Autodepuração da água

Prévia do material em texto

AUTODEPURAÇÃO DOS CURSOS DE 
ÁGUA: CURVA DE DEPRESSÃO DE OXIGÊNIO 
Conceito 
O processo de autodepuração é responsável 
pela recuperação dos níveis de oxigênio 
dissolvido nas águas correntes e está 
basicamente correlacionado com a 
decomposição biológica que ocorre 
naturalmente nos cursos d’água(DUTRA, 2014) 
Fatores que interferem no processo 
• Temperatura 
• Concentração de saturação do oxigênio 
dissolvido na água 
• Velocidade do curso d’água 
• Vazão 
 
Curva de depressão de 
oxigênio 
 
Curva de depressão de oxigênio em 
diversas condições de autodepuração 
 
Autodepuração 
• Zona de Degradação 
• Zona de Decomposição Ativa 
• Zona de Recuperação 
• Zona de Águas Limpas 
Características das zonas de autodepuração 
Zona de Degradação: 
 
• Início  ponto de lançamento dos despejos; 
• Água turva (cor acinzentada); 
• Precipitação de partículas  lodo no leito do corpo d’água; 
• Proliferação de bactérias (consumo de matéria orgânica); 
• Redução da concentração de oxigênio dissolvido; 
• Limite da 1ª zona  concentração de oxigênio atinge 40% da 
concentração inicial; 
• Não há odor; 
• Presença de oxigênio não permita a decomposição aneróbia. 
Autodepuração 
• Zona de Degradação 
• Zona de Decomposição Ativa 
• Zona de Recuperação 
• Zona de Águas Limpas 
Características das zonas de autodepuração 
Zona de Decomposição Ativa: 
 
• Início  oxigênio atinge valores inferiores a 40% da concentração de 
saturação; 
• Água  cor cinza-escura, quase negra; 
• Bancos de lodos no fundo em ativa decomposição anaeróbia; 
• Desprendimento de gases mal cheirosos (amônia, gás sulfídrico, outros); 
• Oxigênio dissolvido  pode zerar ou “ficar negativo”; 
• Biota aeróbia é substituída por outra anaeróbia; 
• Ambiente fétido e escuro; 
• Oxigênio passa a ser reposto  ar atmosférico ou fotossíntese; 
• População de bactérias  decresce; 
• Água começa a ficar mais clara (ainda impróprio p/ os peixes); 
• Fim da 2ª zona  oxigênio elevar-se a 40% da conc. de saturação. 
Autodepuração 
• Zona de Degradação 
• Zona de Decomposição Ativa 
• Zona de Recuperação 
• Zona de Águas Limpas 
Características das zonas de autodepuração 
Zona de Recuperação: 
 
• Início  40% de oxigênio de saturação; 
• Término  água saturada de oxigênio; 
• Água  mais clara e límpida; 
• Proliferação de algas que reoxigenam o meio; 
• Amônia  oxidada a nitritos e nitratos (+ fosfatos fertilizam o meio, 
favorecendo a proliferação de algas); 
• Cor esverdeada intensa (alimento p/ crustáceos, larvas de insetos, 
vermes, outros., que servem de alimentos p/ os peixes); 
• Diversificação da biocenose. 
Autodepuração 
• Zona de Degradação 
• Zona de Decomposição Ativa 
• Zona de Recuperação 
• Zona de Águas Limpas 
Características das zonas de autodepuração 
Zona de Águas Limpas: 
 
• Água  características diferentes das águas poluídas; 
• Água encontra-se “eutrófica”; 
• Não é limpa, devido a presença das algas (cor verde); 
• Água  recuperou-se, melhorou suas capacidade de produzir 
alimento protéico (piorou no quesito de potabilidade); 
• Péssimo aspecto estético; 
• Grande assoreamento nas margens; 
• Invasão de plantas aquáticas indesejáveis. 
Cálculo do perfil de oxigênio: Modelo de 
Streeter-Phelps para autodepuração de um rio 
• Vazão do rio, a montante do lançamento (Qr); 
• Vazão de esgotos (Qe); 
• Oxigênio dissolvido no rio, a montante do lançamento (ODr); 
• Oxigênio dissolvido no esgoto (ODe); 
• DBO5
 no rio, a montante do lançamento (DBOr); 
• DBO5 do esgoto (DBOe); 
• Coeficiente de desoxigenação (K1); 
• Coeficiente de reareação (K2); 
• Tempo de percurso (t); 
• Velocidade de percurso do rio (V); 
• Concentração de saturação de OD (Cs); 
• Oxigênio dissolvido mínimo permissível (ODmin). 
 
Vazão do rio a montante do lançamento 
(Qr) 
 Qr geralmente dado. Parâmetro de projeto. 
 
• A vazão Q usada é a conhecida vazão 
ecológica também chamada de Q7,10 com sete 
dias consecutivas e período de retorno de 10 
anos. 
• A vazão Q7,10 é usada como a vazão mínima 
nos projetos de avaliação das cargas 
poluidoras. 
 
 
Vazão do rio a montante do lançamento 
(Qr) 
 Qr geralmente dado. Parâmetro de projeto. 
 
Quando for dada a descarga específica , a vazão 
do rio fica determinada partir deste dado e da 
área da bacia: 
 
 Qr (L/s): descarga específica (L/s.Km2 )x área da bacia(Km2 ) 
 
Vazão de esgotos (Qe) 
 
Qe Parâmetro de projeto. 
 
• vazão de esgotos considerada em estudos de 
autodepuração é usualmente a vazão média, sem 
coeficientes para a hora e o dia de menor consumo. 
• A vazão de esgotos é obtida através dos procedimentos 
convencionais, utilizando-se dados de população, 
contribuição per capita, infiltração, contribuição 
específica (no caso de despejos industriais), outros. 
 
 
 
Vazão de esgotos (Qe) 
 
Qe Parâmetro de projeto. 
 
• vazão de esgotos considerada em estudos de 
autodepuração é usualmente a vazão média, sem 
coeficientes para a hora e o dia de menor 
consumo. 
• A vazão de esgotos é obtida através dos 
procedimentos convencionais, utilizando-se 
dados de população, contribuição per capita, 
infiltração, contribuição específica (no caso de 
despejos industriais), outros. 
 
 
 
Vazão de esgotos (Qe) 
 
QdMéd= população x QPC x R 
 __________________ (m
3/d) 
 
 1000 
QdMéd= população x QPC x R 
 __________________ ( l/s ) 
 
 86400 
Em que: 
 
 QdMéd = vazão média de esgotos (m
3 /dia) 
 
População = número de habitantes responsável pelo consumo 
de água (hab) 
 
QPC = quota per capita de água consumida (L/hab.d) que pode 
ser calculada ou obtida de Tabela 
 
R = coeficiente de retorno esgoto/água (variável de 0,6 a 1,0. 
Esse valor é adotado comumente como 0,8). 
 
Vazão de esgotos (Qe) 
 
Porte População (hab) QPC (L/hab.dia) 
Povoado rural < 5.000 090 – 140 
Vila 5.000 a 10.000 100 – 160 
Cidade pequena 10.000 – 50.000 110 – 180 
Cidade média 50.000 – 250.000 120 – 220 
Cidade grande > 250.000 150 - 300 
Valores típicos de consumo de água per capita 
Fonte: von Sperling, (1996) 
Exemplo: Estimar a vazão média de esgotos (em 
(m
3 /dia) de uma cidade com população de 
13.500 habitantes. Considerar o coeficiente de 
retorno esgoto/água: 0,8. 
Oxigênio dissolvido no rio a montante do 
lançamento (ODr) 
Odr é um dado experimental que expressa as 
condições do corpo de água em termos de 
oxigênio dissolvido. Caso não haja possibilidade 
de levantamento desta informação adota-se o 
valor de 90% do correspondente ao OD de 
saturação , para as condições de temperatura e 
altimetria local. 
 
 Odr  0,9 x Cs (mg/L) 
Concentração de saturação de OD – Cs ( mg/L) 
 Altitude (m) 
Temperatura(oC) 0 500 1000 1500 
10 11,3 10,7 10,1 9,5 
11 11,1 10,5 9,9 9,3 
12 10,8 10,2 9,7 9,1 
13 10,6 10,0 9,5 8,9 
14 10,4 9,8 9,3 8,7 
15 10,2 9,7 9,1 8,6 
16 10,0 9,5 8,9 8,4 
17 9,7 9,2 8,7 8,2 
18 9,5 9,0 8,5 8,0 
19 9,4 8,9 8,4 7,9 
20 9,2 8,7 8,2 7,7 
21 9,0 8,5 8,0 7,6 
22 8,8 8,3 7,9 7,4 
23 8,7 8,2 7,8 7,3 
24 8,5 8,1 7,6 7,2 
25 8,4 8,0 7,5 7,1 
26 8,2 7,8 7,3 6,9 
27 8,1 7,7 7,2 6,8 
28 7,9 7,5 7,1 6,6 
29 7,8 7,4 7,0 6,6 
30 7,6 7,2 6,8 6,4 Fonte: von Sperling, (1995) 
Exemplos: 
Completar a Tabela com o valor de OD (mg/L) 
dos seguintes locais: 
 
Cidade/Estado Temperatura 
média anual 
(oC) 
Altitude (m) Cs (mg/L) OD(mg/L) 
Goiânia/GO 23,2 749 
Salvador/BA 25 8,3 
Curitiba/PR 16,8 934 
Belo Horizonte/MG 21 852 
Campo Grande /MS 22,8 592 
Oxigênio dissolvido no esgoto (Ode ) 
Ode depende do tipo de esgoto e do nível de 
oxigênio presente. 
Os teores de oxigênio dissolvido são normalmente 
nulos ou próximos a zero. Isto se deve à grande 
quantidade de matéria orgânica presente, 
implicando em um elevado consumo de oxigênio 
pelos microrganismos decompositores.Assim, 
adota-se usualmente, nos cálculos de 
autodepuração, o OD do esgoto bruto como zero. 
Oxigênio dissolvido no esgoto (Ode ) 
Caso o esgoto seja tratado, as seguintes considerações podem ser 
efetuadas: 
- Tratamento primário. Efluentes de tratamento primário podem ser 
admitidos como tendo OD igual a zero. 
- Tratamento anaeróbio. Efluentes de processos anaeróbios de 
tratamento possuem também um OD igual a zero. 
- Lodos ativados e filtros biológicos. Efluentes desses sistemas 
sofrem uma certa aeração nos vertedores de saída dos decantadores 
secundários, podendo o OD subir a 2 mg/L ou mais. Se o emissário 
de lançamento final for longo, este oxigênio poderá vir a ser 
consumido, face à DBO remanescente do tratamento. 
- Lagoas facultativas. Efluentes de lagoas facultativas podem 
apresentar teores médios de OD elevados, em torno de 5 a 6 mg/L 
face à produção de oxigênio puro pelas algas. 
 
DBO5
 no rio, a montante do lançamento (DBOr) 
 DBOr é obtida a partir de levantamentos se amostra da água e 
determinação da concentração. 
Na ausência de dados específicos. 
Fonte: Klein,(1962 apud von Sperling , 1995) 
Condição do rio DBO5 do rio (mg/L) 
Bastante limpo 1 
Limpo 2 
Razoavelmente Limpo 3 
Duvidoso 5 
Ruim >10 
 Valores de DBO5 em função das características do curso d'água 
 
 
DBO5 do esgoto (DBOe) 
 
 
DBOe é obtida a partir de levantamentos se amostra da água e 
determinação da concentração. É um dado conhecido. 
Na ausência de dados específicos. 
1 - A concentração da DBO5 dos esgotos domésticos brutos tem um 
valor médio da ordem de 300-350 mg/L (mg/L= g/m3). 
2 - Pode-se estimar a DBO dos esgotos domésticos através da 
divisão entre a carga de DBO (kgDBO/d) e a vazão de esgotos (m3/d). 
 
 
 
3 - Pode-se estimar também a DBO dos esgotos domésticos através 
da divisão entre per capita de DBO ( da ordem de 45 a 60 g DBO5 
/hab.d, usualmente adota 54 DBO5 /hab.d ) pela produção per 
capita de esgotos ( em torno de 120-220 l/hab.d) 
Concentração (g/m3 ) = Carga (kgDBO/d). 1000(g/kg) 
 ________________________ 
 Vazão (m3/d) 
 
 
DBO5 do esgoto (DBOe) 
 
 
4 – Para efluentes tratados , deve-se considerar a redução de DBO 
através da eficiência do tratamento. 
 
 
Onde: 
DBOefl = DBO5 do esgoto do efluente do tratamento (mg/L) 
DBOe = DBO5 do esgoto afluente(mg/L) 
E = Eficiência do tratamento na remoção da DBO5 (%) 
DBOefl = (1- E/100) x DBOe 
 
 
DBO5 do esgoto (DBOe) 
 
 Sistema de tratamento Eficiência na remoção de DBO (%) 
Tratamento primário 35 – 40 
Lagoa facultativa 70 – 85 
Lagoa anaeróbia-lagoa facultativa 70 – 90 
Lagoa aerada facultativa 70 – 90 
Lagoa aerada de mistura completa-lagoa de 
decantação 
70 – 90 
Lodos ativados convencional 85 – 93 
Aeração prolongada 93 – 98 
Filtro biológico (baixa carga) 85 – 93 
Filtro biológico (alta carga) 80 – 90 
Biodisco 85 – 93 
Reator anaeróbio de manta de lodo 60 – 80 
Fossa séptica-filtro anaeróbio 70 – 90 
Infiltração lenta no solo 94 – 99 
Infiltração rápida no solo 86 – 98 
Infiltração subsuperficial no solo 90 – 98 
Escoamento superficial no solo 85 – 95 
Eficiências típicas de diversos sistemas na remoção da DBO 
Fonte: (von Sperling , 1995) 
Exemplo: 
Qual a DBO esgoto presente no esgoto que é 
lançada em um rio, com as seguintes 
características: 
Vazão esgoto: 2500 m3/dia 
carga orgânica: 450.000 Kg/dia 
DBO esgoto:??????? 
 
 
 
Resposta:180 Kg/ m3 
 
O coeficiente de desoxigenação K1 depende do 
tipo da matéria orgânica e do grau de 
tratamento, além da temperatura e da 
presença de outras substâncias. Efluentes 
tratados, por exemplo, possuem uma taxa de 
degradação mais lenta, pelo fato da maior parte 
da matéria orgânica mais facilmente assimilável 
já ter sido removida, restando apenas a parcela 
de estabilização mais vagarosa. 
 
Coeficiente de desoxigenação (K1) 
 
O valor da K1 depende da temperatura e do tipo 
de esgoto, pois exerce uma grande influência no 
metabolismo microbiano. Valores médio de K1 , 
a 200C encontram-se apresentados na tabela. 
ORIGEM K1 (DIA
-1 ) 
Esgoto bruto concentrado 
 
0,35 – 0,45 
 
Esgoto bruto de baixa concentração 
 
0,30 – 0,40 
 
Efluente primário 
 
0,30 – 0,40 
 
Efluente secundário 
 
0,12 – 0,24 
 
Curso d’água com águas limpas 
 
0,08 – 0,20 
 
Fonte: Sperling (2007) 
 
Coeficiente de desoxigenação (K1) 
 
K1T(t
oC) = k1(20
oC).1,047(T-20) 
Logo k1 a qualquer temperatura será: 
Onde: 
K1T : a uma temperatura T qualquer (d
-1 ) 
 
k1(20
oC): a uma temperatura T = 20oC (d-1 ) 
 
T : Temperatura do líquido (oC ) 
 
 
 
Coeficiente de reaeração (K2) 
 
 
Coeficiente de reaeração (K2) 
 
 
Coeficiente de reaeração (K2) 
 
 
Coeficiente de reaeração (K2) 
 
 
 
 
Coeficiente de reaeração (K2) 
 
Pesquisador Fórmula Faixa de aplicação 
O´Connor e Dobbins 
(1956) 
0,3m<H<9,14m 
0,15m/s<V<0,49m/s 
Churchill et al (1962) 
0,61m<H<3,35m 
0,55m/s<V<1,52m/s 
Owens et al. (1964) 
0,12m<H<0,73m 
0,03m/s<V<0,55m/s 
51
50
a
H
V
933k
,
,
, 
671a H
V
0265k
,
, 
851
670
a
H
V
325k
,
,
, 
Ka = K2 (dia
-1) 
V = Velocidade média do curso d´água (m/s) 
H = Altura média da lâmina d´água (m) 
Fonte: Chapra (1997) 
Valores de coeficiente K2 segundo modelos baseados em dados hidráulicos (base e, 20
oC) 
 
Coeficiente de reaeração (K2) 
 
Valores correlacionados com a vazão do curso de água 
A relação de K2 com Q pode ser descrito pela forma: 
K2 = m.Q
n 
m e n são coeficientes de ajustes 
Influencia da temperatura no K2 pode ser expressa pela 
fórmula: 
 
Coeficiente de reaeração (K2) 
 
K2T(t
oC) = k2(20
oC).1,024(T-20) 
Onde: 
K2T : a uma temperatura T qualquer (d
-1 ) 
 
k2(20
oC): a uma temperatura T = 20oC (d-1 ) 
 
T : Temperatura do líquido (oC ) 
Caso haja cascatas naturais com 
quedas de água livres: 
 
Coeficiente de reaeração (K2) 
 
Ce = C0  K.(CS - C0 ) 
 
K= 1 – 1,343. H-0,128. (CS -C0)
0,093 
Onde: 
Ce : Concentração de efluentes da cascata (mg/L) 
C0 : Concentração de afluentes da cascata (mg/L) 
k: Coeficiente de eficiência(- ) 
CS : Coeficiente de saturação de OD (mg/L) 
H : Altura da queda livre (m) 
 
 
 
Tempo de percurso (t) 
 Tempo que uma partícula gasta para percorrer determinado 
trecho do rio. 
Utiliza-se a seguinte expressão: 
 
 d 
 t  _______________ 
 v.86400 
Onde: 
t : Tempo de percurso (d) 
d : Distância percorrida (m) 
v: Velocidade do curso de água (m/s) 
86400: número de segundos por dia (s/d) 
Pode ser estimada pelos seguintes métodos: 
Medição direta no curso de água; 
Obtenção de dados de estações 
fluviométricas; 
Utilização de fórmulas hidráulicas para canais; 
Correlação com a vazão. 
 
Velocidade de percurso do rio (V) 
 
Concentração de saturação de OD (Cs) 
O Valor de Cs é função da temperatura da água 
e da altitude; 
Elevação da temperatura reduz a concentração 
de saturação; 
Aumento da altitude reduz a concentração da 
saturação. 
Onde: 
Cs = concentração de saturação [mg/L]. 
Cr = concentração de OD [mg/L] no tempo t [dia]. 
Cc = concentração de OD [mg/L] no pior cenário do rio. 
Co = concentração de OD [mg/L] na mistura. 
Tc = tempo crítico [dia]. 
Dc = déficit de OD [mg/L] no tempo crítico [dia]. 
Do = déficit de OD [mg/L] na mistura. 
Fonte: Von Sperling (2005). 
Variação temporal de OD para uma única fonte de lançamento de esgotos 
Concentração de saturação de OD – Cs ( mg/L) 
 Altitude (m) 
Temperatura(oC) 0 500 1000 1500 
10 11,3 10,7 10,1 9,5 
11 11,1 10,5 9,9 9,3 
12 10,8 10,2 9,7 9,1 
13 10,6 10,0 9,5 8,9 
14 10,4 9,8 9,3 8,7 
15 10,2 9,7 9,1 8,6 
16 10,0 9,5 8,9 8,4 
17 9,7 9,2 8,7 8,2 
18 9,5 9,0 8,5 8,0 
19 9,4 8,9 8,4 7,9 
20 9,2 8,7 8,2 7,7 
21 9,0 8,5 8,07,6 
22 8,8 8,3 7,9 7,4 
23 8,7 8,2 7,8 7,3 
24 8,5 8,1 7,6 7,2 
25 8,4 8,0 7,5 7,1 
26 8,2 7,8 7,3 6,9 
27 8,1 7,7 7,2 6,8 
28 7,9 7,5 7,1 6,6 
29 7,8 7,4 7,0 6,6 
30 7,6 7,2 6,8 6,4 
Fonte: von Sperling, (1995) 
Concentração de saturação de OD – Cs ( mg/L) 
Uma fórmula frequentemente empregada para é (Popel, 1979): 
 
Cs = 14,652- 4,1022x10 
-1  7,9910x10 -3 . T2 – 7,7774x10 -5 . T3 
A influência da altitude pode ser computada pela seguinte relação: 
 
 
fH = CS
´ /Cs = (1 – H/9450) 
 
Onde: 
fH = fator de correção da concentração de saturação de OD pela altitude (-) 
 CS
´ = concentração de saturação de OD na altitude H (mg/L) 
Cs = concentração de saturação de OD (mg/L) 
H =altitude (m) 
Oxigênio dissolvido mínimo permissível (ODmin) 
É dada em função do enquadramento dos 
corpos de água segundo legislação CONAMA n0 
 357/2005 e 430/2011. 
 Classe OD min(mg/L) 
Especial Não permitido lançamento 
 1 não inferior a 6 mg/L O2 
 
2 não inferior a 5 mg/L O2 
3 não inferior a 4 mg/L O2 
4 superior a 2,0 mg/L O2 
Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto 
bruto ao ser lançado no rio 
Concentração de OD da mistura (Cm) 
 Qr x Odr  Qe x Ode 
 Cm  ________________ 
 Qr  Qe 
D0 Déficit de Oxigênio ( D0 ) 
 
D0  Concentração de saturação de oxigênio - Cm 
Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto 
bruto ao ser lançado no rio 
Concentração da matéria orgânica na mistura (DBOm) 
 Qr x DBOr  Qe x DBOe 
 DBOm (mg/L)  ________________ 
 Qr  Qe 
Tempo Crítico( tc ) em dias  quando ocorre a concentração mínima de OD 
tc  1/ K2 x K1 . ln K2 / K1 x 1 - D0 x (K2 - K1 ) 
 ___________ 
 DBOm x K1 
Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto 
bruto ao ser lançado no rio 
Distância Crítica (dc) 
dc  tempo crítico (dia) x velocidade da água (m/s) x 86400 (s/dia) 
Déficit Crítico de OD ( Dc ) 
Dc (mg/l)  K1 / K2 x DBOm x e
- K1 x tc 
 
Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto 
bruto ao ser lançado no rio 
Concentração crítica de oxigênio (ODc) 
ODc  CS - Dc 
Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto 
bruto ao ser lançado no rio 
 O traçado do perfil de OD em função do lançamento despejo , 
calcula-se pela equação: 
 
 
OD  CS -  K1 x DBOm / K2 - K1 (e
- K1 x t - e- K2 x t )  D0 x e
- K2 x t  
 
 
Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto 
bruto ao ser lançado no rio 
Concentração crítica de oxigênio (ODc)