4.1 Utviklingstrender og rammebetingelser
4.1.1 Utviklingen innenfor opptaksområdet
4.1 - EQUIPAMENTOS E TÉCNICAS MAIS COMUNS
A deteção de afluências indevidas aos sistemas de águas residuais é uma prática complexa e pouco comum. No entanto, existem cada vez mais estudos no sentido de descobrir técnicas e metodologias eficazes nesse sentido. A irradicação total do problema é pouco viável, uma vez que, existe uma parcela relativa a infiltrações admissível e que seria irreal tentar eliminar, sendo no entanto recomendável atuar perante situações mais evidentes e que têm consequências óbvias da sua existência (Almeida & Cardoso, 2010).
Existem hoje em dia diversos métodos que podem ser aplicados e que permitem avaliar e detetar a presença de infiltrações diretas e indiretas, todos estes apresentam vantagens e desvantagens, uns revelam-se mais económicos mas pouco eficazes outros são eficientes neste sentido mas representam um investimento muito avultado. A escolha da técnica ou método a aplicar é dependente da complexidade do sistema (Coelho, 2013).
4.1.1 - INSPEÇÕES VISUAIS
As inspeções visuais consistem num método simples e pouco dispendioso. Este método consiste na inspeção visual das caixas de visita das redes de águas residuais, que podem permitir detetar a entrada de águas parasitas no sistema, uma vez que podem ser observados aumentos significativos do caudal, por danos nestas ou até mesmo ligações diretas às caixas de visita (figura 1).
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Figura 1-Caixa de visita danificada com entrada de caudais provenientes de um riacho. (imagem cedida pela AGERE).
Apesar da aplicabilidade deste método, este permite apenas a deteção de situações muito evidentes, não permitindo, numa generalidade dos casos, identificar o local e causa concreta do problema, sendo que as caixas de visita são uma pequena parte das redes de águas residuais.
4.1.2- INSTALAÇÃO DE CAUDALÍMETROS
A instalação de caudalímetros é amplamente referida como método de monitorização e avaliação dos sistemas de águas residuais (Henriques, Palma, & Ribeiro, 2006). Esta prática não permite identificar concretamente o problema mas sim perceber se este existe ou não.
Os caudalímetros, como medidores e registadores dos caudais afluentes ao sistema, são requisito legal para o funcionamento das redes de águas residuais. Segundo o artigo 186º- localização (medidores e registadores), do Decreto Regulamentar nº23/95 de 23 de agosto, a colocação de caudalímetros e monitorização dos caudais nos sistemas de drenagem pública de águas residuais, deve abranger os seguintes locais:
a) À entrada das estações de tratamento; b) Na descarga final no meio recetor; c) Nas estações elevatórias;
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15 d) Imediatamente a jusante de zonas ou instalações industriais;
e) Em pontos estratégicos da rede de coletores.
A utilização de caudalímetros, fixos ou portáteis, ao longo de um sistema de drenagem de águas residuais permite a monitorização dos caudais que afluem a estes. Esta monitorização é de extrema importância e surge como técnica de avaliação da situação em estudo. A instalação de caudalímetros em pontos de referência da rede permite caraterizar o desempenho do sistema e perceber se existem caudais de infiltração. A colocação destes aparelhos deve ser faseada e permitir identificar locais com contribuição mais significativa para o caudal do sistema.
Existem os mais variados tipos de caudalímetros no mercado e a sua escolha deve compreender vários fatores. É importante conhecer as propriedades das águas residuais do sistema e as caraterísticas das condutas destes. A pressão, velocidade média, o tipo e regime de escoamento, a temperatura, o diâmetro das condutas e muitos outros parâmetros devem ter sidos em conta aquando a escolha de um caudalímetro (Henriques, Palma, & Ribeiro, 2006).
Existem no mercado caudalímetros ultrassónicos, eletromagnéticos, de turbina, calorimétricos, entre outros. As caraterísticas de cada um devem ser tidas em conta em consonância com o local a instalar. Para além de todas as caraterísticas a ter em conta é também possível definir se os caudalímetros a instalar têm caráter fixo ou portátil. A diferença, tal como o nome indica, consiste na possibilidade de transportar para outros locais do sistema os caudalímetros portáteis ao contrário dos fixos. Cabe à entidade gestora a escolha do mais adequado para a situação pretendida, uma vez que o investimento parte desta.
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16 Nas figuras 2 e 3 são apresentados, um caudalímetro ultrassónico portátil para canais abertos e condutas semicheias este, para além de outras caraterísticas, pode funcionar com velocidades na gama 0.03 a 3.05 m/seg, e um caudalímetro fixo ultrassónico de inserção em linha na conduta, respetivamente.
4.1.3- INSPEÇÕES CCTV (CLOSED-CIRCUIT TELEVISION)
As inspeções CCTV (closed circuit television) têm sido amplamente aplicadas na inspeção de coletores de sistemas de águas residuais. Esta técnica, a par das inspeções visuais referidas em 3.4.1.1, é das mais utilizadas (Koo & Ariaratnam, 2006). Este método permite identificar anomalias nos coletores de águas residuais através da introdução de câmaras CCTV que se fazem deslocar ao longo dos coletores. As imagens recolhidas por estas são posteriormente analisadas por um técnico especializado e permitem detetar vários tipos de anomalias (Koo & Ariaratnam, 2006).
Existem vários tipos de equipamentos CCTV, que diferem em tamanho, mobilidade, resolução, entre outras caraterísticas. Tendo em conta a mobilidade existem equipamentos estacionários ou móveis (WRc, 2001).
Figura 3- Caudalímetro ultrassónico de inserção em linha na conduta (Zenzorcontrol, 2014) Figura 2- Caudalímetro ultrassónico portátil (Zeben-
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17 No caso de equipamentos estacionários, a câmara de inspeção é colocada numa câmara de visita onde capta e armazena dados que são posteriormente analisados. Estes equipamentos estacionários apresentam limitações, uma vez que não permitem a deteção de anomalias que se encontrem submersas nos coletores, para além de que só permitem detetar as que são visíveis a partir do local onde estão instaladas (Feeney, Thayer, Bonomo, & Martel, 2009). Dadas estas limitações, na prática, a utilização de sistemas fixos de CCTV é mais implementada como inspeção complementar de infraestruturas prioritárias.
Os equipamentos de CCTV móveis são os mais utilizados na inspeção dos coletores de sistemas de águas residuais, pois permitem a inspeção de uma maior extensão dos coletores. Normalmente são utilizados robôs comandados à distância que percorrem os coletores e captam imagens das anomalias existentes ao longo da sua passagem (Gomes, 2013). Esta técnica é recomendada para inspeção de coletores com diâmetros até 1200 mm, uma vez que, quanto maior o diâmetro do coletor maior a distância entre a câmara de inspeção e as paredes do mesmo e consequentemente menor a capacidade de deteção de anomalias. No caso de diâmetros superiores as camaras a utilizar devem compreender uma maior resolução da imagem e devem ainda ser dotadas de sistemas de iluminação mais potentes (WRc, 2001); (Feeney, Thayer, Bonomo, & Martel, 2009). Na figura 4, é apresentado um sistema móvel de inspeção que é introduzido nas caixas de visita e que a partir daí vai ser comandado ao longo do coletor a inspecionar.
Para além das câmaras robotizadas existem ainda outras que permitem inspecionar condutas com diâmetros muito pequenos. Normalmente estas encontram-se na ponta de um cabo que é feito deslizar ao longo dos coletores, permitindo, mais uma vez, a deteção de anomalias que possam existir.
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Figura 4- Inserção de um sistema móvel de inspeção numa caixa de visita, apartir do qual inicia a inspeção CCTV (imagem cedida pela AGERE).
Apesar de ser uma das técnicas mais utilizadas esta apresenta várias limitações para além das já referidas. O facto de este método depender amplamente da qualidade das imagens obtidas e da visualização destas, torna-o demorado e ainda subjetivo, uma vez que, é também dependente da experiência do técnico inspetor. Outra limitação é ainda a impossibilidade de detetar anomalias existentes quando os coletores se encontram parcialmente ou totalmente bloqueados, ou ainda sob regime de escoamento (Koo & Ariaratnam, 2006); (Gomez, 2004).
No entanto, este método tem vindo a evoluir com o melhoramento contínuo da resolução, ampliação e armazenamento da imagem, que têm permitido a visualização com mais detalhe da superfície dos coletores, para além da diminuição das suas dimensões que possibilitam a visualização de mais componentes pertencentes aos sistemas de águas residuais (WRc, 2001).
4.1.4- TESTES/MÁQUINAS DE FUMOS
Este método, tal como o nome indica, recorre à injeção de fumo na rede de águas residuais e observação dos locais onde este emerge à superfície. O fumo a empregar não deve ter odores, óleos ou partículas e não deve ser de maneira alguma prejudicial para a saúde pública. Os troços a inspecionar devem ser isolados com balões, sacos de areia ou insufláveis e não devem ser superiores a 300 metros. O fumo, gerado por bombas de fumo, é introduzido em grandes
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19 quantidades nas caixas de visita durante 3 a 5 minutos e é feita a observação exterior para detetar locais de saída deste, tendo normalmente duração total entre 10 a 30 minutos (Almeida & Cardoso, 2010). Esta técnica é eficiente e amplamente utilizada para a deteção de ligações indevidas à rede, mas pode também permitir detetar anomalias nos coletores, como fissuras, no entanto, estas são de deteção mais difícil, uma vez que têm que apresentar dimensões significativas. Este método de inspeção apresenta algumas vantagens em relação a outros referidos, sendo que revela a localização exata do problema, é de baixo custo e aplicação simples. No entanto possui a desvantagem de ser suscetível às condições climatéricas existentes, como vento e chuva (Almeida & Cardoso, 2010); ( Inflow Infiltration and Exfiltration, 2005).
Tal como outros equipamentos, as máquinas geradoras de fumos necessitam de vários componentes para o seu funcionamento (figura 5). Normalmente estas compreendem as mangueiras, que permitem a introdução do fumo nos coletores, o próprio líquido que vai gerar o fumo, entre outros.
Figura 5- Máquina geradora de fumos easysmoker, mangueira flexível, anéis estanques e fluido de fumos
(adaptado de (Camtronics-innovative camera solutions, 2014)).
4.1.5 - TESTES COM TRAÇADORES
Este método consiste na colocação do traçador em pontos estratégicos da rede, a montante de onde se suspeita a existência de um caudal indevido afluente à rede ou em locais mais propícios à infiltração de águas pluviais, e verificação do local onde este aflui (Almeida & Cardoso, 2010).
A seleção do traçador a utilizar deve ser cuidada e ter em conta as especificidades do local, sendo que existem diferentes tipos de traçadores, com caraterísticas químicas, radioativas e físicas
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20 diferentes (Almeida & Cardoso, 2010); ( Inflow Infiltration and Exfiltration, 2005). É comum a utilização de traçadores fluorescentes, uma vez que a quantidade necessária para o seu uso é pequena. Alguns traçadores deste tipo podem ser detetados, com recurso a equipamentos específicos, em concentrações inferiores a 1ug/l. Pode ainda ser introduzido sal diluído nas condutas, que não pode ser detetado visualmente, como os traçadores fluorescentes, mas pode ser detetado com o auxílio de um condutivímetro, que deteta a passagem do pico de concentração.
Este método é simples, apresenta um custo baixo e permite detetar locais exatos de infiltração de águas parasitas nas redes de águas residuais, para além disto, possui ainda a vantagem de não precisar de um técnico especializado na sua utilização.
4.1.6 - SONAR/ULTRASSONS
A tecnologia acústica recorre a dispositivos de medição que permitem detetar ondas e vibrações de som. Os sensores acústicos detetam os sinais emitidos por defeitos, avaliando assim a condição dos coletores do sistema de águas residuais.
A utilização de ultrassons é uma técnica que recorre a ondas de frequência elevada. Para a utilização deste método é fundamental conhecer as caraterísticas do material a inspecionar, como a sua elasticidade, densidade, entre outras. As ondas emitidas pelo equipamento propagam-se através do material em análise e, sendo as caraterísticas deste conhecidas, é possível determinar a velocidade de propagação do som no meio. Este método permite detetar fissuras, ruturas, vazios, deformações e corrosão nas paredes dos coletores. Isto acontece quando há uma alteração da densidade, provocada por estas anomalias, em que parte da energia continua a propagar-se e uma outra parte da energia sonora, que incide na anomalia, é refletida e posteriormente detetada pelo sensor ultrassónico (Gomes, 2013).
Este método é bastante preciso, podendo mesmo detetar fissuras no interior dos coletores de 5 mm de dimensão. Apesar desta vantagem, o método pode revelar-se desfavorável, uma vez que, pode detetar gorduras, lodos e detritos que camuflam anomalias existentes. Esta técnica é muitas vezes utilizada em conjunto com inspeções CCTV, sendo que desta maneira podem ser realizadas, em simultâneo, inspeções acima e abaixo da linha de água (Feeney, Thayer, Bonomo, & Martel,
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21 2009). Outra das grandes vantagens que esta técnica apresenta é o facto de o coletor a inspecionar não necessitar de limpeza prévia, podendo mesmo ser realizada a inspeção com o coletor em funcionamento.
Tal como no caso das inspeções CCTV, também os resultados obtidos por esta técnica estão dependentes da interpretação de um técnico especializado.
4.1.7 - JETTING/JATOS DE ÁGUA
Esta técnica é de utilização simples e a sua aplicação é usualmente direcionada para ações de desobstrução e remoção de detritos, depósitos sedimentados e aderentes que perturbam o bom funcionamento dos sistemas de saneamento. No entanto, este método pode também ser utilizado para identificar ligações indesejáveis às redes de águas residuais. Um jato de água é introduzido numa caixa de visita, após a seleção de um troço específico, e posteriormente, é verificado o percurso que esta efetua. Se a água não efetuar o percurso esperado, pode concluir-se que existe algum tipo de anomalia, como ruturas, que vão forçar o desvio do curso normal da água. Também neste método é importante ter em conta as caraterísticas e condições dos coletores (Almeida & Cardoso, 2010). Usualmente é indicada para coletores com diâmetros pequenos e com caudais baixos.
4.1.7- LASER (LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION)
Os sistemas de LASER (light amplification by stimulated emission of radiation) possibilitam a obtenção de imagens digitalizadas com elevado grau de detalhe do interior dos coletores de águas residuais. Neste método é feita a projeção, na superfície interior dos coletores de feixes de luz sob forma de LASER (figura 6), que permite obter uma imagem bi ou tri-dimensional do perfil do coletor em análise. Que por sua vez permite determinar com exatidão a forma da secção transversal, identificando e quantificando eventuais deformações existentes (Koo & Ariaratnam, 2006) (Almeida & Cardoso, 2010). No entanto a deteção de anomalias e a qualidade das imagens obtidas depende do grau com que o feixe de luz emitido é refletido, sendo que superfícies lisas refletem o
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22 máximo de luz incidente, ao contrário das secções em falta ou fissuras que não refletem a luz que incide.
Este método apresenta uma vasta gama de aplicação, com capacidade para ser utilizado em coletores com diâmetros entre os 225 mm e os 1500 mm, com uma precisão de 0.1 mm na medição da geometria do coletor, o que o torna muito eficaz na deteção de anomalias.
A utilização da tecnologia LASER, com vista à deteção de anomalias e águas parasitas que afetam os sistemas de águas residuais, é mais eficaz que os sistemas de inspeção CCTV, uma vez que, a iluminação não é um entrave ao seu funcionamento e não apresenta limitações consequentes da distância da câmara à superfície dos coletores. No entanto, e tal como as inspeções CCTV, também esta técnica não é aplicável nas superfícies imersas dos coletores (Feeney, Thayer, Bonomo, & Martel, 2009).
Do ponto de vista financeiro, o custo de investimento deste tipo de equipamentos é elevado, sendo superior ao investimento inicial requerido para os equipamentos CCTV. Apesar disso, a inspeção LASER apresenta normalmente custos de operação inferiores, visto que, a inspeção e informação são processadas de forma mais rápida. Esta técnica é frequentemente utilizado em combinação com outros métodos de inspeção, de forma a colmatar limitações inerentes a outras técnicas (Feeney, Thayer, Bonomo, & Martel, 2009).
Figura 6- robot com tecnologia LASER usado para a inspeção das redes de águas residuais (AET- ROBOTICS AND INSPECTION SERVICES, 2014).
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23 4.1.8 - CÁLCULO DO CAUDAL DE TEMPO SECO
A infiltração gerada por águas parasitas afluentes às redes de águas residuais é difícil de estimar. As metodologias aplicadas para a determinação do volume de caudal de infiltração é pouco exata, sendo que, é difícil detetar todas as ligações indevidas e anomalias do sistema.
É também importante referir que existem ainda em Portugal moradias, que para além de usufruírem de sistemas de recolha de águas residuais, possuem também fossas sépticas, dificultando ainda mais a determinação dos caudais circulantes nos sistemas e consequentemente os de infiltração (Cardoso, Almeida, & Coelho, 2002).
A constante monitorização do caudal que percorre os sistemas e da precipitação, nos locais mais preocupantes, tem vindo a ser estudada para permitir estimar qual a componente de infiltração no caudal transportado (Amorim, 2007).
Entende-se por caudal de tempo seco o caudal que é escoado numa rede de drenagem com exceção do caudal proveniente diretamente da precipitação (Amorim, 2007). O caudal de tempo seco, designado na terminologia anglo-saxónica por “dry weather flow” pode ser estimado pela seguinte fórmula: (White, Aderson, & Misstear, 1996)
𝐷𝑊𝐹 = 𝑃𝐺 + 𝐼 + 𝐸 (1) Onde, 𝐷𝑊𝐹 − 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑒𝑚 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 (𝑚3⁄𝑑𝑖𝑎) 𝑃 − 𝑃𝑜𝑝𝑢𝑙𝑎çã𝑜 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎 (ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠) 𝐺 − 𝐶𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎çã𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎𝑠 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑖𝑠 (𝑚3⁄ℎ𝑎𝑏. 𝑑𝑖𝑎) 𝐼 − 𝐼𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎çã𝑜 (𝑚3⁄𝑑𝑖𝑎) 𝐸 − 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑠𝑡𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑚 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (𝑚3⁄𝑑𝑖𝑎)
Sabe-se que o caudal afluente às redes de águas residuais varia durante o dia, no entanto, a fórmula anteriormente apresentada permite calcular o caudal médio diário de um sistema, sendo
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24 que, dependendo do tipo de sistema (urbano, misto ou comercial) existe uma componente de descargas comerciais que pode ou não ser considerada (Amorim, 2007).
Teoricamente, e na ausência de registos, pode considerar-se a capitação de águas residuais num intervalo de 70% a 90% da água consumida, que por sua vez é regulada pelo decreto regulamentar nº23/95 de 23 de agosto, designado por Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de Drenagem de Águas Residuais. Segundo o artigo 13º “Consumos domésticos”, do título I, capítulo 2 desse mesmo decreto:
“As capitações na distribuição exclusivamente domiciliária não devem, qualquer que seja o horizonte de projecto, ser inferiores aos seguintes valores:
a) 80 l/habitante/dia até 1000 habitantes;
b) 100 l/habitante/dia de 1000 a 10 000 habitantes; c) 125 l/habitante/dia de 10 000 a 20 000 habitantes; d) 150 l/habitante/dia de 20 000 a 50 000 habitantes; e) 175 l/habitante/dia acima de 50 000 habitantes. “
O cálculo da parcela de infiltração, mais uma vez na ausência de registos, pode ser considerado: (White, Aderson, & Misstear, 1996)
𝐼 = 0.45 × (𝑃𝐺 + 𝐼 + 𝐸) (2)
Podendo ainda considerar-se a Infiltração (I) em função de PG e E, obtendo-se:
𝐼 = 0.8(𝑃𝐺 + 𝐸) (3) Este método é utilizado como método indicador da presença de caudais de infiltração, não permitindo identificar a origem do problema. Deve ser aplicado numa fase de diagnóstico, em paralelo com a utilização de caudalímetros de monitorização, permitindo restringir locais problemáticos. Sabendo quais os caudais esperados teoricamente e os obtidos na realidade pode concluir-se a existência, ou não, de águas parasitas no sistema.
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25 A tarefa seria facilitada na presença de informação detalhada do sistema, cadastro completo, população servida, água consumida, entre outras, permitindo maior rigor no cálculo do caudal de tempo seco.
4.2 - MÉTODOS INOVADORES
Apesar de a deteção de águas parasitas em sistemas de águas residuais ser ainda uma temática pouco desenvolvida, existem métodos, como os mencionados anteriormente, que têm aplicação mais frequente neste campo. Existem, no entanto, uma série de técnicas inovadoras, desenvolvidas na sua grande maioria à escala piloto, e que podem vir a ser implementadas com eficácia na deteção de águas parasitas.
4.2.1- SENSORES DE TEMPERATURA DISTRIBUÍDOS EM FIBRA ÓTICA
Foi desenvolvida na Holanda uma nova técnica para detetar ligações ilegais de águas residuais aos sistemas de recolha de águas, que usa sensores de temperatura distribuídos em fibra ótica. As águas residuais e pluviais têm diferentes temperaturas, assim sendo, através das medições