Abastecimento de Água e Remoção de Resíduos, 3ª edição

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Esta terceira edição de Abastecimento de Água e Remoção de Resíduos é uma versão revista e ampliada da clássica obra Water and Wastewater Engineering, escrita originalmente por Gordon M. Fair, John C. Geyer e Daniel A. Okun. Os autores e organizadores tiveram como preocupação construir um texto capaz de lidar com os problemas atuais relacionados ao projeto, modelagem, instalação, transporte, distribuição e uso de recursos hídricos. Entre problemas e propostas de soluções estão presentes discussões sobre métodos que visam melhorar a captação e purificação da água in natura, aperfeiçoar o aproveitamento e o reúso da água, tornar mais eficiente a armazenagem de águas pluviais, assim como ampliar e melhorar o tratamento antes de retorná-la ao meio ambiente. Houve a preocupação de abordar situações cotidianas extremamente importantes e com as quais todos os países têm de lidar. Unindo teoria e prática, esta é uma obra abrangente –, útil tanto para docentes e estudantes, como para profissionais em atividade.

 

21 capítulos

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Capítulo 1 - Introdução aos Sistemas de Abastecimento de Água

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Capítulo

1

Introdução aos Sistemas de

Abastecimento de Água

O direito à água está implícito no direito a um padrão de vida adequado e no direito ao maior padrão alcançável de saúde física e mental, ambos protegidos pelo Pacto Internacional pelos Direitos Econômicos, Sociais e Culturais da Organização das Nações Unidas estabelecido em 1976. No entanto, alguns países continuam a negar a legitimidade deste direito. À luz desse fato, e em decorrência do descumprimento generalizado dos estados com suas obrigações pertinentes ao direito à água, a

Comissão sobre Direitos Econômicos, Sociais e Culturais da Organização das Nações Unidas confirmou e definiu melhor o direito à água no seu Comentário Geral No 15, em 2002. O comentário afirma claramente que o direito à água emana de um padrão de vida adequado, sendo indispensável para este padrão de vida e uma das condições fundamentais para a sobrevivência:

O direito humano à água dá a todos o direito à água suficiente, potável, aceitável, física e financeiramente acessível para uso pessoal e doméstico. Uma quantidade adequada de água potável é necessária para evitar a morte por desidratação, reduzir o risco de doenças relacionadas com a água e atender os requisitos de consumo, preparo de alimentos e higiene pessoal e doméstica.

 

Capítulo 2 - Recursos Hídricos: Águas Superficiais

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Capítulo

2

Recursos Hídricos: Águas Superficiais

A

Figura 2.1 mostra onde está a água e como ela está distribuída na Terra. A barra à esquerda mostra onde existe água na Terra; aproximadamente 97% de toda a água estão nos oceanos. A barra do meio mostra a distribuição dos 3% de água potável existentes na Terra. A maioria, em torno de 69%, está presa em geleiras e calotas de gelo, principalmente na Groenlândia e na Antártica. Você pode estar surpreso pelo fato de quase toda a água doce restante estar sob os nossos pés na forma de águas subterrâneas. De toda a água doce na Terra, apenas 0,3% está contida em rios e lagos — no entanto, rios e lagos não são apenas a água com a qual estamos familiarizados, eles também são o lugar onde existe a maior parte da água que utilizamos no dia a dia.

Para uma explicação detalhada da localização da água na Terra, analise os dados na Tabela 2.1.

Repare como entre o abastecimento de água mundial total em torno de 326 milhões de milhas cúbicas

 

Capítulo 3 - Recursos Hídricos: Águas Subterrâneas

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Capítulo

3

Recursos Hídricos: Águas Subterrâneas

A

s águas subterrâneas provenientes de poços e nascentes têm servido como fonte de abastecimento de água doméstico desde a antiguidade. A Tabela 3.1 mostra que nos Estados Unidos há mais sistemas de abastecimento baseados em águas subterrâneas do que em águas superficiais — porém, cada vez mais pessoas bebem água de um sistema superficial. Cerca de 35% (107 milhões) da população de 306 milhões de pessoas atendidas pelos sistemas de abastecimento públicos depende das águas subterrâneas. As estruturas de águas subterrâneas são 10 vezes mais numerosas do que as instalações de águas superficiais (aproximadamente 141.000 para 14.000); a capacidade média das instalações de águas subterrâneas, no entanto, é menor. As contribuições das águas subterrâneas também desempenham um papel importante nos abastecimentos que dependem de fontes superficiais, pois é a descarga das águas subterrâneas que sustenta a maioria dos cursos d’água na estação seca.

 

Capítulo 4 - Quantidades de Escoamento de Água e Águas Servidas

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Capítulo

4

Quantidades de Escoamento de Água e Águas Servidas

O conhecimento das quantidades necessárias de escoamento de águas de abastecimento e águas servidas é fundamental para o projeto e gestão dos sistemas. Nos Estados Unidos, os volumes de

água fornecidos para as cidades e povoados ou que é removido destes locais é expresso em galões americanos por ano (galões/ano), mês (galões/mês), dia (galões/dia) ou minuto (gpm). O galão americano ocupa um volume de 0,1337 pé cúbico (ft3) ou 3,785 litros (L) e pesa 8,344 libras (lb) ou

3,785 quilogramas (kg). A unidade métrica fundamental (SI) no trabalho de engenharia é o metro cúbico (m3), pesando 1.000 quilogramas (kg) ou 1 tonelada métrica (T), equivalendo a 1.000 litros

(L). Nos Estados Unidos, os volumes anuais de águas de abastecimento ou águas servidas são convenientemente registrados em milhões de galões (MG) ou milhões de litros (ML). Os volumes diários geralmente são expressos em milhões de galões por dia (MGD) ou milhões de litros por dia (MLD), caso sejam maiores que 100.000 gpd (378.500 L/d). Os volumes diários de galões per capita são expressos em gpcd, enquanto os volumes diários em litros per capita são expressos em Lpcd. As populações conectadas ou afluentes e as quantidades de serviços ou unidades habitacionais podem assumir as populações totais.

 

Capítulo 5 - Hidráulica da Água, Transporte e Acessórios

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Capítulo

5

Hidráulica da Água,

Transporte e Acessórios

5.1

5.1.1

MECÂNICA DOS FLUIDOS, HIDRÁULICA E TRANSPORTE DA ÁGUA

Mecânica dos Fluidos e Hidráulica

Os fluidos são substâncias capazes de escoar de acordo com a forma do recipiente no qual estão contidos. Os fluidos podem ser divididos em líquidos e gases. Os líquidos são praticamente incompressíveis, enquanto os gases são compressíveis. Os líquidos ocupam volumes definidos e possuem superfícies livres, enquanto os gases se expandem até ocupar todas as porções de quaisquer vasos que os contenham. Água, águas servidas, petróleo, etc. são líquidos.

A mecânica dos fluidos é um ramo da mecânica aplicada que lida com o comportamento dos fluidos (líquidos e/ou gases) em repouso e em movimento. Os princípios da termodinâmica devem ser considerados quando ocorrer uma compressibilidade apreciável. A hidráulica é um ramo da mecânica dos fluidos que lida com o comportamento de líquidos particularmente incompressíveis, como a água, as águas servidas, a lama líquida, etc.

 

Capítulo 6 - Sistemas de Distribuição de Água: Componentes, Projeto e Operação

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Capítulo

6

Sistemas de Distribuição de Água:

Componentes, Projeto e Operação

6.1

SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO

Fora algumas torneiras e retiradas de água ao longo de seus condutos de alimentação, os sistemas públicos de distribuição de água são redes de tubulações inseridas em malhas de ruas. O plano das ruas, a topografia e as redes de abastecimento, junto com o armazenamento de serviço, determinam o tipo de sistema de distribuição e o tipo de vazão por meio do mesmo. Embora os reservatórios de serviço muitas vezes sejam colocados ao longo das linhas de abastecimento, onde podem reduzir proveitosamente as pressões no conduto, sua finalidade principal é satisfazer as necessidades da rede. Consequentemente, na verdade eles são componentes do sistema de distribuição, não do sistema de transporte.

6.1.1

Vazão Unidirecional e Bidirecional

O tipo de vazão cria quatro sistemas, conforme o esboço na Fig. 6.1. As linhas piezométricas e as pressões residuais dentro das áreas servidas, junto com o volume do armazenamento de distribuição, ditam os tamanhos dos diâmetros da tubulação dentro da rede. É evidente que as vazões provenientes de sentidos opostos aumentam a capacidade do sistema. Com vazão bidirecional nas artérias principais, um abastecimento bombeado ou por gravidade, ou um reservatório de serviço, alimenta extremidades

 

Capítulo 7 - Sistemas de Distribuição de Água: Modelagem e Aplicações de Computador

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Capítulo

7

Sistemas de Distribuição de Água:

Modelagem e Aplicações de Computador

7.1

SOFTWARE WATERGEMS

Este capítulo lida basicamente com o tema das tubulações sob pressão relativas aos sistemas de distribuição de água. Se for projetada corretamente, a rede de tubulações interconectadas com tanques de armazenamento, bombas e válvulas reguladoras proporciona pressão adequada, abastecimento adequado e boa qualidade de água em todo o sistema. Se for projetada de maneira incorreta, algumas áreas apresentarão pressões baixas, má proteção contra incêndio e até mesmo riscos para a saúde.

O WaterGEMS (Haestad Methods Water Solutions by Bentley) é utilizado neste capítulo como uma ferramenta para ilustrar a aplicação de vários programas de software disponíveis que podem ajudar os engenheiros civis e ambientais a projetarem e analisarem sistemas de distribuição de água. Esse software pode ser utilizado como um programa independente, integrado com o AutoCAD, ou ligado a um sistema de informações geográficas (GIS) através do componente GEMS.

 

Capítulo 8 - Bombeamento, Armazenamento e Sistemas de Abastecimento Duplos

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Capítulo

8

Bombeamento, Armazenamento e

Sistemas de Abastecimento Duplos

8.1

BOMBAS E ESTAÇÕES DE BOMBEAMENTO

As bombas e as estações de bombeamento (Figs. 8.1 e 8.2) atendem às seguintes finalidades nos sistemas de abastecimento de água:

1. Elevar a água da sua fonte (superficial ou subterrânea), imediatamente para a comunidade por meio de instalações de alta elevação ou por meio de sistemas de baixa elevação para estruturas de tratamento.

2. Transportar a água das áreas de baixo consumo para as de alto consumo, para o abastecimento de combate a incêndio e para os andares superiores dos prédios de vários andares.

3. Transportar água através das estruturas de tratamento, fazer a retrolavagem de filtros, drenar os tanques de sedimentação de componentes da água e outras unidades de tratamento; retirar sólidos depositados; e fornecer água (especialmente sob pressão) para os equipamentos operacionais.

Figura 8.1 Estação de Bombeamento Van Sasse em

 

Capítulo 9 - Controle de Conexões Cruzadas

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Capítulo

9

Controle de Conexões Cruzadas

9.1

INTRODUÇÃO

As conexões cruzadas das tubulações, que são definidas como conexões reais ou potenciais entre um abastecimento de água potável e um não potável, constituem um perigo grave para a saúde pública.

Existem inúmeros casos bem documentados onde as conexões cruzadas são responsáveis pela contaminação da água potável e que resultaram na disseminação de doenças. O problema é de natureza dinâmica, pois os sistemas de tubulações estão sendo continuamente instalados, alterados ou ampliados.

O controle das conexões cruzadas é possível, mas somente através do conhecimento e da vigilância totais. A educação é essencial, já que mesmo as pessoas experientes em instalações hidráulicas não conseguem reconhecer as possibilidades e perigos das conexões cruzadas. Todos os municípios com sistemas públicos de abastecimento de água deveriam ter programas de controle das conexões cruzadas.

Os responsáveis por abastecimentos de água institucionais ou privados também devem estar familiarizados com os perigos das conexões cruzadas e devem monitorar atentamente os seus sistemas. A

 

Capítulo 10 - Introdução aos Sistemas de Águas Servidas

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Capítulo

10

Introdução aos

Sistemas de Águas Servidas

S

egundo a Organização Mundial de Saúde (OMS), 2,4 bilhões de pessoas não têm acesso ao saneamento básico, o que representa 42% da população mundial. Mais da metade das pessoas sem acesso ao saneamento básico – quase 1,5 bilhão de pessoas – vive na China e na Índia. Na África Subsaariana a cobertura é de apenas 36%. Somente 31% da população rural nos países desenvolvidos têm acesso ao saneamento básico, ao contrário dos 73% dos habitantes das áreas urbanas.

Cerca de 2 milhões de pessoas morrem todos os anos devido a doenças diarreicas; a maior parte delas consiste em crianças com menos de 5 anos de idade. As mais afetadas são as populações nos países em desenvolvimento que vivem em condições de extrema pobreza, consistindo geralmente em moradores das zonas periféricas urbanas e rurais. Entre os problemas principais responsáveis por essa situação estão (a) falta de prioridade conferida ao setor, (b) falta de recursos financeiros, (c) falta de sustentabilidade do abastecimento de água e dos serviços de saneamento, (d) maus hábitos de higiene e (e) saneamento inadequado nos locais públicos, incluindo hospitais, centros de saúde e escolas.

 

Capítulo 11 - Hidrologia: Precipitação e Escoamento Superficial

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Capítulo

11

Hidrologia: Precipitação e Escoamento Superficial

11.1

FUNDAMENTOS

Hidrologia é a ciência da água na natureza: suas propriedades, distribuição e comportamento.

Hidrologia estatística é a aplicação de métodos estatísticos de análise a eventos hidrológicos mensuráveis com a finalidade de chegar a decisões de engenharia. Pela introdução de técnicas estatísticas adequadas, imensos volumes de informações quantitativas podem ser reduzidos a uma quantidade de parâmetros que expressam, de forma clara e incisiva, as informações existentes nos dados originais ou puros. Essas estimativas são importantes para que engenheiros e economistas possam realizar análises de risco a fim de influenciar as decisões sobre futuros investimentos em infraestrutura e determinar a confiabilidade das características produtivas dos sistemas de abastecimento de água (Fair, Geyer e Okun, 1966).

O volume total de água na Terra é de aproximadamente 330 ϫ 106 mi3 ou 363 ϫ 109 bilhões de galões (BG) ou 1.374 ϫ 109 bilhões de litros (BL), com aproximadamente 95% nos oceanos e mares e 2% nas calotas de gelo polares. No entanto, os 35 g/L de sal na água do mar e o distanciamento, juntamente com a natureza fundamentalmente efêmera, das calotas de gelo polares interferem em seu uso. Isso deixa como potencial recurso de água doce na Terra não mais do que

 

Capítulo 12 - Manejo do Escoamento Urbano e do Excesso de Escoamento do Esgoto Combinado

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Capítulo

12

Manejo do Escoamento Urbano e do Excesso de Escoamento do

Esgoto Combinado

12.1

IMPACTOS HIDROLÓGICOS DA URBANIZAÇÃO

Como a quantidade de escoamento das águas pluviais é grande, alcançando ordens de grandeza muito maiores do que os escoamentos no tempo seco, o controle é o foco do planejamento com boa relação custo-benefício para a gestão do escoamento, seja através do balanceamento do escoamento, dos usos múltiplos das instalações, do retardamento do escoamento ou de combinações disso tudo.

Quando a precipitação atinge a superfície do solo ela pode tomar vários caminhos. Esses caminhos incluem o retorno para a atmosfera pela evaporação; a evapotranspiração, que inclui a evaporação direta e a transpiração pelas superfícies das plantas; a infiltração na superfície do solo; a retenção na superfície do solo (empoçamento); e o deslocamento sobre a superfície do solo (escoamento superficial). A alteração da superfície com a qual a precipitação entra em contato também altera o destino e o transporte do escoamento. A urbanização substitui superfícies permeáveis por superfície impermeáveis (por exemplo, telhados, estradas, calçadas e estacionamentos), que são concebidos, entre outros objetivos, para remover a água da chuva o mais rápido possível. Como se pode ver na Figura 12.1, o aumento da proporção de

 

Capítulo 13 - Hidráulica dos Sistemas de Esgoto

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Capítulo

13

Hidráulica dos Sistemas de Esgoto

13.1

NATUREZA DO ESCOAMENTO

Hidraulicamente, a coleta de águas servidas é diferente da distribuição de água no que se refere aos três princípios básicos a seguir: (a) Os esgotos, embora consistam majoritariamente em tubulações circulares, normalmente escoam apenas parcialmente cheios e, portanto, como canais abertos; (b) os escoamentos afluentes quase sempre são instáveis e muitas vezes não uniformes; e (c) geralmente os esgotos são obrigados a transportar cargas substanciais de substâncias flutuantes, suspensas e solúveis, com pouca ou nenhuma deposição, e sem erosão das superfícies do canal. Para satisfazer o terceiro requisito, as velocidades dos esgotos têm de ser autolimpantes, ainda que não destrutivas.

Como mostramos no capítulo anterior, o período de projeto dos coletores principais, dos interceptores e das desembocaduras pode ser de até 50 anos devido à inconveniência e o custo de aumentar ou substituir estruturas hidráulicas desta natureza nas cidades densamente povoadas. O dimensionamento dos condutos necessários pode se tornar complicado se tiverem que ser autolimpantes do início ao fim do período de projeto. Embora os sistemas de distribuição de água também tenham de satisfazer as mudanças nos requisitos de capacidade, seu equilíbrio hidráulico é menos delicado; a água deve transportar apenas a si própria, digamos assim. Acontece que as velocidades do escoamento nos sistemas de distribuição de água são mais fortemente importantes economicamente do que funcionalmente e pode-se admitir a sua variabilidade ao longo de uma ampla variedade de grandezas sem afetar acentuadamente o desempenho do sistema. Por outro lado, o desempenho dos sistemas de águas servidas é condicionado, com mais ou menos rigidez, a gradientes hidráulicos inflexíveis e, então, se torna importante tanto funcionalmente quanto economicamente.

 

Capítulo 14 - Projeto de Sistemas de Esgoto

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Capítulo

14

Projeto de Sistemas de Esgoto

14.1

DRENAGEM DE EDIFICAÇÕES

A água distribuída para vasos, pias, banheiras e outros aparelhos hidráulicos nas habitações e outros prédios, e para os tanques e outros aparelhos nos estabelecimentos industriais é coletada como água servida pelo sistema de drenagem da edificação e corre para os esgotos (Fig. 14.1). Os aparelhos hidráulicos são dispostos individualmente ou em bateria. Eles deságuam em ramais horizontais ou drenos que não devem escoar com seção plena ou sob pressão se os aparelhos hidráulicos afluentes tiverem que descarregar livremente e seus sifões não ficarem fechados. Os drenos horizontais deságuam em tubulações verticais. Essas tubulações também não devem escoar cheias para que as águas

Figura 14.1 Sistema de Drenagem Predial. Fator de conversão: 1 ft ϭ 0,3048 m

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Capítulo 14 servidas não voltem para os aparelhos hidráulicos nos pisos inferiores da edificação. As tubulações de drenagem descarregam no dreno da edificação que, a 5 ft (1,5 m) do lado de fora da edificação, se torna o esgoto da edificação (ou esgoto doméstico) e deságua no esgoto da rua (Figs. 14.2, 14.3 e 14.4).

 

Capítulo 15 - Sistemas de Esgoto: Modelagem e Aplicativos de Computador

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Capítulo

15

Sistemas de Esgoto: Modelagem e

Aplicativos de Computador

A

hidráulica na parte com escoamento tipo gravitacional dos esgotos sanitários e pluviais é analisada com as mesmas técnicas utilizadas no escoamento de canal aberto. Quando a altura de escoamento é constante, utiliza-se a equação de Manning. Quando há obstruções ou alterações na declividade da tubulação, aplica-se o procedimento de análise do escoamento gradualmente variado. A parcela de pressão do esgoto sanitário é analisada da mesma maneira que um sistema de distribuição de água, conforme discutimos nos Capítulos 6 e 7. A diferença principal é que o escoamento geralmente é retirado de uma rede de distribuição de água, enquanto em um sistema de esgoto o escoamento é injetado nos condutos forçados.

Neste capítulo, o SewerCAD é utilizado como uma demonstração da aplicação da modelagem e das técnicas computacionais no processo de concepção dos esgotos. Análises mais abrangentes do projeto de esgotos foram introduzidas nos Capítulos 13 e 14.

 

Capítulo 16 - Materiais, Elementos e Manutenção de Esgotos

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Capítulo

16

Materiais, Elementos e

Manutenção de Esgotos

16.1

MATERIAL DA TUBULAÇÃO DE ESGOTO POR GRAVIDADE

Existem vários materiais de tubulação diferentes para sistemas de coleta de águas servidas, cada um com uma característica única aplicável às diferentes condições. As tubulações têm vida útil que variam de 15 a mais de 100 anos, dependendo do tipo de material e do ambiente. Ao examinar uma tubulação, o material utilizado pode ser um indicador de falha mais importante do que a idade. Os quatro materiais de tubulação mais utilizados são o ferro dúctil, o concreto, o plástico e a argila vitrificada.

As considerações de escolha do material da tubulação incluem as condições da vala (condições geológicas), a corrosão, a temperatura, os requisitos de segurança e o custo. As características fundamentais da tubulação são a resistência à corrosão (interior e exterior), fator de lavagem, estanqueidade e características hidráulicas.

Os fabricantes de tubos seguem as exigências da American Society of Testing Materials (ASTM) ou da American Water Works Association (AWWA) quanto aos materiais específicos das tubulações. A especificação de padrões abrange a fabricação dos tubos e determina parâmetros como o diâmetro interno, carga (classes) e espessura da parede (schedule). Os métodos de construção da tubulação variam bastante de acordo com os materiais destas tubulações.

 

Capítulo 17 - Tecnologia sem Escavação e Reabilitação de Sistemas de Esgoto

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Capítulo

17

Tecnologia sem Escavação e

Reabilitação de Sistemas de Esgoto

R

eabilitação do sistema é a aplicação de tecnologias de reparo, reforma e substituição na infraestrutura a fim de restabelecer a funcionalidade de um sistema ou subsistema de águas servidas. À medida que a infraestrutura dos Estados Unidos envelhece, cada vez mais importância é dedicada à reabilitação dos sistemas de coleta e tratamento das águas servidas do país. Rachaduras, sedimentação, invasão de raízes de árvores e outras perturbações que se desenvolvem ao longo do tempo deterioram as tubulações e outras estruturas de transporte que compõem os sistemas de coleta das águas servidas. Essas condições de deterioração podem aumentar a quantidade de influxo e infiltração (I/I) que entram no sistema, especialmente durante os períodos chuvosos. O aumento dos níveis de I/I cria uma carga hidráulica adicional sobre o sistema e diminui a sua capacidade global. Além do escoamento de I/I, as

 

Capítulo 18 - Sistemas Alternativos de Coleta de Águas Servidas

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Capítulo

18

Sistemas Alternativos de

Coleta de Águas Servidas

Os sistemas de coleta convencionais transportam as águas servidas das residências ou outras fontes, escoando por gravidade através de sistemas subterrâneos até uma instalação de tratamento central.

Esses sistemas costumam ser confiáveis e não consumir energia. No entanto, os requisitos de declividade para manter o escoamento gravitacional adequado podem exigir escavações profundas em terrenos acidentados ou planos, bem como a adição de estações de bombeamento das águas servidas, as quais podem aumentar significativamente o custo dos sistemas de coleta convencionais. As câmaras de visita e outros equipamentos de esgoto também acrescentam custos substanciais aos sistemas de coleta convencionais.

No final da década de 1960, constatou-se que o custo dos sistemas convencionais de coleta por gravidade nas comunidades rurais diminuía os custos do tratamento e disposição final. Em resposta a essa condição, começaram os esforços em todos os Estados Unidos para desenvolver sistemas de esgoto de baixo custo destinados a atender as necessidades das comunidades rurais que constituíam mais de

 

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