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Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Civil e Engenharia Ambiental Aspectos Químicos de Qualidade da Água – 1/2014 – Turma A Professora: Cristina Celia Silveira Brandão Aluna: Marilia Candida Pinto Borges Matrícula: 12/0178061 Exercício Individual – Controle de Poluição das Águas O exercício proposto pede que sejam determinados: O perfil do Oxigênio Dissolvido no trecho do rio; A densidade de coliformes e a concentração do fósforo que chega ao reservatório e indicar os potenciais problemas da água do reservatório considerando seu uso para o abastecimento e risco de eutrofização; Se o rio atende os padrões da resolução CONAMA 357/05 caso o rio seja enquadrado na classe 2. Respostas Para traçar o perfil de Oxigênio Dissolvido (OD) é necessário utilizar o modelo de Streeter e Phelps: Onde Dt é o Déficit de Oxigênio que varia com o tempo. Deve-se ter o conhecimento que esse modelo não é válido quando as concentrações de OD são abaixo de zero, isso porque se trata de um meio anaeróbio e para esse trecho deve-se utilizar outro modelo específico para esse meio. Alguns parâmetros da equação ainda não são conhecidos, mas com os dados fornecidos é possível encontrá-los. O oxigênio de Saturação (ODSat) é encontrado na literatura com base na temperatura (fornecida nos dados = 20 °C) e na altitude que foi adotada como 500m: ODSat = 8,7 mg/L O oxigênio Dissolvido médio (ODm) é uma média ponderada dado por: Onde ODr e ODe são oxigênios dissolvidos do rio e do esgoto, respectivamente e Qr e Qe são as vazões do rio e do esgoto, respectivamente. A vazão do rio foi obtida por meio do cálculo segundo a matrícula do aluno e a vazão do esgoto obtida segundo a tabela apresentada. Qr = 4880 L/s Qe = 370 L/s Com esses dados é possível calcular o valor do ODm: ODm = (5,8*4880)+(0*370) / 4880+370 ODm = 5,4 mg/L A partir desse valor podemos definir o D0 que é o déficit no ponto de mistura (D0 = ODsat – ODm). D0 = 3,3 mg/L O L0 também é definido por meio de uma média ponderada, no entanto o exercício não fornece o dado da DBO1º estágio do esgoto, sendo necessário fazer o cálculo para que esse valor se torne conhecido. Onde o k1 dessa equação é diferente do k1 dado no exercício, logo esse valor é encontrado na literatura, sendo que seu valor varia para o tipo de esgoto que está sendo estudado. Como no exercício trata-se de um esgoto doméstico bruto o k1 assume: K1 = 0,17 Dessa forma: DBOue = 300/(1 – 10^-5*0,17) DBOue = 349,35 mg/L Conhecendo os valores da DBOu do rio e do esgoto é possível calcular o valor de Lo: Lo = (4,7*4880)+(349,35*370)/4880+370 Lo = 28,99 mg/L Com esses valores conhecidos a única incógnita que falta ser descoberta é o tempo. Como foi dada a velocidade do rio e a distância que ele percorre até chegar ao reservatório o tempo pode ser dado por: t = 130000/(0,17*86400) t = 8,85 dias (arredondado para 9 dias) Agora que todos os dados são conhecidos os valores são aplicados na equação de Streeter e Phelps. É importante ressaltar que Dt varia com o tempo e para isso será aplicado o tempo com espaços de 0,5 em 0,5 dias: TEMPO Dt 0,5 5,988178 1 7,897992 1,5 9,190299 2 9,996656 2,5 10,42433 3 10,56045 3,5 10,47552 4 10,22635 4,5 9,858413 5 9,407934 5,5 8,903534 6 8,367629 6,5 7,817589 7 7,266689 7,5 6,724899 8 6,199534 8,5 5,695788 9 5,217176 Tabela 1 – Déficit de oxigênio em função do tempo Para traçar o perfil do Oxigênio Dissolvido é necessário subtrair os valores de Dt, encontrados em função do tempo, do Oxigênio de Saturação, adotado como 8,7 mg/L devido à altitude escolhida. Com isso temos: TEMPO OD 0,5 2,711822 1 0,802008 1,5 0 2 0 2,5 0 3 0 3,5 0 4 0 4,5 0 5 0 5,5 0 6 0,332371 6,5 0,882411 7 1,433311 7,5 1,975101 8 2,500466 8,5 3,004212 9 3,482824 Tabela 2 – Oxigênio Dissolvido em função do tempo Gráfico 1 – Oxigênio Dissolvido em função do tempo Pode-se perceber que entre 1,5 dias e 5,5 dias o OD assume o valor de 0 (zero), isso porque quando é feita a diferença do valor de Dt do ODSat o valor obtido é negativo para esses dias, com isso é possível determinar esse trecho como um trecho anaeróbio. Depois de um tempo o OD se recupera e volta a subir, isso porque o meio está sempre se reaerando e em um dado momento passa a existir e o processo volta a ocorrer. Densidade de Coliformes Os microorganismos indicadores são adaptados para sobreviver no interior do intestino humano. Quando são colocados em um ambiente hostil, como o rio, ocorre o decaimento natural, pois esses microorganismos não são capazes de se reproduzirem em tais condições. A concentração dos coliformes fecais após o lançamento pode ser obtido por meio de uma média ponderada: Para o modelo apresentado a contagem de coliformes vai ser dada em duas etapas. A primeira refere-se a um regime hidráulico de Fluxo em Pistão no qual se adota a seguinte fórmula para o cálculo da concentração de coliformes: Onde: N0 = concentração de coliformes no tempo 0 (NMP/100ml) Kb = constante de decaimento, normalmente se adota o valor de 1d-1 t = tempo (em dias) Nesse modelo o tempo de decaimento é dado por: Com o conhecimento de todas as variáveis da equação é possível obter o decaimento dos coliformes ao longo do rio. N0 = ((1*10^3)*(4880*0,001))+((1*10^8)*(370*0,001))/((4880+370)*0,001) N0 = 7048549 org/100 mL Como a velocidade do rio é 0,17 m/s, o tempo de decaimento é 8,85 dias, que coincide com o tempo utilizado para a determinação do OD. Nesse caso, o parâmetro a ser analisado é o decaimento dos coliformes ao longo do rio, portanto será necessário encontrar tempos diferentes para cada distância. Distância (km) Tempo 0 0 5 0,340413943 10 0,680827887 15 1,02124183 20 1,361655773 25 1,702069717 30 2,04248366 35 2,382897603 40 2,723311547 45 3,06372549 50 3,404139434 55 3,744553377 60 4,08496732 65 4,425381264 70 4,765795207 75 5,10620915 80 5,446623094 85 5,787037037 90 6,12745098 95 6,467864924 100 6,808278867 105 7,14869281 110 7,489106754 115 7,829520697 120 8,169934641 125 8,510348584 130 8,850762527 Tabela 3 – Tempo de decaimento em função da distância Com os valores do tempo e do No pode-se calcular a concentração dos coliformes e dessa forma avaliar o decaimento desses microorganismos ao longo do rio: Distância (km) N (número de coliformes) 0 7048548,571 5 5014871,389 10 3567959,389 15 2538516,586 20 1806092,995 25 1284991,37 30 914240,2003 35 650459,7332 40 462786,3273 45 329261,2498 50 234261,395 55 166671,302 60 118582,5898 65 84368,63713 70 60026,23948 75 42707,21382 80 30385,14703 85 21618,29531 90 15380,89289 95 10943,13232 100 7785,77329 105 5539,3889 110 3941,140878 115 2804,026167 120 1994,996623 125 1419,391721 130 1009,862791 Tabela 3 – Número de coliformes ao longo do rio Gráfico 2 – Decaimento de coliformes ao longo do rio N130 = 1009,86org/100mL No ponto de lançamento, a concentração máxima de coliformes fecais deverá ser 1000org/100mL, correspondente ao padrão para a Classe 2. Utilizando-se a equação da concentração da mistura, obtém-se a concentração máxima desejável no esgoto bruto: Se No = 1000, temos: 1000 = ((1*10^3)*(4880*0,001))+((NMPe)*(370*0,001))/((4880+370)*0,001) NMPe = 1000org/100mL A eficiência requerida para a remoção dos coliformes fecais é: E = (7048549 – 1000)/7048549 E = 99,98% Será necessária a elevada eficiência de 99,98% na remoção de coliformes fecais no tratamento. Tal eficiência não é alcançadanos processos de tratamento convencionais, requerendo uma etapa especifica de remoção de coliformes. A segunda parte refere-se a um regime hidráulico de Mistura Completa que é ditada pela seguinte equação: Onde: N0 = concentração de coliformes no tempo 0 (NMP/100ml) Kb = constante de decaimento, normalmente se adota o valor de 1d-1 t = tempo de detenção (em dias) Nesse modelo o diferencial está na determinação do tempo que é determinado diretamente por: Para esse momento é necessário atentar-se ao fato de que a vazão do rio é influenciada pela vazão retirada na irrigação, sendo assim determinada: Qr = (Qr + Qe) – Qi Dessa forma a vazão a ser utilizada será: Qr = (4880+370) – 288 Qr = 4962 L/s Assim o tempo de detenção será: t = (8*10^7)/((4962*0,001)*86400) t = 186,60 dias Como o valor de No é o mesmo, pode-se aplicar a fórmula e descobrir os coliformes para esse caso: N = 7048549/(1+(1,0*186,60)) N = 37572,22 org/100 mL O valor máximo permitido na legislação CONAMA 357/05 é de 1000 org/100 mL. Se for feita a substituição é possível conhecer o N0 máximo que o corpo d’água pode suportar: Se N = 1000, temos: 1000 = N0/(1+(1,0*186,60)) N0 = 187600 org/100 mL A concentração máxima de esgoto pode ser obtida se aplicado esse novo valor na média ponderada: Onde: 187600 = ((1*10^3)*(4880*0,001))+((NMPe)*(370*0,001))/((4880+370)*0,001) NMPe = 2648702,70 org/100 mL A eficiência requerida é: E = (7048549 - 2648702,70)/7048549 E = 62,42% Esta eficiência é inferior à requerida na primeira etapa e isso se deve ao elevado tempo de detenção na represa comparado ao reduzido tempo no rio.7 Concentração de Fósforo A concentração de fósforo que chega ao reservatório deve ser avaliada para evitar que o mesmo seja eutrofizado, ou seja, para evitar que haja o crescimento excessivo de plantas aquáticas a níveis que causam interferências nos usos desejáveis. Para o conhecimento dessa concentração é necessário, por motivos de segurança, que se assuma que todo o fósforo lançado no rio chega à represa. Dessa forma utiliza-se a seguinte equação: Onde: L = carga afluente de fósforo (KgP/ano) V = Volume da represa (m³) t = Tempo de detenção hidráulica (ano) A carga afluente é dada pela média ponderada, onde: O tempo de detenção hidráulica é dado por: A vazão nesse caso é a vazão da mistura dada em m³/ano: Qm = 165564000000 L/ano Qm = 165564000000000 m³/ano O volume é de 8*10^7 m³, com isso: t = 4,83*10^-7 anos A concentração após a mistura é dada pela média ponderada da vazão pela concentração de fósforo: [P] = (4880*0) + (370*3,5)/(4880+370) [P] = 0,25mg/L A carga afluente é dada por: L = 0,25*165564000000 L = 41391kg/ano A concentração de fósforo no reator é dada pela a equação inicial: P = 2,5*10^-7kg/m³ P = 2,5*10^-4mg/m³ Como a concentração de fósforo está abaixo de 5mg/m³ este meio, baseado apenas na concentração de fósforo, é Oligotrófico. Com isso o efluente pode ser utilizado para abastecimento com água potável. O esperado é que não haja quase nenhum desenvolvimento de algas pela deficiência de fósforo, o que constitui um problema para a concentração de OD, embora o tempo de detenção seja muito pequeno (t = 0,0002 dias). Padrões Resolução CONAMA357/05 Conforme a Resolução CONAMA 357/05 o Oxigênio Dissolvido não pode ser inferior a 5mg/L. no exercício o OD máximo 5,4mg/L o que está dentro do padrão estabelecido. O NMP da mistura 0,7*10^7org/100mL o que não atende ao padrão de 1000org/100mL. O padrão para o fósforo é de até 0,030mg/L em ambientes lênticos e 0,050mg/L em ambientes intermediários. A concentração de fósforo para o exercício foi de 2,5*10^-4mg/m³ no tempo de 0,0002 dias, o que está dentro do padrão estabelecido.
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