubulao, necessitando de tcnicas de estabilizao.

As principais vantagens so:

Mais resistente, leve, barato e fcil de construir que os tubos de ferro fundido; Em certas condies hidrodinmicas, no h necessidade de pesos

estabilizadores, porm, passvel de enterramento em grandes profundidades; Relativa resistncia a impactos em condies mais severas.

As principais desvantagens so: Alto custo de implantao e fabricao, tornando-se ainda menos econmico

para pequenos comprimentos;

Sensibilidade corroso, necessitando alm da proteo por revestimento

interna (epoxy) ou externa (betume, polietileno, poliuretano ou concreto), tambm da necessidade de proteo catdica ou andica;

Utilizao de equipamentos pesados para a instalao; No se conforma facilmente no leito de fundo do corpo dgua, onde

tubulaes com dimetro grande podem sofrer ovalizao.

Concreto Tubulaes de concreto, usualmente do tipo Portland, so largamente utilizadas

para coleta e transporte de esgotos domsticos e drenagem urbana, tendo tambm grande aplicabilidade para emissrios submarinos devido alta resistncia do material,

porm, por ter peso elevado, comparado a materiais plsticos, podem ter a sua estrutura comprometida no processo de submerso em corpos dgua com margem

ngrime, alm do risco de falhas nas juntas devido a instabilidade do solo podendo provocar danos irreparveis ao sistema como um todo. A instalao feita por tramos, de comprimento de at 75m atravs de uma estrutura com moldura de ao chamada de Horse. Por ser o concreto longitudinalmente rgido, necessrio um

entrincheiramento linear no leito de fundo para evitar qualquer stress ou dano as juntas de conexo do tipo ponta e bolsa.

Para elevadas presses de trabalho, podem ser inseridos no interior da tubulao cilindros de ao que reforam estruturalmente a tubulao de concreto. Em outros

casos, malhas de ao so amarradas em torno do dimetro externo da tubulao resultando no chamado tubo de concreto protendido.

As principais vantagens so:

Tubos de concreto so tubos rgidos, possuindo significativa resistncia estrutural;

Devido ao seu alto peso, no h a necessidade de pesos estabilizadores, sendo considerado uma estrutura tubo-solo. Porm, podem ser anexados tanques de flutuao, para melhor controle do processo de submerso;

Mudanas moderadas no leito de fundo, onde possa ocorrer uma leve eroso na

superfcie em contato com a base do tubo, no influenciar na integridade estrutural;

Estruturas pr-fabricadas so facilmente produzidas em qualquer regio a baixos custos.

As principais desvantagens so: Apurada tcnica para fabricao da estrutura do acoplamento (juntas tipo ponta

e bolsa), a fim de assegurar perfeita estanqueidade, sem a qual os vazamentos podero ser considerveis;

Os problemas de vazamento desse tipo de tubulao so agravados pelo grande nmero de juntas necessrias, permitindo uma deflexo da ordem de 30 a 130, dependendo do grau de tolerncia obtido na fabricao;

A rugosidade absoluta relevante, prejudicando o comportamento hidrulico do sistema, causado por corroso, abraso e sujeira;

Exigncia de regularizao do leito em grau muito maior do que os tubos de estrutura mais contnua;

Utilizao de equipamentos pesados para posicionamento e assentamento;

Apesar de resistente ao ataque de organismos marinhos, suscetvel ao ataque de cidos e do sulfeto de hidrognio presente no efluente domstico. Alguns

tipos de revestimento de proteo podem ser utilizados, como: cimento (o qual resistente aos cidos); vinil ou placas de ao inoxidvel colocadas como forros no interior da tubulao.

Figura 2.1: rea de construo dos tubos de concreto armado (10m de comprimento, dimetro interno de 1600 mm e espessura da parede de 200 mm) do emissrio de Thessaloniki, Grcia (SPYROPOULOS&ANDRIANIS, 2003).

PEAD Polietileno de Alta Densidade O incio da utilizao deste tipo de material para instalaes subaquticas

ocorreu na dcada de 60, nos pases nrdicos, e vem se tornando familiar em projetos de emissrios submarinos e para a travessia submersa de tubulaes entre margens

distantes. O material apresenta atualmente timas caractersticas de tenso e mdulo

de elasticidade, podendo ser produzidos com = 8 N / mm2; existindo uma ntima

relao entre a espessura da parede do tubo, a profundidade e a curvatura de submerso; com sua instalao geralmente realizada pela tcnica float-and-sink. Por ser, a fuso de tramos ainda uma dura tarefa, necessitando de 6 a 8 horas para tubos com 1600 mm de dimetro (mximo disponvel no processo de extruso), tem-se optado pela fabricao de tubulaes de grande comprimento (figura 2.2).

As principais vantagens so:

Flexibilidade, podendo ser submerso gradualmente e, com facilidade na adaptao da conformidade do leito de fundo do corpo dgua;

Peso leve, (a densidade do PEAD aproximadamente 96% da gua doce) requerendo equipamentos leves para o posicionamento por flutuao at o local exato de submerso, assentamento e ancoragem;

Prazo de construo menor permitindo a implantao de sistemas de emissrios por etapas construtivas, diminuindo o investimento inicial;

No h a necessidade de revestimento ou proteo contra corroso; Fuso por calor, resultando numa estrutura nica, comprida e resistente,

eliminando o risco de vazamento pelas juntas; No h necessidade de juntas mecnicas (braceletes, conexes, parafusos,

etc...); Inerte a efeitos da corroso de substncias qumicas presentes nos efluentes

industrial e domstico e da ao da salinidade do ambiente aqutico;

Ductibilidade: a tubulao de PEAD possui uma alta capacidade relativa de absorver tenses;

As principais desvantagens so: Relativamente menos resistente do que outros materiais convencionais contra

choques com embarcaes e ncoras, podendo ser arrastado devido a seu leve peso;

Necessidade de pesos de lastro para a estabilidade e maior rigidez da estrutura, evitando a flambagem do emissrio.

Figura 2.2: Linhas de emissrio de PEAD (OZEL et al, 2002).

Ferro Fundido No estudo realizado por PEARSON (1956) apud GRACE (1978), apresentou-se

que 145 tubulaes submarinas eram de ferro fundido, e representavam a alternativa de material de construo mais utilizada na poca, sendo, este tipo de material, responsvel por aproximadamente 45% do total. Observa-se em relao ao levantamento realizado por IfH (2002), que hoje em dia, este tipo de material representa cerca de apenas 6,8%. Este valor ligeiramente maior para os pases latino-americanos, com uma mdia de 10,8% (SALAS, 2000). O tubo de ferro fundido cinzento uma liga de ferro com uma elevada proporo de carbono na forma de

grafite.

Os tubos de ferro fundido so uma alternativa de baixo custo em relao ao ao carbono revestido, se utilizado em tubulaes com dimetro de at 0,3m.

Embora seja resistente ao ataque de determinados efluentes, alguns lquidos e a prpria gua, por muitas vezes podem causar incrustaes no interior da tubulao. Por este motivo, so revestidos interiormente com uma camada de cimento. Tal

camada aumenta tambm a capacidade de escoamento da tubulao.

Uma variao do tubo de ferro fundido o ferro fundido dctil, desenvolvido na poca da Segunda Guerra Mundial. Suas vantagens so: uma superior resistncia

comparada a das tubulaes de ao; maior resistncia corroso que a tubulao de ferro fundido tradicional; boa flexibilidade; e excelente resistncia a impactos.

O tubo de ferro fundido dctil, com revestimento interno de polietileno, propicia um acabamento interno da tubulao mais liso fornecendo uma capacidade excelente de escoamento do fluxo. Tambm tem a vantagem a utilizao deste tipo de material devido, a estabilidade qumica do polietileno ao ataque pelo sulfeto de hidrognio e

outros componentes presentes no esgoto.

Os tubos de ferro fundido so fabricados em vrios dimetros, at 1.372mm, e

usualmente, em tramos de tubos com comprimento de 6,1m. A conexo rgida, do tipo ponta e bolsa (onde a ponta de um tubo conectada como um plug na extremidade do outro tubo em forma de boca de sino) uma grande desvantagem para os tubos de ferro fundido, existindo vrios casos em que durante o processo de instalao, foras

externas acarretaram o rompimento desta conexo. prefervel a utilizao de juntas ball-and-socket, consistindo em um final do

tramo de tubulao com articulao esfrica e outro tramo com final fmea para encaixe (figura 2.3); este tipo de junta permite uma deflexo mxima de 15 permitindo uma maior flexibilidade durante o assentamento no leito de fundo do corpo

dgua (DIPRA, 2001). Outro tipo de junta, ball-and-socket, a aparafusada, uma verso que minimiza a

tenso de cisalhamento entre as extremidades das juntas, porm, diminui o ngulo de liberdade de deflexo.

Figura 2.3: Conexo de tubulao de ferro fundido atravs de juntas ball-and-socket.(DIPRA, 2001).

PRFV Plstico Reforado com Fibra de Vidro

Sua tcnica de instalao mais tradicional pela tcnica pipe-by-pipe (ou por uma tcnica alternativa, chamada off-bottom tow, que uma variante do mtodo pipe-by-pipe para instalao de emissrios deste tipo de material) realizada com a ajuda de dispositivos mecnicos e hidrulicos que permitem realizar um suave puxamento para evitar danos a conexo das juntas ponta e bolsa ou anis de vedao. Os mtodos de conexo mais utilizados so: a fuso por calor atravs da solda de tramos de tubulao impregnados em sua extremidade por uma resina catalisadora; e, a juno por flanges e gaxetas.

As principais vantagens so:

Economicamente vivel para tubos com grandes dimetros, em dimenses disponveis com dimetro superior a 2,44 m e at 4,3m, e comprimento de

18m; So durveis, relativamente rgidos e mais leve que o ao (chegando a pesar de

4 a 5 vezes menos que o ao carbono); Apresenta boas caractersticas de escoamento;

So resistentes corroso; porm existem casos de emissrios submarinos de indstrias de papel e celulose, que sofreram abraso no leito de fundo do corpo

dgua, devido a deficincia no entrincheiramento (ou cobertura da tubulao) e imobilizao;

Material de fcil manuseio; Passvel de remendos nas falhas da tubulao ocorridas ao longo de sua vida

til.

As principais desvantagens so:

Apresenta fragilidade estrutural a impactos; No disponvel facilmente em qualquer regio, onde mais do que nunca, o

transporte pode representar valor relevante no custo total do projeto; Pouca experincia dos engenheiros e projetistas com este tipo de material em

sistemas de emissrios submarinos.

PVC - Cloreto de Polivinila Os tubos geralmente so fabricados em pequenos dimetros (610mm), resultam em

economia de custo de material, devendo ser utilizados para sistemas com pequeno comprimento (tramos de 6m) e sob baixas presses de trabalho por apresentar baixa resistncia estrutural. Embora no sofra ataque de lquidos corrosivos, apresenta uma curiosa fora de atrao a vida marinha, em que moluscos podem perfurar a tubulao

comprometendo seriamente a utilizao do emissrio (GRACE, 1978).

2.1.3. HIDRULICA INTERNA DE DIFUSORES

Segundo WILKINSON&WAREHAM (1996), para uma dada vazo de efluente, em um sistema de emissrio submarino com tubulao difusora curta (poucos orifcios de sada) ocorrem fortes descargas atravs de cada bocal, necessitando-se de uma maior coluna dgua para obter um adequado nvel de diluio do efluente. Portanto, uma seo difusora mais curta requer, conseqentemente, um alongamento da tubulao do emissrio submarino, para atingir maiores profundidades no local de lanamento, acarretando, tambm, em maiores

custos de construo e instalao. Por outro lado, para uma mesma vazo de efluente, o aumento do comprimento da seo difusora, ou seja, o aumento do nmero de orifcios de sada, permite que os difusores possam ficar mais prximos da linha da costa (ou margem), de modo que o comprimento da tubulao do emissrio seja reduzido, assim como o seu custo.

Porm, a aproximao da seo difusora em direo a margem pode ter um limite, e no necessariamente sempre buscarmos um projeto de emissrio mais curto. Conforme a seo

difusora se aproxima da margem, chegar um momento em que o comprimento da tubulao ser de tal modo, to curto (podendo at mesmo ser menor que a seo difusora), que no conseguir alcanar um nvel adequado de diluio, e conseqentemente, no alcanar os

valores de concentrao dos parmetros de controle ambiental exigidos pela legislao. Um projeto ideal de difusores deve ser calculado para que a vazo efluente seja

distribuda uniformemente atravs de todos os orifcios do sistema difusor. Tais clculos no so triviais, devido:

o fluxo na tubulao varia em intervalos de tempo, o que pode fazer com que o sistema opere em alta presso, causando grandes perdas de carga, sendo recomendvel a

preveno desta situao; o acrscimo da coluna dgua ao longo do comprimento da seo dos difusores, ocasiona

queda na presso dinmica de descarga nos orifcios mais afastados, ocasionando a diminuio gradativa da presso ao longo da tubulao (GRACE, 1978; WRc, 1990).

Considerando uma configurao simples de sistema difusor, onde todos os orifcios esto espaados igualmente e possuem o mesmo dimetro de bocal de sada, esta ir

apresentar uma descarga mxima atravs do orifcio mais prximo a margem, e que se

reduzir gradualmente nos subseqentes orifcios. Obviamente esta no uma configurao ideal, pois, a seo difusora instalada na parte mais rasa estar descarregando um volume

maior que aquela instalada em maior profundidade (WILKINSON&WAREHAM, 1996).

Alm, da condio ideal de diluio uniforme para todos os orifcios como fator de

projeto, os clculos devem considerar outros requisitos bsicos: Determinar uma regio de contorno para o balano de energia;

Devem ocorrer velocidades adequadas do fluido na tubulao para impedir (ou prevenir ao mximo) o depsito dos slidos carregados com o fluxo desde a seo terrestre. Esta uma tarefa difcil de se conseguir quando se tm baixas vazes. As velocidades mnimas, na faixa entre 0.6 a 0.9 m/s (GRACE, 1978) e 0,7m/s (WILKINSON&WAREHAM, 1996), devem ser obtidas, para as vazes de pico, a fim de ocorrer o carreamento de todo o material depositado durante os perodos de baixa vazo. A velocidade de carreamento

(limpeza) funo do nvel do tratamento do efluente na estao terrestre, o qual ir determinar o tamanho das partculas slidas. Para sistemas difusores com tubulaes verticais risers, e que operam sob o sistema plug-flow (ciclos de bombeamento) a velocidade de carreamento ser ditada pela necessidade de expurgar a cunha salina que

adentra na tubulao principal, onde, pode-se acumular um volume de efluente aproximadamente igual a metade do volume da tubulao do emissrio. Neste caso, o

efluente deve ser bombeado com uma velocidade da ordem de 1,5m/s (WOOD et al, 1993). importante ressaltar que, o final da seo difusora deve ser fechado por uma flange cega, caso contrrio, no haver presso suficiente na tubulao para o efluente ser

descarregado pelos orifcios. A flange deve ser removvel para permitir o escoamento do fluxo de limpeza da linha de tubulao (FISCHER et al, 1979).

A perda de carga total deve ser mantida to baixa quanto possvel, para, minimizar o nvel da carga manomtrica a montante da linha da tubulao, e diminuir a quantidade de energia necessria para o bombeamento. Isto pode ser obtido atravs da utilizao de tubos de material com menor rugosidade, como o caso das tubulaes de material

plstico. Todos os orifcios devem estar inteiramente preenchidos pelo efluente; isto , no devem

permitir a intruso da cunha salina durante a operao. A bibliografia sugere que os orifcios operem com o nmero de Froude densimtrico Frd >1 (BROOKS, 1970; DAVIES, 2003; DUER&SALAS, 1995; WILKINSON; 1997).

2.1.3.1. PARMETROS BSICOS DE PROJETO DE SISTEMAS DIFUSORES

Para se ter uma idia inicial da configurao do projeto de difusores, necessrio inicialmente, estimar alguns dados de entrada para realizar um primeiro esboo das anlises

hidrulicas, sendo este processo, uma seqncia de tentativas e erros, at a obteno do projeto final.

A seguir so apresentadas recomendaes de valores para os parmetros de projeto: Espaamento entre risers / orifcios: o espaamento recomendado entre orifcios

adjacentes deve ser 25% a profundidade do corpo dgua receptor, minimizando-se assim a interferncia entre as plumas (WILKINSON&WAREHAM, 1996). Caso o dimetro dos orifcios seja constante, com um aumento da profundidade, ocorrer uma diminuio do fluxo de descarga para os orifcios mais distantes da margem.

Entretanto, orifcios igualmente espaados e com dimetros constantes, podem ser aplicados desde que os efeitos da interao da pluma sejam evitados, compensados pelo aumento da profundidade ao longo do difusor.

Dimetro do orifcio: existe uma limitao de projeto devido ao risco de entupimento, restringindo-se em 50mm o dimetro do orifcio, para efluentes aps um tratamento a nvel tercirio (WILKINSON&WAREHAM, 1996). Na prtica, esta escolha deve estar relacionada com o nvel de tratamento que o efluente recebe na estao de tratamento de efluente terrestre; porm, se o efluente recebe somente um tratamento preliminar (gradeamento, peneira e caixa de areia) recomendvel que o dimetro mnimo esteja na faixa entre 70mm e 100mm (WILKINSON&WAREHAM, 1996; WOOD et all, 1993). Para GRACE (1978), a rea total do bocal dos orifcios a jusante de uma seo da tubulao no deve exceder de 0,5 a 0,7 da rea dessa seo.

Nmero de orifcios: o nmero de orifcios necessrios varia de acordo com a necessidade de atender a diluio inicial no corpo dgua no campo prximo near

field. (BLENINGER et al, 2002). Dimetro da tubulao da seo difusora: um dos principais fatores de

elevao do custo do projeto, pois quanto maior o dimetro, mais caro ser o emissrio. Existe, tambm, uma limitao de dimetro mximo, relacionada velocidade de deposio das partculas, e uma limitao de um dimetro mnimo,

relacionada s perdas de carga totais (distribuda, e localizada) e carga manomtrica. A princpio, o dimetro da tubulao pode ser determinado em funo da velocidade de carreamento das partculas. A tubulao do difusor pode ser convenientemente

afunilada (o dimetro da seo difusora diminudo gradativamente ao longo da tubulao, em trechos de sees com um conjunto de risers) para se obter velocidades mais altas de escoamento no interior da tubulao, com o intuito de reduzir a presso de trabalho e equalizar a distribuio do fluxo pelos orifcios. As perdas locais devido

as contraes ao longo da tubulao, tambm devem ser consideradas.

Comprimento da tubulao da seo difusora: simplesmente o resultado das anlises hidrulicas, sendo definido pela somatria do comprimento dos dimetros dos orifcios, e o espaamento entre estes.

Comprimento total da tubulao do emissrio submarino: o comprimento, e conseqentemente o custo de um emissrio submarino, so determinados pelos

requisitos de diluio inicial. O local exato de posicionamento do sistema difusor deve ser estudado cuidadosamente para se obter as melhores condies hidrodinmicas de diluio.

Alguns autores apresentam diferentes procedimentos de clculo para a hidrulica interna de difusores. Ser apresentado, a seguir, uma linha clssica de clculo hidrulico de sistemas

difusores.

2.1.3.2. ANLISE HIDRULICA DETALHADA

O procedimento de clculo hidrulico desenvolvido por WOOD et al (1993) ser apresentado a seguir:

A vazo atravs de um orifcio nico dada por:

( ) 2/1or 2A gHCQ d= ; (1) onde: Cd = coeficiente de descarga; Aor = rea do orifcio; g = acelerao gravitacional;

H = carga total na tubulao.

A carga mdia total H na seo da tubulao calculada da seguinte maneira:

s

e

a

e

Zpg

VH

+=

22

; (2)

onde: V = velocidade de descarga na tubulao;

p = presso na tubulao;

a e e = pesos especficos do lquido ambiente e do efluente, respectivamente;

s

e

a Z

= presso diferencial no orifcio de sada do efluente devido a diferena de

densidade entre a gua do corpo dgua e o efluente. Por convenincia, se

a Z

ser escrito

como: ( ) sd Z+1 .

Experimentos mostram que a equao emprica do coeficiente de descarga para orifcios

cavados na prpria tubulao em formato de boca de sino preenchidos completamente pelo efluente, dada por:

8/32

21975,0

=

gHVCd (3)

Segundo GRACE (1978), esta equao vlida somente para orifcios com taxa de contrao em relao ao dimetro do tubo principal igual ou maior que 4:1 , e somente para Dor < 0,1 Di

Para orifcios com o bocal de sada no arredondado (isto , orifcios com o bocal de sada afunilado), o coeficiente de descarga dado pela seguinte equao:

=

gHVCd 2

58,063,02

(4)

Para tubulaes verticais risers, o coeficiente de descarga Cd funo da geometria, onde sempre deve-se ter em mente a minimizao das perdas de carga locais. Para este caso, a

perda de carga est localizada no ponto de convergncia entre a tubulao principal do emissrio com o riser, devendo-se otimizar o projeto de tal forma que este ponto de entrada do efluente, da tubulao principal para o riser, seja liso e realizado de maneira suave, evitando-se quinas, enquanto que o dimetro do riser, em geral, deve ser maior que o

dimetro do orifcio. O coeficiente de descarga Cd, obtido a partir de um modelo fsico com o dimetro do

riser constante ao longo de toda a tubulao e trabalhando com um nmero de Reynolds elevado, dado por:

=

gHVCd 2

5,0188,02

(5)

Para se obter uma diluio inicial maior, recomenda-se diminuir o dimetro do orifcio de sada em relao ao dimetro do riser, assumindo uma taxa de contrao de 0,95. A equao para o coeficiente de descarga Cd, dado por:

2/14

2

65,013,1

25,01

+

=

r

or

d

DD

gHV

C ; (6)

sendo:

Dr = dimetro do riser.

Para um sistema difusor multiorifcios, a vazo atravs de cada orifcio varia em funo da carga mdia total na entrada da tubulao do sistema difusor. A carga total de energia, H aumenta no sistema difusor quanto mais distante o orifcio (ou riser-orifcio) estiver da margem, devido a perda de carga distribuda, e, se o difusor estiver localizado em terreno com

declive (devido ao aumento da profundidade do corpo dgua), ento a equao ser dada por:

( )snsdni

iin zzhHH ++=

=

11

1 ; (7)

onde: zs1 e zsn = profundidades, da superfcie at a linha de centro do primeiro e do nsimo

orifcio, respectivamente;

hi = perda de carga distribuda entre o isimo e o (i-1)simo orifcio [onde i o orifcio, ou riser-orifcio, localizado na seo mais distante da margem, e o (i-1)simo o orifcio anterior],

sendo dada por: 22 ii

VgDifsh

= ; onde: Vi a velocidade entre o isimo e o (i-1)simo

orifcio, Di o dimetro interno da tubulao, s o espaamento entre o orifcio, H1 a carga

total na tubulao na seo mais distante da margem; e f o fator de atrito de Darcy-Weisbach.

Desde que o fluxo de vazo no 1 orifcio ser levemente maior que o do orifcio mais

distante da margem, ento, pode-se adotar um valor, Q1 = 0,95 Q , levemente inferior do que o valor de projeto.

Partindo do princpio, que o dimetro e vazo de descarga, so conhecidos, ou pelo menos, j pr-determinados, ento, o valor de H1 (carga no ponto 1 orifcio mais afastado da margem), pode ser computados da seguinte maneira:

H1 = gAC

Qord

2

2

1

; (8)

Utilizando a frmula apropriada para o coeficiente de descarga - Cd; a velocidade atravs do difusor 1, dada por:

V1 =

2

14

orDQ

pi; (9)

A perda de carga distribuda, entre o orifcio 1 (mais afastado) e 2, dada por:

h1= f

gV

Ds

i 2

21

. (10)

O fator de atrito funo, da rugosidade relativa (kr = ks / D) e do n de Reynolds [Re =

v

VDi ; onde, v a viscosidade cinemtica do efluente], e pode ser calculado utilizando-se o

Diagrama de Moody. O valor de rugosidade da tubulao varia em relao do tipo de material da camada interna do tubo.

As equaes empricas descritas, devem ser programadas e utilizadas com o apoio de

um computador, permitindo a investigao de numerosas alternativas de projeto. Dessa maneira, as cargas para o segundo orifcio e os subsequentes, podem ser calculadas, conforme a seguir:

( )snsdni

iin zzhHH ++=

=

11

1 ; (11)

e,

Q2 = Cd a2 ( ) 2/122gH ; (12)

onde, a relao 2/1

2

21

2

gHV

, utilizada na equao do coeficiente de descarga correspondente,

para clculo no segundo orifcio.

A partir deste ponto, o procedimento repetido, passo a passo, para todos os orifcios, ordenadamente, do mais afastado ao mais prximo da margem.

No item 5.1. est apresentado o clculo da hidrulica interna de difusores dos emissrios submarinos do TEBAR, conforme o procedimento de clculo citado acima.

2.1.3.3. HIDRULICA DOS DIFUSORES COM VLVULAS DE ORIFCIO VARIVEL (VLVULAS DUCKBILL)

Caractersticas hidrulicas

As vlvulas de orifcio com abertura varivel, tambm chamadas de vlvulas duckbill ou bico de pato, previnem a intruso da cunha salina (em esturios e reas costeiras), de sedimentos e de organismos marinhos no interior da tubulao de emissrios submarinos,

resultando em considervel economia nos custos de operao e manuteno. Durante baixas vazes a cunha salina ir adentrar vagarosamente na tubulao atravs

dos orifcios ou risers, onde continuamente, em direo a montante (a margem) ir ocupar sensvel rea no interior do tubo, causando o fenmeno flooding (WILKINSON, 1997) e acarretando a diminuio da eficincia dos difusores, alm da reduo de sua capacidade hidrulica. Isto ocorre porque a gua salgada em mdia 2,5% mais pesada que do efluente, estabelecendo-se, neste caso, o decaimento do nmero de Froude densimtrico.

A intruso de slidos pode tambm ocorrer devido ao transporte de sedimentos

marinhos carreados em suspenso pelo ambiente aqutico e que se depositam ao longo do comprimento da tubulao, ocorrendo a formao de dunas de material slido cobrindo a abertura do orifcio. Outro problema ocorre em regies de guas rasas e estuarinas, onde o

movimento das ondas e correntes martimas pode causar a eroso e a liquefao do material de fundo existente nas vizinhanas do emissrio propiciando condies de revolvimento e

acelerando o processo de entupimento da tubulao (DUER&SALAS, 1995). A figura abaixo apresenta em um primeiro momento os impactos que podem ser

causados devido aos efeitos citados acima. Quando, o sistema difusor possuir orifcios feitos na prpria tubulao ou anexados a risers, possvel visualizar o entupimento parcial no

interior da tubulao, causando um aumento expressivo da perda de carga e conseqentemente a diminuio da eficincia do sistema difusor. Na seqncia da figura,

observa-se a vlvula duckbill (REDVALVE COMPANY Brochure, 1998) instalada, podendo ser anexada por braadeiras, flanges ou risers, neste caso, apresenta-se a vlvula fixada por flanges (ver captulo posterior).

Figura 2.4: Comparativo do processo de intruso de cunha salina e sedimentos para o interior da tubulao entre orifcios simples e a