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ESGOTO SANITÁRIO COLETA TRANSPORTE TRATAMENTO E REÚSO REÚSO AGRÍCOL AGRÍCOLA A
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ESGOTO SANITÁRIO COLETA TRANSPORTE TRATAMENTO E REÚSO REÚSO AGRÍCOL AGRÍCOLA A
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ESGOTO SANITÁRIO COLETA TRANSPORTE TRATAMENTO E REÚSO AGRÍCOLA
2.ª edição revista, atualizada e ampliada
Coordenação: Coautores:
ARIOVALDO NUVOLARI ALEXANDRE MARTINELLI ARIOVALDO NUVOLARI DIRCEU D’ALKMIN TELLES JOSÉ TARCÍSIO RIBEIRO NELSON JUNZO MIYASHITA ROBERTA BAPTISTA RODRIGUES
ROBERTO DE ARAUJO
FATEC - SP CEETEPS
Esgoto Sanitário – coleta, transporte,
tratamento e reúso agrícola © 2011 Alexandre Martinelli Ariovaldo Nuvolari Dirceu D’Alkmin Telles José Tarcísio Ribeiro Nelson Junzo Miyashita Roberta Baptista Rodrigues Roberto de Araujo 1ª reimpressão – 2012 Editora Edgard Blücher Ltda.
FICHA CATALOGRÁFICA Rua Pedroso Alvarenga, 1245, 4º andar 04531-012 – São Paulo – SP – Brasil Tel 55 11 3078-5366
Esgoto sanitário: coleta, transporte, tratamento e reúso agrícola / coordenação Ariovaldo Nuvolari – 2ª ed. rev. atualizada e ampl. – São Paulo: Blucher, 2011.
[email protected] www.blucher.com.br
Segundo Novo Acordo Ortográfico, conforme 5. ed. do Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa , Academia Brasileira de Letras, março de 2009.
Vários autores Bibliografia. ISBN 978-85-212-0568-5 1. Engenharia sanitária 2. Esgotos sanitários I. Nuvolari, Ariovaldo.
É proibida a reprodução total ou parcial por quaisquer meios, sem autorização escrita da Editora. Todos os direitos reservados pela Editora Edgard Blücher Ltda.
10.11549
CDD-628.3 Índices para catálogo sistemático:
1. Esgotos sanitários: Engenharia sanitária 628.3
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AUTORES ALEXANDRE MARTINELLI
Biólogo (UNESP), Mestre em Biologia Celular e Molecular (UNESP), exprofessor da graduação e professor da pós-graduação (FATEC-SP), exfuncionário do DAIA-SMA-SP. Atualmente atua em consultoria ambiental. E-mail:
[email protected] ARIOVALDO NUVOLARI
Tecnólogo (FATEC-SP), doutor em Saneamento (FEC-UNICAMP), professor da graduação e da pós-graduação (FATEC-SP), com atuação em engenharia civil em empresas mistas e privadas: THEMAG Engenharia Ltda., Paulo Abib Engenharia S/A., SEMASA e PETROBRAS. E-mail:
[email protected] DIRCEU D’ALKMIN TELLES
Engenheiro civil (POLI-USP), doutor em Engenharia Hidráulica (POLIUSP), ex-professor da graduação e professor da pós-graduação (FATECSP), professor convidado da pós-graduação (POLI-USP). Foi presidente da ABID, Diretor da FATEC-SP, membro da ABNT, com maior vivência em Recursos Hídricos no DAEE-SP, tendo prestado consultoria para diversas empresas. E-mail:
[email protected] JOSÉ TARCÍSIO RIBEIRO (in memorian)
Tecnólogo (FATEC-SP), mestre em saneamento (FEC-UNICAMP), foi professor da graduação e da pós-graduação (FATEC-SP), com maior vivência em obras de saneamento na SABESP. NELSON JUNZO MIYASHITA
Engenheiro civil (POLI-USP) e de Segurança do Trabalho (MACKENZIE), ex-professor (FATEC-SP), com maior vivência em gerenciamento de pro jetos (THEMAG Engenharia). E-mail:
[email protected] ROBERTA BAPTISTA RODRIGUES
Tecnóloga (FATEC-SP), doutora em Recursos Hídricos (POLI-USP), diretora da empresa RB Recursos Hídricos. E-mail:
[email protected] ROBERTO DE ARAUJO (in memorian)
Engenheiro civil (Mackenzie), mestre em Saneamento (POLI-USP), especialista em Saúde Pública (FSP-USP), foi professor da graduação (FATEC-SP), membro da ABNT, com maior vivência em projetos na área de saneamento (SABESP).
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PREFÁCIO DA 2ª EDIÇÃO Decorridos 7 anos da publicação da 1ª edição deste livro, os seus autores verificaram a necessidade de atualização. Durante os trabalhos, infelizmente, também foram detectadas algumas incorreções, devidamente corrigidas nesta 2ª edição. Aproveitou-se a oportunidade para incluir os assuntos mais recentes, relacionados, principalmente, às novas técnicas de tratamento de esgoto surgidas nos últimos anos. As principais mudanças em relação à 1ª edição ocorreram nos seguintes capítulos: •
Proêmio: correções, atualizações e inclusões de dados mais recentes;
•
Capítulo 1: inclusão de uma tabela de conversão de unidades;
•
Capítulo 5: o item 5.1 foi totalmente reescrito;
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•
Capítulo 7: foram feitas correções, atualizações, principalmente relacionadas com a substituição da Resolução CONAMA 20/1986 pela Resolução CONAMA 357/2005; Capítulo 8: foi totalmente reescrito; Capítulo 9: foram feitas correções, atualizações e inclusão do item 9.10 – Outras técnicas de tratamento mais recentes;
•
Capítulo 11: correções e atualizações;
•
Referências bibliográficas: inclusões.
Os autores agradecem à Editora Blucher pela pronta acolhida da proposta desta 2ª edição, e a coordenação agradece o empenho dos autores na execução do trabalho. Prof. Dr. ARIOVALDO NUVOLARI Coordenador
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PREFÁCIO DA 1ª EDIÇÃO Este livro Esgoto sanitário : coleta, transpor te, tratamento e reúso agrícola é publicado em momento oportuno: o governo e a sociedade brasileira estão empenhados em melhorar a qualidade de vida dos cidadãos. Tal objetivo requer empenho e competência; daí a conveniência desta publi cação, que, entre outros assuntos, aborda a despoluição de rios, lagos, praias e bacias. Os técnicos que trabalham na área de esgoto estarão bem assessorados com esta obra. Seus autores, um grupo de profissionais de alto nível técnico e intelectual, envolvidos em atividades da área educacional, demonstram seu interesse e sua desenvoltura na abordagem de tema tão atual. São seus autores Dr. Dirceu D’Alkmin Telles, Mestre Roberto de Araujo, Dr. Ariovaldo Nuvolari, Mestre José Tarcísio Ribeiro, Mestre Roberta Baptista Rodrigues e Eng. Nelson Junzo Miyashita, professores do Departamento de Hidráulica da Faculdade de Tecnologia de São Paulo, que tive a honra de chefiar por muitos anos; foram meus alunos ou na Escola Politécnica da USP ou da FATEC-SP. Conheço-os suficientemente bem para poder afirmar que conciliam uma formação teórica profunda com uma vivência prática intensa. Tais elementos acentuam as qualidades desta obra, elaborada com tanto esmero. Há uma ausência, o Prof. Roberto de Araujo. Ele faleceu em 5 de maio de 2000. Esteja onde estiver, há de estar feliz com a realização de um sonho. O autor deste prefácio está gratificado ao compartilhar da publicação deste excelente livro, que, sem dúvida, auxiliará na resolução de problemas do meio ambiente, sobretudo na área de saneamento, elaborado por seus discípulos e companheiros nesta árdua tarefa da construção de um mundo melhor. KOKEI UEHARA Professor Emérito da EPUS P Professor Emérito da FATEC-SP
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APRESENTAÇÃO A FATEC-SP, Faculdade de Tecnologia de São Paulo, uma das unidades de ensino superior do CEETEPS, Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza, vem há mais de trinta anos formando profissionais competentes por meio de seus cursos concebidos e desenvolvidos para atender os segmentos atuais e emergentes da atividade industrial e do setor de serviços, tendo em vista a constante evolução tecnológica. Seu ensino é compromissado com o sistema produtivo, seus currículos são flexíveis, compostos por disciplinas básicas, humanísticas, de apoio tecnológico e de formação específica em cada área de atuação do tecnólogo, graduado, em seus dez cursos. A aprendizagem se faz por meio de projetos práticos, estudos de casos e em laboratórios específicos que reproduzem as condições do ambiente profissional, fornecendo condições ao futuro tecnológo de participar, de forma inovadora, dos trabalhos de sua área. Esta proposta exige um corpo docente formado por especialistas em suas áreas de conhecimento e por professores integralmente dedicados ao desen volvimento do ensino e da investigação científica. Grande parte dos docentes da nossa instituição alia à experiência prática da aplicação da tecnologia a vivência acadêmica e a pesquisa. Um grupo de especialistas em recursos hídricos e em saneamento ambiental, professores de nossos cursos de graduação e de pós-graduação, com prática profissional em atividades públicas e privadas, reuniu seus conhecimentos e experiências para produzir este livro. Ele foi concebi do e desenvolvido de forma global, com aberturas de espaços para a inclusão das vivências dos autores de cada um de seus capítulos. Assim sendo, espera atender à demanda de estudantes de graduação e de pós-graduação, de consultores, projetistas, construtores e operadores de obras e serviços de coleta, de transporte e de tratamento de esgotos sanitários, bem como de reúso agrícola. Sugestões e colaborações serão bem-vindas. Os autores e a FATEC-SP agradecem as colaborações do CEETEPS, Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza e da FAT, Fundação de Apoio à Tecnologia que tornaram possível a edição desta publicação. Prof. Dr. Dirceu D’Alkmin Telles Diretor da FATEC-SP
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CONTEÚDO 0 1
Proêmio — Um pouco de história . ........................................................17 As grandezas e suas unidades . ................................................................29 1.1 1.2 1.3 1.4
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O esgoto sanitário. ..................................................................................37 2.1 2.2 2.3 2.4
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Rede coletora .............................. .................................. .............. 65 Interceptor e emissário ............................... ............................... 79 Sifão invertido.................................. ................................... ........ 87 Estação elevatória de esgoto ............................. ......................... 94
A preparação para execução das obras . .................................. ............ 107 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
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Sistema Separador Absoluto ............................. ......................... 59 Finalidades do sistema ................................ ............................... 60 Estudo de concepção do sistema ................................. .............. 61 Partes do sistema......................................... ............................... 61
As unidades do sistema. ..........................................................................65 4.1 4.2 4.3 4.4
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Origem e destino................................................ ......................... 37 Contribuições indevidas para as redes de esgotos .................... 38 Características físicas do esgoto .................................. .............. 43 Escoamento livre ............................. ................................... ........ 47
O sistema de esgoto sanitário . ...............................................................59 3.1 3.2 3.3 3.4
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Sistema métrico decimal ............................. ............................... 29 Sistema internacional de unidades (SI) ............................. ........ 30 Grandezas e unidades do escoamento ............................... ........ 30 Prefixos SI ............................. .................................. .................... 30
AIA — Avaliação de Impacto Ambiental .................................. 107 Providências preliminares para execução da obra .................. 112 Instalação do canteiro de serviços ............................... ............ 118 Gestão da obra ................................. ................................... ...... 124 A contratação de obras e serviços................................ ............ 153
A construção das redes de esgoto sanitário . ................................. ...... 165 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13
Locação da vala ................................. .................................. ...... 165 Remoção do pavimento ............................... ............................. 166 Escavação convencional de vala (a céu aberto) ...................... 166 Escavações especiais .............................. .................................. 168 Escoramento das paredes laterais da vala ............................... 174 Drenagem e rebaixamento de lençol freático .......................... 178 Tipos de base de assentamento de tubulação ......................... 180 Regularização do fundo da vala e controle da declividade ...... 181 Tipos de materiais e respectivas juntas para esgoto sanitário 182 Execução de serviços complementares ............................. ...... 185 Reaterro e compactação da vala .................................. ............ 186 Repavimentação............................................................ ............ 187 Limpeza final ............................... .................................. ............ 187
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O lançamento 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 7.16
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seus impactos . .............................. ............. 189
Composição química e biológica do esgoto sanitário .............. 189 Microrganismos e sua importância ambiental.......................... 192 Oxigênio dissolvido na água e sua importância ambiental ...... 197 Demanda Bioquímica de Oxigênio – DBO................................ 199 Demanda Química de Oxigênio – DQO ............................. ....... 201 Resíduos sólidos nas águas e sua importância ambiental........ 202 O nitrogênio e sua importância ambiental .............................. . 203 O fósforo e sua importância ambiental ............................. ....... 207 O enxofre e sua importância ambiental .................................. . 207 O gás natural e sua importância ambiental .............................. 208 A alcalinidade das águas e sua importância ambiental............ 209 Óleos e graxas e sua importância ambiental ............................ 210 Cloretos e sua importância ambiental ............................... ....... 210 Os metais e sua importância ambiental .................................. . 210 Os fenóis e sua importância ambiental ............................. ....... 213 Leis, regulamentações e normas ................................. ............. 214
Comportamento dos poluentes orgânicos em corpos d’água superficiais e sistema ALOCSERVER . ................................. .................. 225 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5
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in natura e
Degradação aeróbia em rios e córregos .................................. . 225 O modelo QUAL2E ................................ .................................. . 234 Modelo de balanço de vazão de diminuição – RM1.................. 235 Modelo de balanço de cargas – RM2 ................................. ....... 237 AlocServer – Sistema de planejamento e gestão de recursos hídricos e bacias hidrográficas ................................. . 240
As diversas opções de tratamento do esgoto sanitário . ...................... 255 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11
Como e quando se deve tratar o esgoto sanitário.................... 255 O que se pode fazer nos casos mais simples ............................ 256 O sistema de lodos ativados ............................. ........................ 264 Tratamento e disposição final da fase sólida (lodos primários e secundários) .................................. ........................ 335 Lagoas aeradas................................ ................................... ....... 377 Lagoas de estabilização .............................. .............................. 381 Filtros biológicos .................................. .................................. .. 398 Tratamento de esgoto por escoamento superficial no solo — método da rampa .................................. .................. 400 Reator anaeróbio de fluxo ascendente (UASB, RAFA, DAFA)................................... .................................. ....... 401 Outras técnicas de tratamento mais recentes ......................... 403 Tabelas-resumo de áreas de ocupação.............................. ....... 427
10 Desinfecção de efluentes das ETEs ............................... ........................ 431 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9
Introdução................................................... .............................. 431 Necessidade de desinfecção das águas residuárias ................. 432 Desinfecção com cloro...................................... ........................ 437 Desinfecção com ozônio ............................. .............................. 449 Desinfecção com dióxido de cloro (ClO2) ............................... . 467 Permanganato de potássio ............................... ........................ 479 Cloraminas ................................. .................................. ............. 484 Ozônio/peróxido de hidrogênio (peroxona) ............................ 492 Radiação ultravioleta .................................. .............................. 497
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11 Aspectos da utililização de corpos d’água que recebem esgoto sanitário na irrigação de culturas agrícolas . ............................ 507 11.1 11.2 11.3 11.4
Introdução.................................................... ............................. 507 Agricultura irrigada: métodos e características ....................... 512 A qualidade da água e a agricultura ............................. ............ 518 Utilização na agricultura irrigada ................................. ............ 523
12 Controle de odores em sistemas de esgoto sanitário . ......................... 529 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10
Introdução.................................................... ............................. 529 Causa dos odores .............................. .................................. ...... 530 Efeito dos odores .............................. .................................. ...... 530 Diretrizes para avaliação dos odores........................................ 530 Classificação dos odores .............................. ............................. 531 Concentração e caracterização dos odores.............................. 532 Medição dos odores ................................ .................................. 534 Controle dos odores................................................ .................. 535 Tratamento de gases odoríferos .............................. ................. 537 Oxidação química de compostos odoríferos ............................ 539
Referências bibliográficas .................................. .................................. . 549
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Um pouco de história
Proêmio
UM POUCO DE HISTÓRIA Ariovaldo Nuvolari
Já nos tempos mais remotos, desde que os homens começaram a se assentar em cidades, a coleta das águas servidas, que hoje chamamos de esgoto sanitário, passava a ser uma preocupação daquelas civilizações. Em 3750 a.C., eram construídas galerias de esgotos em Nipur (Índia) e na Babilônia. Em 3100 a.C. já se tem notícia do emprego de manilhas cerâmicas para essa finalidade (Azevedo Netto, 1984). Na Roma Imperial, eram feitas ligações diretas das casas até os canais. Porém, por se tratar de uma iniciativa individual de cada morador, nem todas as casas apresentavam essas benfeitorias (Metcalf e Eddy, 1977). Na Idade Média, não se tem notícia de grandes realizações, no que diz respeito ao saneamento e em especial aos esgotos. Esse aparente desleixo e o desconhecimento da microbiologia até meados do século XIX certamente foram as causas das grandes epidemias ocorridas na Europa, no período entre os séculos XIII e XIX, coincidindo com o caótico crescimento de algumas cidades (Sawyer e McCarty, 1978). A história registra, entre os anos de 1345 e 1349, uma terrível pandemia de peste bubônica na Europa, com 43 milhões de vítimas fatais, numa época em que a população mundial não chegava aos 400 mil hões. Sabe-se hoje que a peste bubônica é transmitida por pulgas infectadas por ratos, o que demonstra que a limpeza não era exatamente um atributo daquelas populações. Um outro exemplo é o crescimento populacional em algumas cidades inglesas no século XIX (Tab. PR-1) e as ocorrências trágicas de epidemias nesse período (Tab. PR-2).
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Um pouco de história TABELA PR-1 Crescimento populacional em cidades inglesas no século XIX
Cidades inglesas
População (1.000 hab.) ano de 1801 ano de 1841
Crescimento (%)
Manchester
35
353
909
Birminghan
23
181
687
Leeds
53
152
187
Sheffield
46
111
141
Fonte: Huberman (1976) TABELA PR-2 Algumas epidemias registradas na Europa do século XIX
Ano
Ocorrência
1826
Terrível pandemia de cólera em toda a Europa
1831
Epidemia de cólera na Inglaterra com 50.000 vítimas fatais
1848
Epidemia de cólera na Inglaterra com 25.000 vítimas fatais
Fonte: Metcalf e Eddy (1977)
TABELA PR-3 Evolução da população mundial
Países desenvolvidos (em bilhões)
desenvolvimento
8000 a.C.
-
-
0,005
1 d.C.
-
-
0,2
1650 d.C.
-
-
0,5
1850 d.C.
-
-
1,0
1930 d.C.
-
-
2,0
1950 d.C.
0,8
1,6
2,4
1960 d.C.
0,9
2,0
2,9
1970 d.C.
1,0
2,6
3,6
1980 d.C.
1,2
4,0
5,2
1990 d.C.
1,2
4,2
5,4
2000 d.C.
1,2
4,8
6,0
Ano
Países em (em bilhões)
Total (em bilhões)
Provisões futuras 2010 d.C.
1,3
5,9
7,2
2025 d.C.
1,4
7,0
8,4
Fontes: Adaptado de Reichardt (1985) e EMBRAPA (1996)
A correlação entre o crescimento populacional e o recrudescimento dos problemas com a saúde pública hoje fica fácil de perceber, quando se apresentam os números desse crescimento. Pela Tab. PR-3, pode-se perceber que população mundial demorou cerca de 10.000 anos para atingir a cifra de 1 bilhão de habitantes. Percebe-se ainda que o crescimento populacional acentua-se nos séculos XIX e XX, nos quais, em apenas 80 anos (1850-1930), a cifra de 1 bilhão foi duplicada. Hoje, estima-se um crescimento mundial em torno de 43 milhões de pessoas ao ano, o que determina um acréscimo de 1 bilhão de pessoas em apenas 23 anos. O fato considerado mais grave é que a maior percentagem de crescimento se dá nos países “em desenvolvimento”, justamente aqueles em que a infraestrutura urbana é geralmente deficiente e, portanto, mais sujeitos à degradação ambiental e a problemas de saúde pública (EMBRAPA, 1996). Em Londres (Inglaterra), somente a partir de 1815 os esgotos começaram a ser lançados em galerias de águas pluviais; em Hamburgo (Alemanha), a partir de 1842, e em Paris (França), a partir de 1880 (Metcalf e Eddy, 1977), originando o chamado sistema unitário. A Inglaterra certamente foi um dos países europeus mais castigados por epidemias. As causas dos surtos epidêmicos naquele país hoje parecem bem evidentes, podendo-se citar: •
tendo sido o berço da Revolução Industrial, a Ingla-
terra sofreu intensa migração populacional do campo em direção às cidades; •
as cidades ainda não contavam com a necessária
infraestrutura urbana para atender a esse novo contingente populacional; •
nos rios ingleses, de curta extensão, contavam-se
diversas cidades ao longo de seus cursos, não apresentando, portanto, condições naturais propícias à autodepuração; •
não somente os ingleses mas o mundo desconheciam
a microbiologia e a relação entre certas doenças e a qualidade das águas. Certamente, também pelos motivos apontados, a Inglaterra foi o primeiro país a iniciar pesquisas e adotar as necessárias medidas saneadoras (Tab. PR-4). Concomitantemente, em 1872 na França, Jean Louis Mouras descobre as vantagens de se acumular o lodo dos esgotos em um tanque, antes de lançá-lo numa fossa absorvente; surge o tanque séptico (Andrade Neto, 1997). Com o grande crescimento das cidades em todo o mundo, ocorrido a partir do final do século XIX e início do século XX, outros países seguiram o exemplo inglês e começaram a se preocupar com o tratamento de seus
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Um pouco de história
a estiagem ocorrida naquele ano para alertar sobre o “perigo de infecção aos ribeirinhos entre São Paulo e Pirapora, numa extensão de 73 quilômetros, pelo leito do rio” (Pegoraro, s/d). Deve-se ressaltar que, nessa época, o Rio Tietê fazia parte do lazer do paulistano, sendo palco de competições de remo, com vários clubes situados nas suas margens.
TABELA PR-4 Pesquisas e medidas saneadoras na Inglaterra dos séculos XIX e XX Ano
Ocorrência
1822 Primeiro levantamento das condições sanitárias do Rio Tâmisa. 1848
Editadas as primeiras leis de saneamento e saúde pública.
O trecho estudado por Jesus Neto (Tab. PR-6) foi de Guarulhos (km 0 do estudo) até Itu (km 155). Pode-se verificar que, já naquela época, o Rio Tietê apresentava-se, nas épocas de estiagem, praticamente sem nenhum oxigênio dissolvido, desde a sua confluência com o Rio Pinheiros até a Represa de Santana do Parnaíba, numa extensão de aproximadamente 33 quilômetros. A partir da Represa de Santana do Parnaíba e após a confluência com o Rio Juqueri, os dados mostram uma franca recuperação dos níveis de O.D. até Itu. Pelos dados apresentados na Tab. PR-7, em 1933 a cidade de São Paulo estaria com cerca de 900 mil habitantes.
1854 John Snow prova cientificamente a relação entre certas doenças e a qualidade das águas. 1857
Criado o Conselho de Proteção das Águas do Rio Tâmisa.
1865
Primeiros experimentos sobre microbiologia de degradação de lodos.
1882
Início das investigações sobre os fundamentos biológicos que deram origem ao processo de lodos ativados para o tratamento de esgotos.
1914
Ardern e Lockett apresentam o processo de lodos ativados para tratamento de esgotos.
Nas décadas de 1950 a 1970, foi possível acompanhar o que ocorria na periferia das grandes cidades paulistas. Enquanto a densidade demográfica era baixa, com terrenos grandes (600 a 1.000 m2) e casas distantes umas das outras, não existiam redes públicas de abastecimento de água potável e nem de coleta de esgotos. Os moradores desses bairros abasteciam-se de água extraída de poços rasos e depositavam seus esgotos em
Fonte: Metcalf e Eddy (1977)
esgotos. Em 1887, por exemplo, foi construída a Estação Experimental Lawrence, em Massachusetts, nos EUA (Metcalf e Eddy, 1977). O sistema separador absoluto, caracterizado pela construção de canalizações exclusivas para os esgotos, foi concebido em 1879 e implantado pela primeira vez na cidade de Memphis no Tenessee, EUA (Azevedo Netto, 1973).
TABELA PR-5 Primeiras estações de tratamento de esgotos
Inglaterra Ano
E.T.E
Estados Unidos
Vazão (m3/dia)
Pode-se afirmar que, a partir dessas primeiras experiências, os países mais desenvolvidos, em especial a Inglaterra, a maioria dos outros países europeus, os EUA, o Canadá, a extinta União Soviética e mais recentemente o Japão, começaram a tratar os esgotos de suas cidades. Na Tab. PR-5 são listadas as primeiras ETEs construídas.
1914
Salford
303
1915
Davyhulme
378
1916
Worcester Sheffield
1917
Withington Stanford
Nas cidades brasileiras, salvo alguns casos isolados, somente a partir da década de 1970 começou a ocorrer um maior avanço na área do saneamento. No entanto, já em 1933, o engenheiro J. P. de Jesus Netto, funcionário da Repartição de Águas e Esgotos de São Paulo, apresentou um estudo no qual demonstrava a intensa degradação das águas do Rio Tietê, tendo utilizado
1920
Tunstall Sheffield
3.104 1.340
1921
Davyhulme Bury
2.509 1.363
E.T.E
Vazão (m3/dia)
7.570 3.028
San Marcos - Texas Milwaukee - Wiscosin Cleveland - Ohio
454 7.570 3.787
946 378
Houston North - Texas
20.817
Houston South - Texas
18.925
1922
Desplaines - Illinois Calumet - Indiana
20.817 5.677
1925
Milwaukee - Wiscosin Indianápolis - Indiana
170.325 189.250
1927
Chicago North - Illinois
662.375
1918
Fonte: Jordão e Pessoa (1995)
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Um pouco de história
TABELA PR-6 Dados sobre o Rio Tietê, entre Guarulhos e Itu — estiagem de 1933
% do teor de esgoto bruto
Curso aprox. (km)
Coliformes
germes (Agar 37º-24 h)
0,0
0,12
0,0016
7,3
Instituto Disciplinar
13,0
0,25
0,003
7,0
Ponte Grande
21,6
0,90
0,40
5,8
Casa Verde
26,0
8,20
0,8
3,5
Confl. Rio Pinheiros
43,0
10,00
0,87
0,2
Santana do Parnaíba
72,0
16,50
0,06
0,0
Pirapora
94,0
0,05
0,016
6,5
155,0
—
—
9,4
Local Guarulhos
Itu
O. D. (mg/L)
Observações
O teor de saturação de OD, para água limpa, na altitude média de 720 m e à temperatura de 20 °C é cerca de 8,4 mg/L.
Fonte: Adaptado do Boletim do Instituto de Engenharia n. 97 (1993) apud Pegoraro (s/d)
fossas negras, construídas dentro dos limites de seus próprios terrenos. Com o crescimento demográfico, os lotes diminuíram de tamanho (passando a ter 500, 250 e até 125 m2). Com a distância entre os poços e fossas bem menor, o esquema anterior tornou-se perigoso, em termos de saúde pública. Aumentava a probabilidade de contaminação das águas dos poços pelos esgotos depositados nas fossas. A opção dos órgãos públicos responsáveis foi a distribuição de água potável à população, de início quase sempre desacompanhada da coleta dos esgotos, estes ainda continuando a ser depositados nas fossas. Mesmo nos locais onde já havia rede de coleta de esgotos, na maioria das vezes, estas despejavam no corpo d’água mais próximo, sem nenhum tipo de t ratamento, o que decretou a degradação dos rios e córregos da Região Metropolitana de São Paulo, dificultando a coleta de água para abastecimento, nessa região de nascentes e, portanto, pequenas vazões fluviais. Na Tab. PR-7, é apresentado o crescimento populacional da cidade de São Paulo e de sua Região Metropolitana, que abrange mais 38 municípios vizi nhos. Pode-se perceber que, apesar do crescimento populacional ser considerado crítico nas décadas de 1960 e 1970, já no final do século XIX, São Paulo apresentara taxa de crescimento populacional bem superior. Na Tab. PR-8 são apresentados alguns dados publicados pela Cetesb referentes aos seus pontos de coleta e análise no Rio Tietê, abrangendo o trecho que vai da nascente até a Barragem de Barra Bonita. Para os postos antigos, as médias foram calculadas para o período de 1986 a 2005, e para os mais novos, a partir do ano de instalação (Paganini, 2008). Para fins comparativos, foram apresentados os dados de julho de 1992, ano em que ainda não haviam sido iniciadas as ob ras do projeto Tietê, bem como os valores medidos em julho de 2008 (obras em andamento). Por ser o mês de julho consi-
derado pouco chuvoso (ou de baixas vazões), teoricamente os valores deveriam apresentar-se mais críticos do que a média, o que nem sempre acontece, pois as variáveis são muitas (vazão, carga orgânica lançada etc). Pode-se observar que a partir da nascente até a captação do Semae, o rio Tietê apresenta condições aceitáveis de qualidade da água (baixos valores de DBO e de Coliformes, além de níveis razoáveis de OD). Ao adentrar a RMSP, a partir do posto situado a jusante da ETE de Suzano, as condições vão se tornando mais críticas, não atendendo aos padrões de qualidade para as respectivas classes. Os valores de DBO nesse trecho do rio podem ser considerados como sendo de um esgoto a céu aberto. O rio volta novamente a se recuperar a partir do posto TIBT02500, situado a 568 km da nascente. Ressalte-se ainda que, apesar de ter sido executado um recente aprofundamento da calha do rio, na RMSP, teoricamente aumentando as velocidades de escoamento, além de ampliada a capacidade de tratamento das ETEs situadas na RMSP (antes tratava-se cerca de 5,0 m3 /s e atualmente elas têm capacidade instalada de 18,0 m3 /s), não houve grandes avanços em relação à melhoria da qualidade das águas do rio Tietê, o que mostra que há ainda muito a ser feito para se conseguir tal objetivo. Hoje, apesar de várias cidades brasileiras já contarem com Estações de Tratamento de Esgoto, a grande maioria nem coleta e nem trata seus esgotos. Fatalmente terão que fazê-lo, sob pena de ficarem sem mananciais de água apropriada para abastecimento público, e amargarem sérios problemas de saúde pública. Na Tab. PR-9, apresenta-se um breve histórico do saneamento no Brasil, com maior ênfase para a Região Metropolitana de São Paulo. Quanto à Região Metropolitana de São Paulo, a SABESP propôs, em 1991, um plano (ver Tab. PR-10),
21
Um pouco de história TABELA PR-7 Crescimento populacional na cidade de São Paulo e Região Metropolitana
ANO 1886 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 1996 2008 2009
Cidade de São Paulo População Crescimento (mil habitantes) no período (%) 45 240 433,3 (em 14 anos) 314 30,8 579 84,4 888 53,4 1.326 49,3 2.199 65,8 3.709 40,7 5.886 58,6 8.475 44,0 9.611 13,4 9.809 2,1 (em 6 anos) 11.038 12,5 (em 13 anos)
Região Metropolitana de São Paulo População Crescimento (mil habitantes) no período (%) 1.568 2.663 69,7 4.739 80,0 8.140 71,8 12.589 54,7 16.500 31,0 (em 16 anos) 19.697 19,4 (em 12 anos) -
Fonte: Adas (1980) e IBGE (1996 e 2009), Fundação SEADE (2009)
para o denominado “Programa de Despoluição do Rio Tietê”, que iniciado em 1992, foi paralisado no final de 1994, por falta de recursos.
As previsões apresentadas na Tab. PR-10, não se confirmaram. Segundo dados divulgados pela SABESP (2007), a situação naquele ano ainda era a seguinte:
Esse programa previa a divisão da RMSP em duas grandes áreas (vide Fig. PR-1). Uma área central densamente urbanizada, que engloba as bacias vertentes aos Rios Tietê, Pinheiros e Tamanduateí, e algumas sub-bacias vertentes aos Reservatórios Guarapiranga e Billings, para a qual foram previstas 5 ETEs: Barueri, Suzano, ABC, Parque Novo Mundo e São Miguel Paulista, prevendo-se tratar, ao final do plano, 52,4 m3 /s. As áreas periféricas, de menor grau de urbanização seriam servidas por sistemas isolados (SABESP, 1993; Rev. Engenharia, 1998). O Programa de Despoluição do Rio Tietê foi retomado em 1995 e uma das suas maiores dificuldades de implantação não foi propriamente a construção das ETEs previstas, e, sim, das redes, dos coletores-troncos e dos interceptores para a coleta e transporte do esgoto até elas. O plano teve de ser reformulado em 1995, em função das citadas paralisações nas obras. Ao final de 1998, novamente, as obras do Programa de Despoluição do Rio Tietê foram paralisadas. É preocupante essa descontinuidade dos programas de saneamento, muito comum em nosso País, sempre à mercê de injunções político-econômicas. A principal consequência da descontinuidade é sempre a crescente defasagem entre o crescimento populacional das cidades e a necessária infraestrutura urbana para atendimento dessas populações, além do desperdício de dinheiro com a eventual perda de serviços realizados, problemas contratuais com empreiteiras, necessidade de novos planejamentos etc.
•
ETE Barueri: com capacidade instalada de 9,5 m3 /s,
•
ETE Suzano: com capacidade instalada de 1,5 m3 /s,
•
ETE São Miguel: com capacidade instalada de
•
ETE Parque Novo Mundo: com capacidade instalada
•
ETE ABC: com capacidade instalada de 3,0 m3 /s, com
em processo de ampliação para 12,5 m3 /s, com vazão média efetivamente tratada de 7,76 m3 /s (durante o ano de 2007) e produção de lodo de 220 ton/dia. com vazão média efetivamente tratada de 0,70 m3 /s (durante o ano de 2007) e produção de lodo de 40 ton/dia. 1,5 m3 /s, com vazão média efetivamente tratada de 0,65 m3 /s (durante o ano de 2007) e produção de lodo de 50 ton/dia. de 2,5 m3 /s, com vazão média efetivamente tratada de 2,14 m3 /s (durante o ano de 2007) e produção de lodo de 100 ton/dia.
vazão média efetivamente tratada de 1,55 m3 /s (durante o ano de 2007) e produção de lodo de 70 ton/dia.
Conforme se pode observar pelos dados apresentados, a capacidade instalada total, nas 5 ETEs, no ano de 2007 era de 18,0 m3 /s. No início de 2010, em termos de capacidade instalada, a situação ainda era a mesma. Já a vazão média total efetivamente tratada em 2007, segundo os dados acima apresentados, foi de 12,8 m3 /s, com uma
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Um pouco de história TABELA PR-9 Histórico do saneamento no Brasil
Ano
Ocorrência
1857
Implantada a primeira rede de esgotos do País, na cidade do Rio de Janeiro, num contrato firmado entre o Imperador D. Pedro II e a City (Cia. Inglesa).
1876
Projetada e construída por ingleses a primeira rede de esgotos na cidade de São Paulo.
1887
Constituída a Cia. Cantareira de Água e Esgotos de São Paulo.
1893
Criada a Repartição de Água e Esgotos de São Paulo (houve rescisão com a Cia. Cantareira).
1897
Inaugurada a cidade de Belo Horizonte (já projetada com redes de água e esgoto).
1898
Projeto de aproveitamento das águas do Rio Cotia, para abastecimento da cidade de São Paulo.
1898
Realizado exame bacteriológico das águas do Rio Tietê.
1903
Realizados estudos para aproveitamento das águas do Rio Claro, para abastecimento da cidade de São Paulo.
1905
Saturnino de Brito é contratado pelo governo do Estado de São Paulo para estudos sobre o sistema de drenagem e de esgotos da cidade de Santos, SP.
1907
Saturnino de Brito inicia as obras de saneamento em Santos, SP.
1911
Brado de alerta sobre a crescente poluição do Rio Tietê, a jusante de São Paulo, pelo fiscal de rios da capital, Sr. José J. Freitas.
1912
Introdução do sistema separador absoluto na cidade de São Paulo.
1913
Proposto o aproveitamento das águas do Rio Tietê, para abastecer São Paulo (Roberto Hottinger, Geraldo H. Paula Souza e Robert Mange).
1913
Primeiro estudo sobre a poluição do Rio Tietê a jusante de São Paulo – tese de Geraldo H. Paula Souza.
1923
Realizado o 1.º Congresso Brasileiro de Higiene.
1928
Proposto o plano da RAE para os esgotos da cidade de São Paulo. Já previa a construção da ETE de Vila Leopoldina, tendo sido construído o antigo emissário do Tietê (entre a Elevatória de Ponte Pequena e Vila Leopoldina).
1933
Realizado levantamento sanitário do Rio Tietê a jusante de São Paulo.
1936
Criada a Revista DAE. Hoje DAE/SABESP.
1938
Inaugurada a ETE Ipiranga – São Paulo, a 1.ª da cidade. Hoje funciona como ETE-escola para os funcionários da SABESP.
1940
Decreto 10.890, de 10/01/40, cria a Comissão de Investigação da Poluição das Águas em São Paulo (1.ª legislação específica no Brasil).
1945
Proposta a criação da OMS – Organização Mundial de Saúde, por iniciativa do brasileiro Geraldo H. Paula Souza.
1948
Fundada a AIDIS – Associação Interamericana de Engenharia Sanitária.
1953
Criado o Conselho Estadual de Controle de Poluição das Águas – Lei Estadual Paulista n. 2.182 de 23/07/53.
1954
Criado o Departamento de Água e Esgotos da cidade de São Paulo – DAE-SP.
1955
Plano Greeley-Hansen para os esgotos da RMSP.
1958
Estabelecidos os padrões de potabilidade das águas (ABNT).
1959
Início de operação da ETE Leopoldina – São Paulo (tratamento primário).
1963
Estabelecidos os padrões internacionais para água potável (da OMS).
1966
Fundação da ABES – Associação Brasileira de Engenharia Sanitária.
1967
Propostos os planos HIBRACE e Hazen-Sawyer para os esgotos da RMSP.
1968
Estabelecido o Plano Nacional de Saneamento, sendo criadas a COMASP – Companhia Metropolitana de Águas de São Paulo e a FESB, atual CETESB.
1970
Criada a SANESP – Cia Metropolitana de Saneamento de São Paulo.
24
Um pouco de história
1972
Início de operação da ETE Pinheiros, em São Paulo (tratamento em nível primário). Hoje desativada.
1973
Criadas as Companhias Estaduais de Saneamento. Em São Paulo, a SABESP. No Paraná, a SANEPAR… e assim por diante.
1973
Proposto o plano “Solução Integrada para os esgotos da RMSP”.
1974
Recuperação/ampliação da ETE Leopoldina, São Paulo (tratamento em nível primário). Hoje desativada.
1980
Proposto o plano SANEGRAN para os esgotos da RMSP.
1981
Inaugurada a ETE Suzano, São Paulo (tratamento secundário).
1986
Resolução CONAMA n. 001/86 – estabelece diretrizes para elaboração de EIA-RIMA no Brasil.
1988
Inaugurada a ETE Barueri, São Paulo (tratamento secundário).
1990
Revisados os padrões de potabilidade das águas de abastecimento – Portaria n. 36 do Ministério da Saúde.
1991
Lançado o Programa de Despoluição do Rio Tietê, SP, na RMSP, com previsão de implantação/ampliação de 5 ETEs: Suzano e Barueri (já estavam em operação); ABC, São Miguel e Parque Novo Mundo.
1992
Dos 583 municípios paulistas (até então existentes), apenas 302 eram conveniados com a SABESP. Os demais (281) possuiam serviços autônomos de água e esgoto.
1998
Inauguradas as Estações de Tratamento de Esgotos: ABC, São Miguel Paulista e Parque Novo Mundo, todas com tratamento em nível secundário e integrantes do Programa de Despoluição do Rio Tietê, na cidade de São Paulo.
2000
Revisados os padrões de potabilidade das águas de abastecimento – Portaria n.1469 do Ministério da Saúde, editada em 29 de dezembro de 2000.
2004
Novamente revisados os padrões de potabilidade das águas de abastecimento, através da Portaria n. 518/2004, do Ministério da Saúde, em substituição à Portaria 1469/2000.
2005
Editada a Resolução CONAMA 357/2005, que estabelece a classificação dos corpos d’água e as diretrizes ambientais para o seu enquadramento. Substituiu a Resolução CONAMA 20/1986.
2005
Aprovada a lei estadual paulista n.12.183/2005 que dispõe sobre a cobrança pela utilização dos recursos hídricos no Estado de São Paulo.
Fontes: Azevedo Neto (1973, 1984); Botafogo (1998) e dados coletados pelos autores
TABELA PR-10 Estimativa de vazões tratadas (em m3 /s) e de produção de lodo (em t/dia de sólidos secos), nas ETEs da R.M.S.P.
Previsões para os anos de ETE
1994
1997
2000
2005
vazões
lodo
vazões
lodo
vazões
lodo
vazões
lodo
Barueri
9,5
141
14,3
212
24,0
316
28,5
422
ABC
3,0
63
4,5
68
6,0
125
8,5
129
Pq. Novo Mundo
2,5
62
5,0
125
7,5
187
7,5
187
São Miguel
1,5
31
3,0
63
4,5
94
6,0
125
Suzano
1,5
22
1,5
22
1,5
22
1,9
28
18,0
319
28,3
490
43,5
744
52,4
891
Totais Fonte: SABESP (1993)
média total de lodo produzido de 480 t/dia. Assim, pode-se constatar que muito ainda tem de ser feito para atingir o objetivo de se tratar todo o esgoto produzido na RMSP (a vazão atualmente estimada está em cerca de 40 m3 /s). Já se pode perceber que esse trabalho é lento, e enquanto isso não se concretiza, face aos resultados das análises
apresentadas na Tab. PR-8, a melhoria da qualidade das águas do Rio Tietê, no trecho que este corta a RMSP, só seria possível com ações diretas no próprio rio. Talvez se pudesse estudar a instalação de aeradores por difusão, seguidos de sistemas de flotação em vários trechos do rio, visando à remoção do excesso de carga orgânica que ainda
25
Um pouco de história
Rodovia Anhanguera
Rodovia Bandeirantes
Guarulhos
Rodovia Pres. Dutra
Estação de tratamento Parque Novo Mundo
Rodovia Airton Sena
Rodovia Castelo Branco
Parque ecológico Tietê
Interceptores
Jandira
Itapevi
Estação de tratamento Suzano
R io T i et ê
Barueri
a i t o C i o R
Arujá
Estação de tratamento de Barueri
Taboão da Serra Cotia Embu
s o i r e h i n P i o R
Estação de tratamento São Miguel
Mogi das Cruzes Ferraz de Vasconcelos Represa Tabaçupeba
Rio Tamanduateí
Estação de tratamento ABC
Rodovia Mogi-Bertioga
Córrego Meninos
Diadema Rodovia Regis Bittencourt
Sto. André S.B. do Campo
Represa Guarapiranga
Rio Jundiaí
Rodovia Imigrantes
Mauá
Rodovia Anchieta
Represa Billings
Figura PR-1 Localização das Estações de Tratamento de Esgotos na Região Metropolitana de São Paulo. Fonte: Revista Engenharia, 1998.
é nele lançada. O lodo resultante poderia ser lançado nos interceptores que levam às ETEs existentes. Os inconvenientes citados tornam-se evidentes quando são analisados os dados apresentados nas Tabs. PR-11 e PR-12. Na Tab. PR-11, pode-se constatar, a partir de 1940, uma crescente tendência de concentração da população brasileira nas áreas urbanas. Para uma média mundial em torno de 40%, a média brasileira já era de 75,6% (dados do censo de 1991). No entanto, em alguns estados essas percentagens estão bastante acima da média: São Paulo (92,8%), Rio de Janeiro (95,2%) e o Distrito Federal (94,7%). Percebe-se também que todos os estados brasileiros apresentam população urbana maior do que a rural, com uma única exceção: o Estado do Maranhão, que apresenta apenas 40% da população vivendo em áreas urbanas. Conforme se viu anteriormente, o censo realizado pelo IBGE, em 1991 apontava que a população urbana no nosso País já era de 75,6%. Em termos mundiai s, segundo estimativas feitas por especialistas e divulgadas nos principais jornais do País, em maio de 2007, a população urbana mundial teria ultrapassado a população
rural. O censo realizado pelo IBGE no ano 2000 mostrou que a população urbana brasileira já era de 81,2 % do total e as projeções da ONU, para o Brasil de 2005, indicavam uma população urbana de 84,2 % do total, o que mostra que realmente no nosso País ainda há uma tendência de crescimento da população urbana em detrimento da rural. O problema da concentração da população nas áreas urbanas deve merecer um estudo de planejamento do governo federal, com incentivos a projetos agroindusTABELA PR-11 Distribuição total das populações urbana e rural no Brasil
Ano 1940 1950 1960 1970 1980 1991
População urbana (% do total) 31,6 36,8 46,5 56,1 68,4 75,6
Fonte: EMBRAPA (1996)
População rural (% do total) 68,4 63,2 53,5 43,9 31,6 24,4
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Um pouco de história TABELA PR-12 População urbana e rural nos estados brasileiros
Estado Acre
População urbana (n. de habitantes)
População rural (n. de habitantes)
População total (n. de habitantes)
População urbana (% do total)
258.520
159.198
417.718
61,9
Alagoas
1.482.033
1.032.067
2.514.100
57,0
Amapá
234.131
55.266
289.397
80,9
Amazonas
1.502.754
600.489
2.103.243
71,3
Bahia
7.016.770
4.851.221
11.867.991
59,1
Ceará
4.162.007
2.204.640
6.366.647
65,4
Distrito Federal
1.515.889
85.205
1.601.094
94,7
Espírito Santo
1.924.588
676.030
2.600.618
74,0
Goiás
3.247.676
771.227
4.018.903
80,8
Maranhão
1.972.421
2.957.832
4.930.253
40,0
Mato Grosso
1.485.110
542.121
2.027.231
73,3
Mato Grosso do Sul
1.414.447
365.926
1.780.373
79,4
11.786.893
3.956.259
15.743.152
74,9
Pará
2.596.388
2.353.672
4.950.060
52,4
Paraíba
2.052.066
1.149.048
3.201.114
64,1
Paraná
6.197.953
2.250.760
8.448.713
73,4
Pernambuco
5.051.654
2.076.201
7.127.855
70,9
Piauí
1.367.184
1.214.953
2.582.137
52,9
12.199.641
608.065
12.807.706
95,2
Rio Grande do Norte
1.669.267
746.300
2.415.567
69,1
Rio Grande do Sul
6.996.542
2.142.128
9.138.670
76,6
Rondônia
659.327
473.365
1.132.692
58,2
Roraima
140.818
76.765
217.583
64,7
3.208.537
1.333.457
4.541.994
70,6
29.314.861
2.274.064
31.588.925
92,8
1.002.877
488.999
1.491.876
58,9
530.636
389.227
919.863
57,7
110.990.990
35.834.485
146.825.475
75,6
Minas Gerais
Rio de Janeiro
Santa Catarina São Paulo Sergipe Tocantins Brasil total
Fonte: IBGE, Censo de 1991 (apud IBGE, 1992).
triais planejados e integrados, incentivando o aumento nos assentamentos agrários para reverter essa migração, visando fixar a população rural no campo e, com isso, minimizar os problemas sociais nas cidades. Esses
indivíduos vêm para as cidades sem nenhum preparo ou profissão e acabam tendo que viver em condições lamentáveis.
27
Um pouco de história
Foto PR-1 RMSP — Foto de satélite. Fonte: Revista Engenharia (1998).
Foto PR-2 Estação de tratamento de esgotos de Barueri. Cortesia da SABESP.
Foto PR-3 Estação de tratamento de esgotos do ABC. Cortesia da SABESP.
Foto PR-4 Estação de tratamento de esgotos de São Miguel Paulista. Cortesia da SABESP.
28
Um pouco de história
1
29
AS GRANDEZAS E SUAS UNIDADES Roberto de Araujo
1.1 Sistema Métrico Decimal Instituído na França desde 1795, o sistema métrico tornou-se obrigatório naquele país, a partir de 1840, e no Brasil desde junho de 1862. Em 1889, na 1.ª Conferência Geral de Pesos e Medidas, reunindo os países signatários da Con venção do Metro, adotaram-se as unidades do sistema métrico a serem usada s mundialmente na medida de grandezas físicas. O objetivo era estabelecer uma linguagem única, a mais universal, a mais completa e, ao mesmo tempo, a mais simples para a expressão quantitativa das diversas grandezas. Essas unidades pioneiras eram o metro, para comprimento; o grama, para massas (ou peso); e o segundo, para tempo. Os países de língua inglesa, liderados pela Inglaterra, opuseram-se a esse sistema, pois estavam interessados na universalização do sistema imperial britânico, cuja unidade de comprimento é a jarda, subdividida em 3 pés de 12 polegadas (1 jarda = 0,9144 m), e a unidade de peso é a libra (453,6 g). Inicialmente, o metro foi definido como a fração 1/40.000.000 do comprimento de um meridiano terrestre (0,025 × 10–6), e tal padrão foi materializado em uma barra de platina, com certa porcentagem de irídio, na qual dois traços determinavam essa distância. Posteriormente essa barra, da qual havia cópias nos diversos países, passou a definir a unidade, referindo-a à medida entre os traços na temperatura de 0°. O mesmo ocorreu em relação à unidade de massa, o grama, inicialmente definido como a massa de um centímetro cúbico de água à temperatu ra de 4 °C, cujo padrão materializado foi um múltiplo da unidade escolhida, o quilograma (103 g), representado por um bloco de platina e irídio, que igualmente passou a definir a unidade de massa (um cilindro com cerca de 39 mm de diâmetro e altura).
30
As grandezas e suas unidades
Também o segundo – inicialmente definido como a fração 1/86.400 do dia solar médio – veio a ser redefinido de forma mais exata, referindo essa unidade a períodos de radiação do átomo do césio 133. Outras unidades originalmente definidas foram o are (100 m2), para áreas; o estere (1 m 3) e o litro (1 dm 3) para volumes.
1.2 Sistema Internacional de Unidades (SI) Em 1948, a 9.ª Conferência Geral incumbiu o Comitê Internacional de Pesos e Medidas de estudar e propor o estabelecimento de uma regulamentação completa das unidades de medida, por um sistema prático de unidades que pudesse ser adotado por todos os países signatários. Após intensos estudos, consultas e pesquisas nos meios científicos, técnicos e pedagógicos de todos os países, foi possível propor a primeira versão de tal sistema, aprovada na 11.ª Conferência Geral de 1960. Desde então foi denominado Sistema Internacional de Unidades, ou simplesmente SI, oficializado no Brasil em 1962.
nais como no ensino e também no trabalho científico. As unidades de base SI são apresentadas na Tab.1.1, e as unidades suplementares na Tab.1.2.
1.3 Grandezas e unidades do escoamento Além das unidades de base e suplementares vistas anteriormente, as grandezas físicas ligadas ao escoamento de líquidos são expressas pelas unidades derivadas apresentadas na Tab.1.3. Na prática da tecnologia, são utilizadas outras unidades que não são do SI, sendo as mais comuns apresentadas na Tab. 1.4.
1.4 Prefixos SI As unidades SI (de base e derivadas com nome específico) devem ter seus múltiplos e submúltiplos expressos com o uso dos prefixos da Tab. 1.5, com exceção da unidade de massa (quilograma), em que os prefixos são aplicados à palavra grama.
Para exemplificar a complexidade dos estudos, visando à precisão e maior exatidão das unidades, são dadas a seguir as modificações verificadas na definição da unidade de comprimento, o metro: •
11.ª CGPM de 1950 – “O metro é o comprimento igual a 1.650.763,73 comprimentos de onda, no vácuo, da radiação correspondente à transmissão entre os níveis 2p10 e 5d 5 do átomo de criptônio 86”.
Posteriormente, com as determinações mais exatas da velocidade da luz, tornou-se mais simples abandonar essa definição baseada numa radiação específica, adotando-se a seguinte definição, atualmente vigente: •
17.ª CGPM de 1983 – “O metro é o comprimento do percurso da luz, no vácuo, no tempo de 1/299.792.458 de segundo.” Equivale dizer que a velocidade da luz é 299.792.458 m/s.
TABELA 1.1 Unidades de base SI
Grandeza
Unidade
Símbolo
metro
m
Massa
quilograma
kg
Tempo
segundo
s
Intensidade de corrente elétrica
ampère
A
Temperatura termodinâmica
kelvin
K
candela
cd
mol
mol
Comprimento
Intensidade luminosa Quantidade de matéria
TABELA 1.2 Unidades suplementares SI
Grandeza Como se vê, na medida em que a ciência evolui, a necessidade de máxima precisão e a definição de novas áreas de estudo e aplicações tecnológicas conduzem ao aperfeiçoamento na arte de medir, que resultam em mudanças nos conceitos vigentes e que certamente não são definitivos. Esse sistema, pelo qual são definidas as unidades de base, a partir das quais são definidas todas as outras unidades derivadas e admite ainda unidades suplementares, escapa um pouco do rigor científico, mas beneficia demais o sentido prático, tanto nas relações internacio-
Unidade
Símbolo
Ângulo plano
radiano
rad
Ângulo sólido
esteradiano
sr
Apesar do acordo existente entre os países, para se utilizar apenas das unidades do Sistema Internacional (SI), ainda hoje são encontradas outras unidades não pertencentes ao SI, em livros e artigos científicos estrangeiros. Por esse motivo, incluiu-se a Tab. 1.6 que estabelece a relação entre as diversas unidades, em especial aquelas mais utilizadas na área em questão.
31
Prefixos SI TABELA 1.3 Unidades derivadas SI (usadas no escoamento de líquidos)
Unidade SI
Símbolo
Expressão em unidades de base
Expressão em outras unidades SI
metro quadrado
m2
m2
-
metro cúbico
m3
m3
-
Velocidade
-
m/s
m · s –1
-
Aceleração
-
m/s2
m · s–2
-
Força, peso
newton
N
kg · m · s –2
-
Pressão, tensão
pascal
Pa
kg · m –1 · s–2
N/m2
Energia, trabalho
joule
J
kg · m 2 · s–2
N·m
Potência
watt
W
kg · m 2 · s–3
J/s
Tensão elétrica
volt
V
kg · m 2 · s–3 · A–1
W/A
Vazão
-
m3 /s
m3 · s–1
Viscosidade cinemática
-
m 2 /s
m2 · s–1
-
Viscosidade dinâmica
-
Pa · s
kg · m –1 . s–1
-
Momento
-
N·m
kg · m 2 · s–2
-
Tensão superficial
-
N/m
kg · s –2
Pa · m
Massa específica
-
kg/m 3
kg · m–3
-
Volume específico
-
m 3 /kg
m3 · kg–1
-
Peso específico
-
N/m 3
kg · m–2 · s–2
-
Grandeza
Superfície Volume
Nota: As unidades que têm nome de pessoas se escrevem com iniciais minúsculas, e seus símbolos, com maiúsculas. TABELA 1.4 Unidades em uso com o Sistema Internacional
Nome
Símbolo
Expressão em unidades de base
Expressão em outras unidades SI
Tempo
minuto
min
60 s
-
Tempo
hora
h
3.600 s
60 min
Tempo
dia
d
86.400 s
24 h
milha marítima
-
1.852 m
-
Velocidade
nó
-
0,514 m · s –1
1,852 km/h
Superfície
are
a
10 2 m2
1 dam2
Superfície
hectare
ha
10 4 m2
1 hm2
Pressão
atmosfera
atm
101.325 kg · m –1 s–2 (≅ 105 Pa)
1 atm = 1 kg*/cm 2
Pressão
metros de coluna d’água
mca, mH 2O
9.806,65 kg · m · s –1 (≅ 104 Pa)
1 atm = 10,33 mca
Pressão
mm de mercúrio
mmHg
133,322 kg · m –1 · s–2 (≅ 133 Pa)
1 atm = 760 mmHg
Força, peso
quilograma-força
kgf, kg*
9,80665 kg · m · s –2
9,80665 N
cavalo-vapor
cv
735,5 kg · m 2 · s–3
735,5 W = 0,986 HP
Grandeza
Comprimento
Potência
32
As grandezas e suas unidades
TABELA 1.4 Unidades em uso com o Sistema Internacional (Continuação )
Nome
Símbolo
Expressão em unidades de base
Expressão em outras unidades SI
Potência
horse power
HP
745 kg · m 2 · s–3
745 W
Temperatura
grau Celsius
ºC
0º C = 273,15 K
-
Ângulo plano
grau
º
(p /180) rad
-
Ângulo plano
minuto
‘
(p /10.800) rad
(1/60)º
Ângulo plano
segundo
“
(p /648.000) rad
(1/60)’ = (1/3.600)º
, L*
10–3 · m3
1 dm3
Grandeza
Volume
litro
l
Vazão
-
m3 /s
m3 · s–1
103 l /s ou 103 L/s
Massa
tonelada
t
103 kg
-
rotação por minuto
rpm
/30 rad · s–1
-
Veloc. angular
p
* O símbolo L para litro é permitido quando os meios impressores não permitam a distinção entre a letra l e a unidade 1
TABELA 1.5 Prefixos SI
Fator
Prefixo
Símbolo
Fator
Prefixo
Símbolo
1024
yotta
Y
10–1
deci
d
1021
zetta
Z
10–2
centi
c
1018
exa
E
10–3
mili
m
1015
peta
P
10 –6
micro
µ
1012
tera
T
10–9
nano
n
109
giga
G
10–12
pico
p
106
mega
M
10–15
femto
f
103
quilo
k
10–18
atto
a
102
hecto
h
10–21
zepto
z
101
deca
da
10–24
yocto
y
40% desses prefixos SI já se incorporaram à linguagem comum no Brasil (de 10 –6 a
106), ao passo que os outros 60% têm seu uso restrito às
Nota: linguagens técnica e científica. Na linguagem comum, é usual a utilização do prefixo “quilo”, para indicar a unidade de peso “quilograma-força”, popularmente usada em lugar do “newton” (1 kgf ≅ 10N).
33 TABELA 1.6 Conversão de unidades
Unidade
Símbolo
Multiplicar por
Para obter
Símbolo
atmosfera
atm
76
centímetros de mercúrio
cm Hg
atmosfera atmosfera atmosfera
atm atm atm
101 1,0332 10,33
quilopascais quilogramas-força por centímetro quadrado metros de coluna d’água
kPa kgf/cm 2 mca
atmosfera atmosfera atmosfera
atm atm atm
29,92 33,90 14,7
polegadas de mercúrio pés de água libras-força por polegada quadrada
in Hg ft H 2O lbf/in 2
centímetro centímetro centímetro centímetro
cm cm cm cm
0,03281 0,3937 0,01 0,01094
pés polegadas metros jardas
ft in m yd
centímetro cúbico centímetro cúbico centímetro cúbico
cm 3 cm 3 cm 3
3,531 x 10 –5 0,06102 10–6
pés cúbicos polegadas cúbicas metros cúbicos
ft 3 in 3 m3
centímetro cúbico centímetro cúbico centímetro cúbico
cm 3 cm 3 cm 3
1,308 x 10 –6 2,642 x 10 –4 10–3
jardas cúbicas galões litros
yd 3 gl L
centímetro quadrado centímetro quadrado centímetro quadrado
cm 2 cm 2 cm 2
1,076 x 10 –3 0,1550 10–4
pés quadrados polegadas quadradas metros quadrados
ft 2 in 2 m2
centímetro quadrado centímetro de mercúrio centímetro de mercúrio centímetro de mercúrio
cm 2 cm Hg cm Hg cm Hg
1,196 x 10 –4 0,01316 0,4461 0,0136
jardas quadradas atmosferas pés de água quilogramas-força por centímetro quadrado
yd 2 atm ft H 2O kgf/cm 2
centímetro de mercúrio centímetro de mercúrio centímetro por segundo
cm Hg cm Hg cm/s
27,85 0,1934 1,969
libras por pés quadrados libras por polegada quadrada pés por minuto
lb/ft 2 lb/in 2 ft/min
centímetro por segundo centímetro por segundo centímetro por segundo
cm/s cm/s cm/s
0,03281 0,036 0,01
pés por segundo quilômetros por hora metros por segundo
ft/s km/h m/s
dia dia dia
d d d
24 1.440 86.400
horas minutos segundos
h min s
galão galão grama grama
gl gl g g
3,785 3,785 x 10 –3 10–3 103
litros metros cúbicos quilogramas miligramas
L m3 kg mg
grama-força grama-força
gf gf
0,03527 0,03215
onças onças-troy
oz Oz troy
grama-força
gf
0,07093
poundals
pdl
grama-força
gf
2,205 x 10 –3
libras-força
lbf
34
As grandezas e suas unidades TAB. 1.6 Conversão de unidades (Continuação )
Unidade
Símbolo
Multiplicar por
Para obter
Símbolo
grama-força p/centímetro cúbico grama-força p/centímetro cúbico grau (ângulo) grau (ângulo) grau (ângulo) hectare hectare hectare jarda jarda jarda jarda jarda cúbica jarda cúbica jarda cúbica jarda cúbica por minuto jarda cúbica por minuto jarda cúbica por minuto libra-força libra-força libra troy libra-força por pé cúbico libra-força por pé quadrado litro litro litro litro por segundo metro metro metro metro cúbico metro cúbico metro cúbico metro cúbico metro quadrado metro quadrado metro quadrado metro quadrado metro por segundo metro por segundo metro por segundo milha milha milha náutica milha por hora milha por hora milha por hora
gf/cm 3
62,43 0,03613 60 0,01745 3.600 10.000 2,471 1,076 x 10 5 0,9144 3 36 5,682 x 10–4 0,7646 202 764,6 0,45 3,367 12,74 453,6 16 0,8229 16,02 4,882 10–3 0,2642 0,03531 0,2642 3,281 39,37 1,094 103 35,31 1,308 264,2 10,76 1550 1,196 10–4 3,281 3,6 2,237 1.609 5.280 1.852 1,609 1,467 0 8684
libras-força por pés cúbicos libras-força por polegadas cúbicas minutos radianos segundos metros quadrados acres pés quadrados metros pés polegadas milhas metros cúbicos galões litros pés cúbicos por segundo galões por segundo litros por segundo gramas-força onças libras-força quilogramas-força por metro cúbico quilogramas-força por metro quadrado metros cúbicos galões pés cúbicos galões por segundo pés polegadas jardas litros pés cúbicos jardas cúbicas galões pés quadrados polegadas quadradas jardas quadradas hectares pés por segundo quilômetros por hora milhas por hora metros pés metros quilômetros por hora pés por segundo nós
lbf/ft 3 lbf/in 3 ‘ rd “ m2 A (*) ft 2 m ft in mi m3 gl L ft 3 /s gl/s L/s gf oz lbf kgf/m 3 kgf/m 2 m3 gl ft 3 gl/s ft in yd L ft 3 yd 3 gl ft 2 in 2 yd 2 ha ft/s km/h mi/h m ft m km/h ft/s nó
gf/cm 3 º º º ha ha ha yd yd yd yd yd 3 yd 3 yd 3 yd 3 /min yd 3 /min yd 3 /min lbf lbf lb troy lbf/ft 3 lbf/ft 2 L L L L/s m m m m3 m3 m3 m3 m2 m2 m2 m2 m/s m/s m/s mi mi mi (naut) mi/h mi/h mi/h
