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Modelo Simplificado de Qualidade da água: Autodepuração Matéria orgânica – Corpo aquático Consumo de oxigênio dissolvido Autodepuração: é o fenômeno no qual o meioAutodepuração: é o fenômeno no qual o meio aquático restabelece seu equilíbrio por meio de mecanismos essencialmente naturais, após as alterações induzidas pelos despejos de afluentes. Compostos orgânicos são transformados em compostos inertes e não prejudiciais do ponto de vista ecológico Consumo de Oxigênio Dissolvido 1) Oxidação da matéria orgânica Esgotos – matéria orgânica em suspensão (forma lodo de fundo) e dissolvida (permanece na fase líquida) Matéria orgânica+O2+bactérias CO2+H2O+bactérias+energia As bactérias consomem o OD para converter a MO em compostos simples e inertes, como água e gás carbônico. Elas tendem a crescer e reproduzir gerando mais bactérias enquanto houver disponibilidade de alimento MO e oxigênio no meio Consumo de Oxigênio Dissolvido 2) Demanda bentônica: é a demanda de oxigênio gerada pelo lodo de fundo Lodo de fundo – precisa ser estabilizado Parte da estabilização em condições anaeróbias = difícil penetração de OD Pode ocorrer revolvimento de lodo e aumento da demanda de OD É difícil de quantificar Amônia + O2 nitrito + H+ + H2O + energia Consumo de Oxigênio Dissolvido 3) Nitrificação: Oxidação das formas de N consome OD Este consumo de OD é chamado de demanda nitrogenada ou de segundo estágio, por ser mais lenta que a desoxigenação carbonácea. Isto pode ser explicada uma vez que as bactérias nitrificantes possuem crescimento mais lento. Nitrito + O2 nitrato + energia Produção de Oxigênio Dissolvido 1) Reaeração atmosférica: pode ser considerado o principal fator para reintrodução de OD Transferência de gases é um fenômeno físico no qual as moléculas de gases são intercambiadas entre o líquido e o gás na fase líquida, caso esta fase nãolíquido e o gás na fase líquida, caso esta fase não esteja saturada. Se as concentrações de OD estão abaixo da saturação diz-se que há um Déficit de oxigênio = portanto há uma busca por uma nova situação de equilíbrio a)Difusão molecular: água parada b) Difusão turbulenta: água movimentada Produção de Oxigênio Dissolvido 2) Fotossíntese: é o principal processo empregado pelos seres autotróficos para a síntese de matéria orgânica na presença de luz CO + H O + energia luminosa MO + OCO2 + H2O + energia luminosa MO + O2 A respiração apresenta uma reação exatamente oposta a esta Modelos simplificados Os dois principais fenômenos incorporados são: a) Consumo de OD: oxidação da MO (respiração) b) Produção de OD: reaeração atmosférica Representação Hidráulica a) Fluxo em pistão: rio no qual o corpo d´água é predominantemente linear, a qualidade da água é apredominantemente linear, a qualidade da água é a mesma em todos os pontos funciona como um pistão b) Mistura completa c) Fluxo disperso Geralmente recurso hídrico apresentam uma dispersão intermediária entre dispersão total (mistura completa) e dispersão nula (fluxo em pistão) Representação Hidráulica Os corpos d´água podem ser caracterizados por um coeficiente de dispersão. - Coeficientes elevados aproximam o curso de água ao regime de mistura completa - Coeficientes elevados aproximam o curso de água ao regime de mistura completaao regime de mistura completa - Podemos considerar o curso de água como sendo fluxo em pistão, ou seja, suficiente para a maior parte das situações. Zonas de autodepuração - A autodepuração é um processo que se desenvolve ao longo do tempo. Considerando a dimensão do curso d´água receptor como predominantemente longitudinal, pode ser identificado as seguintes zonas:seguintes zonas: i) Zona de degradação ii) Zona de decomposição ativa iii) Zona de recuperação iv) Zona de águas limpas i) Zona de degradação: inicia-se logo após o lançamento das águas residuais no recurso hídrico. Contém portanto elevadas concentrações de matéria orgânica. - Aspectos estéticos = a água apresenta-se turva com sólidos presentes nos esgotos. A sedimentação resulta em bancos de lodo.sedimentação resulta em bancos de lodo. - Matéria orgânica e OD = o início da decomposição pode ser lento e portanto há OD suficiente para sobrevivência dos peixes. Após a adaptação dos microorganismos a taxa de consumo de matéria orgânica atinge o seu máximo, implicando também na taxa máxima de consumo de OD. i) Zona de degradação: Inicia-se a proliferação bacteriana com uma predominância maciça das formas aeróbias, ou seja, que dependem do OD disponível no meu para os seus processos metabólicos. Uma vez que possuem alimento em abundância na forma depossuem alimento em abundância na forma de matéria orgânica introduzida pelos despejos e com suficiente OD para sua respiração, têm amplas condições para o desenvolvimento e reprodução. A concentração de matéria orgânica é máxima no ponto de lançamento e, devido à decomposição pelos MO tende a decrescer. i) Zona de degradação: Há um aumento nas concentrações de CO2, que pode ser convertido a ácido carbônico na água tornando a água mais ácida, diminui o pH. No lodo de fundo tende a permanecer as condiçõesNo lodo de fundo tende a permanecer as condições anaeróbias (ausência de OD), ocorre produção de H2S, potencial gerador de odores desagradáveis. Os compostos nitrogenados complexos apresentam-se ainda em altos teores, embora já ocorra a conversão de grande parte dos mesmos a amônia. i) Zona de degradação: Comunidade aquática: há uma sensível diminuição do número de espécies de seres vivos, embora o número de indivíduos é bastante elevado caracterizando um ecossistema perturbado. ii) Zona de decomposição ativa: Microorganismos desempenham sua função máxima decompondo a matéria orgânica. A qualidade da água apresenta o seu estado mais deteriorado. Observa-se acentuada coloração na água e os depósitos de lodo escuro no fundo. ii) Zona de decomposição ativa: - O OD atinge sua menor concentração, podendo em função da quantidade de esgoto adicionado ser totalmente consumido pelos microorganismos. Predominância de organismos anaeróbios.anaeróbios. - Reduz-se o número de bactérias decompositoras, redução na disponibilidade de alimento devido a MO já estar em parte estabilizada. Outros fatores como luz, floculação, adsorção e precipitação também auxiliam na redução. - Se houver reações anaeróbias os sub-produtos serão: CO2, H2O, CH4, H2S, mercaptanas... ii) Zona de decomposição ativa: - O N apresenta-se ainda na forma orgânica, embora a maior parte já se encontre na forma de amônia. No final da zona com a presença de OD pode iniciar-se a oxidação de amônia a nitrito.nitrito. - O número de bactérias começa a diminuir rapidamente. iii) Zona de recuperação - Após a fase de intenso consumo de matéria orgânica e de degradação do ambiente aquático, inicia-se a etapa de recuperação. - A água está mais clara e a sua aparência geral apresenta-se grandemente melhorada. Osapresenta-se grandemente melhorada. Os depósitos de lodo sedimentado no fundo apresentam uma textura mais granulada e não tão fina, não havendo mais desprendimento de gases ou de mau cheiro. iii) Zona de recuperação - A matéria orgânica intensamente consumida nas zonas anteriores já se encontra grandemente estabilizada (transformada em compostos inertes). Isto implica que o consumo de OD pela respiração bacteriana seja reduzido. Ocorre umrespiração bacteriana seja reduzido. Ocorre um aumento na concentração de OD pela reaeração atmosférica. Ocorre mudanças na fauna e flora devido a não predominância das condições anaeróbias. - A amônia é convertida a nitritos e nitratos. Os compostos de fósforo são transformados em fosfatos, ocorrefertilização do meio – algas. iii) Zona de recuperação - Devido a presença de nutrientes e à maior transparência da água há condições para o desenvolvimento das algas. Ocorre produção de OD pela fotossíntese, bem como maior diversificação da cadeia alimentar em razão dodiversificação da cadeia alimentar em razão do desenvolvimento de microorganismos heterotróficos que delas se alimentam. - O número de bactérias apresenta-se reduzido, porém as algas estão em plena reprodução. A cadeia alimentar torna-se mais diversificando gerando alimento para os peixes. iv) Zona de águas limpas - As águas apresentam-se novamente limpas, voltando a ser atingidas as condições normais anteriores à poluição, pelo menos no que diz respeito ao OD, à matéria orgânica e aos teores de bactérias,orgânica e aos teores de bactérias, provavelmente de organismos patogênicos. - A aparência da água é similar ao anterior a poluição. - Ocorre predominância das formas oxidadas e estáveis. A concentração de OD é próxima a saturação. iv) Zona de águas limpas - As águas são agora mais ricas em nutrientes devido a mineralização na zona anterior. Ocorre produção de algas e restabelecimento da cadeia alimentar normal. A diversidade de espécies énormal. A diversidade de espécies é grande. A comunidade atinge novamente o clímax. Valores típicos de K1 Constante de desoxigenação Origem K1 (dia-1) Água residuária concentrada 0,35-0,45 Água residuária de baixa conc 0,30-0,40 Efluente primário 0,30-0,40Efluente primário 0,30-0,40 Efluente secundário 0,12-0,24 Rios com águas limpas 0,09-0,21 Água para abastecimento público < 0,12 Dezenas de amostras obtidas de um curso de água da região metropolitana de Belo Horizonte conduziram a um valor médio de K1 = 0,28 dia-1 Concentração de OD CS Déficit de OD Tempo (dias) Valores típicos de K2 Constante de reaeração Origem K2 (dia-1) Profundo Raso Pequenas lagoas 0,12 0,23 Grandes lagos/rios vagarosos 0,23 0,37 Grandes rios c/baixa velocidade 0,37 0,46 Grandes rios c/baixa velocidade 0,37 0,46 Grandes rios c/ velocidade normal 0,46 0,69 Rios rápidos 0,69 1,15 Corredeiras e quedas d´água 1,15 > 1,61 Recursos hídricos mais rasos e mais velozes tendem a possuir um maior coeficiente de reaeração devido a maior turbulência. A curva de depleção do oxigênio dissolvido: modelo de Streeter- Phelps A variação do déficit de oxigênio em função do tempo pode ser dada por: Taxa de variação = (consumo de OD – Produção de OD) do déficit de OD dD = k1 . L – k2.D dt Onde C0 = L0 Esta equação descreve a variação do déficit em função do tempofunção do tempo Portanto a concentração de OD pode ser calculada por: Valores Críticos ao longo da curva de OD Instante crítico da ocorrência Déficit crítico da ocorrência ( ) } − − − = 1 12 1 2 12 . 1log1 kL kkD k k kk t a a c Déficit crítico da ocorrência ctk ac Lk kD . 2 1 110. −= Onde: C0= concentração inicial de OD, logo após a mistura (mg/L) D0= déficit inicial de OD, logo após a mistura CS= concentração de saturação de OD (mg/L) Cc= Concentração crítica de OD (mg/L) Equações representativas a) Concentração e déficit de oxigênio no rio após a mistura com o despejo QeQrODeQeODrQrCo ++= /.. Onde: C0=concentração inicial de OD, logo após a mistura (mg/L) 00 CCSD −= mistura (mg/L) D0= déficit inicial de oxigênio, logo após a mistura (mg/L) Cs= Concentração de saturação de oxigênio (mg/L) Qr=vazão do rio a montante do lançamento dos despejos (m3/s) Qe = vazão de esgotos (m3/s) ODr = concentração de OD no rio, a montante dos lançamentos em mg/L ODe = concentração de OD no esgoto (mg/L) Onde: C = concentração do constituinte na mistura (mg/L)Onde: C0= concentração do constituinte na mistura (mg/L) C1= concentração do constituinte no componente 1 (ex:rio), imediatamente a montante do ponto de mistura (mg/L); C2= concentração do constituinte no componente 2 (ex:esgoto, efluente industrial ou rio afluente), imediatamente a montante do ponto de mistura (mg/L); Q1 = vazão do componente 1 (m3/s) Q2 = vazão do componente 2 (m3/s) Equações representativas b) Cálculo da DBO5 e da demanda última no rio após a mistura com o despejo Onde: DBO5 = concentração da DBO5, logo após a QeQrDBOeQeDBOrQrDBO ++= /)..(5 QeQrKTDBOeQeDBOrQrKTDBOLo ++== /)...(.5 Onde: DBO5 = concentração da DBO5, logo após a mistura (mg/L) L0= demanda última de oxigênio, logo após a mistura (mg/L) DBOr =concentração de DBO5 do rio (mg/L) DBOe= concentração de DBO5 do esgoto (mg/L) KT = constante para transformação de DBO5 em DBOúltima (DBOu) )151/(15/ keDBODBOuKT −−== Equações representativas c) Cálculo do perfil de OD em função do tempo Se OD = 0,0 mg/L; condição de anaerobiose e o modelo de Streeter-Phelps não mais se aplica. ].2.).2.1).(12/.1[( tkeDotketkekkLokCSCt −+−−−−−= d) Cálculo do tempo crítico (onde ocorre a concentraçãod) Cálculo do tempo crítico (onde ocorre a concentração mínima de OD) )]}1.0/)12.(01.[1/2ln[).12/1{[( kLKkDkkkktc −−−= Algumas situações podem ocorrer: 1) L0/D0 > K2/K1 O tempo crítico (tc) é positivo. A partir do ponto de lançamento haverá uma queda no OD, originando um déficit crítico superior ao inicial. tc>0 1) L0/D0 > K2/K1 2) L0/D0 = K2/K1 O tempo crítico (tc) é igual a zero, ou seja, ocorre noO tempo crítico (tc) é igual a zero, ou seja, ocorre no exato local do lançamento. O déficit inicial é igual ao déficit crítico. O curso d´água apresenta uma boa capacidade regeneradora face aos despejos afluentes, não vindo a sofrer queda na concentração de OD. tc=0 3) L0/D0 < K2/K1 O tempo crítico (tc) é negativo. Tal indica que desde o lançamento a concentração de OD tende a se elevar. O déficit inicial é o maior déficit observado. O curso d´água apresenta uma capacidade de autodepuração superior à capacidade de degeneração dos esgotos. Em termos práticos, o tempo crítico pode ser considerado igual a zero, com os menores valores de OD ocorrendo no 4) K2/K1 = 1 A aplicação da fórmula do tempo crítico fornece uma indeterminação matemática. A condição limite em k2/k1 tende a 1 conduz a um tempo crítico igual a 1/k1. igual a zero, com os menores valores de OD ocorrendo no ponto da mistura. Equações representativas e) Cálculo do déficit crítico e da concentração crítica de oxigênio )].1(.0).2/1[( tckeLkkDc −= DcCsCc −= Equações representativas f) Cálculo da eficiência requerida para o tratamento O modelo de Streeter-Phelphs permite calcular ainda a carga média de DBO nos esgotos, para que a concentração crítica de OD seja exatamente igual à mínima permissível.mínima permissível. A situação mais econômica é aquela em que a concentração mínima de OD é apenas marginalmente superior ao valor mínimo permissível pela legislação. Modelo Streeter-Phelps DADOS DE ENTRADA DO MODELO 1) Vazão do rio, a montante do lançamento (Qr) 2) vazão de esgotos (Qe) 3) oxigênio dissolvido no rio, a montante do lançamento (ODr) 4) oxigênio dissolvido no esgoto (Ode)4) oxigênio dissolvido no esgoto (Ode) 5) DBO no rio,a montante do lançamento (DBOr) 6) DBO5 do esgoto (DBOe) 7) coeficiente de desoxigenação (k1) 8) coeficiente de reaeração (k2) 9) velocidade de percurso do rio (v) 10) tempo de percurso (t) 11) concentração de saturação de OD (Cs) 12) oxigênio dissolvido mínimo permissível (ODmin) Modelo Streeter-Phelps 1) Vazão do rio, a montante do lançamento (Qr) Deve-se obter o valor o mais preciso possível, podendo ser empregada: a)Vazão observada em um determinado período b) Vazão média (média anual, média do período chuvoso, média do período seco) c) Vazão mínima Vazão mínima com um tempo de recorrência de 10 anos e período de 7 dias consecutivos Q7,10 X Conceito de descarga específica Modelo Streeter-Phelps DADOS DE ENTRADA DO MODELO 2) Vazão de esgotos (Qe) - A vazão de esgotos considerada em estudos de autodepuração é usualmente a vazão média, sem coeficientes para a hora e o dia de maior consumo. - Para este cálculo deve ser considerado: a)Dados da população b) contribuição per capita c) infiltração d) contribuição específica, no caso de despejos industriais Modelo Streeter-Phelps DADOS DE ENTRADA DO MODELO 3) ODr - A concentração de OD a montante do lançamento dos despejos é um produto das atividades da bacia hidrográfica a montante - Se não for possível coletar as amostras de água neste ponto e quantificar o OD, será necessário estimar aponto e quantificar o OD, será necessário estimar a concentração de OD em função do grau de poluição aproximado do curso d´água. a) Para pouca poluição pode considerar de 70-90% do valor de saturação, caso contrário b) Faz-se necessário a quantificação de OD T/ oC Altitude/ m 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 Concentração de saturação de OD (mg/L) 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 Concentração de saturação de OD (mg/L) T/ oC Altitude/ m 0 500 1000 1500 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 7,224 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 Modelo Streeter-Phelps DADOS DE ENTRADA DO MODELO 4) ODe - As concentrações de OD nos esgotos são geralmente nulos ou próximos a zero. a) Para esgoto bruto, OD=0 b) Para esgoto tratado tem-se: i) Tratamento primário, OD = 0 ii) Tratamento aneróbio, OD = 0 iii) Lodos ativados e filtros biológicos, OD = 2 mg/L ou mais iv) Lagoas facultativas, OD pode ser próximo ao valor de saturação, ou mesmo ainda mais elevados face à produção de oxigênio puro pelas algas Modelo Streeter-Phelps DADOS DE ENTRADA DO MODELO 5) DBO5,20 (DBO remanescente a montante do rio) Será função dos despejos lançados no rio em questão: Se não houver valores específicos quantificados pode-se empregar a proposta de Klein (1962): a) Rio bastante limpo = 1 mg/La)Rio bastante limpo = 1 mg/L b) Rio limpo = 2 mg/L c) Rio razoavelmente limpo = 3 mg/L d) Rio duvidoso = 5 mg/L e) Rio ruim = > 10 mg/L Modelo Streeter-Phelps DADOS DE ENTRADA DO MODELO 6) DBO5,20 do esgoto (DBOe) Geralmente possui um valor médio de 300-350 mg/L para esgotos domésticos e brutos. Este valor pode ser estimado através da divisão entre o valor per capita de DBO (da ordem de 45 a 60gDBO5/hab.d, usualmente adotado como 54 g de DBO/hab.d) pela de DBO (da ordem de 45 a 60gDBO5/hab.d, usualmente adotado como 54 g de DBO/hab.d) pela produção per capita de esgoto (em torno de 120 a 220 L/hab.d) Se houver despejos industriais os mesmos deverão ser contabilizados Modelo Streeter-Phelps DADOS DE ENTRADA DO MODELO g, h) K1 e K2 são tabelados i)Velocidade do curso d´água Pode ser estimada por: a)Medição direta no curso d´água b)Obtenção de dados em estações fluviométricas c)Utilização de fórmulas hidráulicas para canaisc)Utilização de fórmulas hidráulicas para canais d) correlação com a vazão j)Tempo de percurso (t): Neste modelo o tempo que uma partícula gasta para percorrer determinado trecho é unicamente função da velocidade e da distância a ser vencida. Isto se deve ao fato do modelo prever a utilização de regime hidráulico de fluxo em pistão, desconsiderando os efeitos da dispersão. Valores típicos de K1 Origem K1 (dia-1) Água residuária concentrada 0,35-0,45 Água residuária de baixa conc 0,30-0,40 Efluente primário 0,30-0,40Efluente primário 0,30-0,40 Efluente secundário 0,12-0,24 Rios com águas limpas 0,09-0,21 Água para abastecimento público < 0,12 Dezenas de amostras obtidas de um curso de água da região metropolitana de Belo Horizonte conduziram a um valor médio de K1 = 0,28 dia-1 Influência da temperatura T A elevação da temperatura aumenta o k1, mas não altera o valor da DBOultima, que passa a ser mais rapidamente satisfeita Valor de K2 Modelo Streeter-Phelps DADOS DE ENTRADA DO MODELO j) Tempo de percurso (t) 86400./ vdt = j) onde: t = tempo de percurso (d) d = distância percorrida (m)d = distância percorrida (m) v = velocidade do curso d´água (m/s) 86400 = número de segundos por dia (s/d) l) Concentração de saturação de OD em água (Cs) Pode ser calculada em função da concentração teórica. Pode ainda considerar o efeito da T, altitude e salinidade os quais afetam a concentração de OD no corpo aquático. Modelo Streeter-Phelps DADOS DE ENTRADA DO MODELO m) OD mínimo permissível (ODmin) Estes valores são estipulados pela legislação. Os valores em função da classe em que o recurso hídrico está classificado pode ser encontrado na Resolução CONAMA 357. Exercícios 1) Trace a curva que descreve o perfil de OD até a confluência com o rio principal em um recurso hídrico que recebe despejos não tratados de uma cidade e uma indústria. A montante do ponto de lançamento, a bacia hidrográfica não apresenta nenhuma contribuição pontual representativa,nenhuma contribuição pontual representativa, sendo ocupada principalmente por matas. A jusante do ponto de lançamento o curso d´água percorre uma distância de 50 km até atingir o rio principal. Neste percurso, não há outros lançamentos significativos. Os dados principais são os seguintes: 1) a) Características dos esgotos: - vazão média de esgotos (cidade + indústria) = 0,114 m3/s - concentração de DBO = 341 mg/L b) Características da bacia hidrográfica: - área de drenagem a montante do ponto de lançamento = 355 km2 - Descarga específica do curso d´água lançamento = 355 km - Descarga específica do curso d´água (vazão mínima por unidade de área da bacia): 2 L/s.km2. c) Características do curso d´água: - classe 2 e altitude de 1000 m - temperatura da água = 25 oC, profundidade média = 1,0 m - velocidade média 0,35 m/s 2) Uma cidade com 80000 habitantes se situa às margens de um rio, classe 2, a 500 m de altitude e que possui uma vazão de 1,02 m3/s e tem água com um DBO de 9,1 mg/L e uma concentração de oxigênio dissolvido de 4,9 mg/L a 20 oC. Diariamente são nele lançados todo o efluente produzido na cidade por habitante.dia, no qual assume-se uma concentração média de 0,054 kgDBO/hab.d ou melhor 120 a 220média de 0,054 kgDBO/hab.d ou melhor 120 a 220 L/hab.d. Considerando que o rio percorre uma distância de 80 km antes de desaguar em um rio maior e que durante o percurso não recebe efluentes de nenhuma outra fonte considerável, demonstre qual seria o perfilde OD para este rio caso este efluente tivesse de ser lançado no mesmo. Considere a velocidade do rio como 0,5 m/s e área de drenagem do ponto de lançamento igual a 200 km2. 3) Um efluente doméstico contendo 150 mg/L de DBO a uma vazão de 5,6x108 L/d é lançado a um rio que possui uma área de 15 m2, velocidade de escoamento 1,20 m/s e DBO de 50 mg/L. Calcule a vazão e a concentração resultante após o lançamento do efluente ao rio. 4) Determine a DBOúltima para águas residuárias cuja DBO de 5 dias, a 16 oC é 221 mg/L. A constante de desoxigenação é de 0,22 d-1 para T=20 oC (θ=1,047).
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