AUTODEPURAÇÃO DE ESCOAMENTOS NATURAIS DE ÁGUA ESTUDO DE CASO: DE MODELAGEM MATEMÁTICA EM UM TRECHO DO RIBEIRÃO PRETO, RIBEIRÃO PRETO-SP.

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1 XXX CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL 26 al 30 de noviembre de 2006, Punta del Este - Uruguay ASOCIACIÓN INTERAMERICANA DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL - AIDIS AUTODEPURAÇÃO DE ESCOAMENTOS NATURAIS DE ÁGUA ESTUDO DE CASO: DE MODELAGEM MATEMÁTICA EM UM TRECHO DO RIBEIRÃO PRETO, RIBEIRÃO PRETO-SP. RESUMO Rafael Baldini Teles (1) Engenheiro Ambiental formado em 2005 pela Faculdades COC, Ribeirão Preto-SP, Brasil. Cursando MBA em Gestão de Empresas e Negócios nas Faculdades COC. Professor responsável pelos Laboratórios de Engenharia Ambiental das Faculdades COC. Estágio, , no Departamento de Águas e Energia Elétrica do Estado de São Paulo, Brasil. Alexandre Silveira Engenheiro Civil formado em 1996 pela Universidade Estadual Paulista, UNESP, Bauru-SP, Brasil. Mestre e Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Universidade de São Paulo - USP. Professor Doutor da Universidade Federal de Mato Grosso UFMT, Cuiabá-MT, Brasil desde Responsável pela área de Hidráulica e Recursos Hídricos do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. Pós doutorando na Escola de Engenharia de São Carlos (USP) Endereço (1): Rua Antonino Pagano, 334 Jardim Iguatemi Ribeirao Preto São Paulo, CEP: , Brasil Tel:. ( ) Este trabalho apresenta uma simulação da capacidade de autodepuração em um trecho do Ribeirão Preto, Ribeirão Preto-SP-Brasil, utilizando o modelo de Streeter-Phelps. A simulação do modelo é comparada com os dados experimentais medidos em campo de oxigênio dissolvido (OD) e da demanda bioquímica de oxigênio (DBO). Os resultados obtidos apresentam o grau de poluição do corpo d água, assim como qual seria o comprimento que o corpo d água deveria possuir para que apenas por processos naturais recuperasse os níveis adequados de OD e DBO. O trabalho também sugere que o uso do modelo Streeter-Phelps não seja adequado para simulações de qualidade de água em trechos urbanos de corpos d água, principalmente os mais poluídos. PALAVRAS-CHAVE: autodepuração, escoamentos de águas, Streeter-Phelps.

2 INTRODUÇÃO O crescimento populacional desacelerado, o desenvolvimento industrial e outras atividades humanas exigem cada vez mais o uso da água. Esta crescente demanda por água, acarreta a geração de resíduos líquidos que são muitas vezes lançados in natura nos corpos hídricos, alterando assim suas características naturais. O lançamento de um efluente líquido em um rio provoca um consumo de OD. São necessários teores mínimos de OD nos rios para a existência da biodiversidade do corpo hídrico. O presente trabalho tem como finalidade modelar o consumo de OD e remoção da DBO em um trecho do Ribeirão Preto após lançamentos pontuais de efluentes, para determinação de alterações físicas, químicas e biológicas do rio. Esse consumo de OD e remoção de DBO pode ser caracterizado como sendo um fenômeno de autodepuração, que consiste em um processo natural de recuperação de um curso d água, após ocorrência de interferências externas. Essa autodepuração é causada por microrganismos presentes no corpo hídrico que, degradam a matéria orgânica lançada e conseqüentemente consomem o oxigênio dissolvido presente no meio líquido. Após a total degradação da matéria, o curso d água tende a se recuperar naturalmente, voltando às suas condições anteriores conforme mostra a Figura 1. OBJETIVO O objetivo geral deste trabalho foi determinar a capacidade de autodepuração em um trecho de um curso d água natural, utilizando o modelo de Streeter-Phelps. Os objetivos específicos são: Buscar em literaturas, valores para os parâmetros que servem como dados de entrada do modelo de Streeter-Phelps. São dois os principais parâmetros a serem valorados: K 1 [Coeficiente de Desoxigenação Relacionado com a temperatura, dita a velocidade de consumo e recuperação do Oxigênio Dissolvido]; e K 2 (Coeficiente de Reaeração Relacionado às características do corpo d água). Realizar medidas de OD e de DBO para auxílio na determinação dos parâmetros necessários. Modelagem e simulação de cenários possíveis para a melhoria da qualidade de água do trecho em questão.

3 ÁREA DE ESTUDO O Ribeirão Preto abrange uma bacia hidrográfica de aproximadamente 346 km², tendo suas primeiras nascentes situadas na cidade de Cravinhos-SP, a uma altitude aproximada de 840 metros. Ao longo de seu curso principal, a bacia drena as áreas urbanas dos municípios de Cravinhos-SP e Ribeirão Preto-SP, além do distrito de Bonfim Paulista-SP, e sua foz situa-se no rio Pardo, conforme pode ser observado na Figura 2. Figura 2 Localização da micro-bacia do Ribeirão Preto Área em Estudo O estudo foi realizado em um trecho do rio Ribeirão Preto (Figura 3), em uma extensão de aproximadamente 1000 metros e uma largura próxima aos 10 metros. Figura 3 Localização e características do trecho em estudo

4 METODOLOGIA Modelagem Matemática Modelo De Streeter-Phelps O modelo visa analisar, teoricamente, como o consumo de oxigênio dissolvido, se comporta ao longo do espaço e do tempo, após o lançamento de efluente. Para isso, é necessário se conhecer alguns aspectos importantes para que se possa aplicar corretamente o modelo. Alguns dos aspectos principais são: Vazão do rio; Vazão do lançamento de efluente; DBO e OD do rio; DBO do efluente; Coeficiente de Desoxigenação (K 1 ) e o Coeficiente de Reaeração (K 2 ); Características da bacia hidrográfica de estudo; Temperatura (água). Com posse dessas informações, o processo de cálculo do modelo se dá através da seguinte equação, em função do tempo: em que: Ct= Concentração de oxigênio ao longo do tempo (mg/l); Cs= Concentração de saturação de oxigênio (mg/l); L0= DBO remanescente em t=0 (mg/l); D0= Déficit de oxigênio inicial (mg/l). Análise das Amostras Foram realizadas seis amostras, sendo três do corpo hídrico e outras três de lançamentos existentes, conforme já indicados os pontos na Figura 3. Durante a realização das coletas, foram medidos, ainda em campo, temperaturas (rio, lançamento e ar) e ph (rio e lançamento) e com as amostras devidamente armazenadas, foram realizadas análises laboratoriais para determinação dos níveis de OD e DBO. Essas amostras foram encaminhadas e analisadas junto ao laboratório da Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental, ligada à Secretaria do Meio Ambiente do governo de São Paulo (CETESB). RESULTADOS Os principais resultados da análise das amostras, pode ser visto na tabela 01 a seguir, onde os pontos de amostragem já estão indicados na Figura 3. Estes resultados são utilizados como dados de entrada no modelo. Tabela 01 Amostragem Ponto de Amostragem Concentração de OD da amostra (mg/l) Concentração de DBO da amostra (mg/l) 1 1, , , , , ,5 20

5 A vazão do corpo hídrico e dos efluentes foi medida e os resultados obtidos podem ser vistos na Figura 4, que representa um resumo dos resultados obtidos, ou seja, os dados de entrada pra aplicação da equação 1. Figura 4 Esquema do resumo dos Dados de Entrada Aplicação da Modelagem Com o conhecimento dos dados de entrada necessários para aplicação do modelo, através da equação 1, obteve-se os seguintes resultados, expressos pela tabela 02 e Figura 5 a seguir: Tabela 02 Perfil de OD para diferente tempo (d) e distância (m) Distância (metros) Tempo (dias) Concentração de OD C t (mg/l) 0 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,315 Figura 5 Perfil de OD no curso d água ao longo do trecho

6 CONSIDERAÇÕES Para que o modelo de Streeter-Phelps seja representativo, é preciso que algumas considerações sejam feitas. Supostos lançamentos de esgoto existentes não encontrados visualmente Coeficientes Não foram visualmente encontrados pontos de lançamento de esgoto nos primeiros 700 metros no trecho de estudo, mas é bem provável que esses lançamentos existam. Devido às péssimas condições das margens do rio, com trechos desbarrancados ou cobertos de vegetação, ficou impossível avaliar visualmente se há ou não lançamento nesses pontos. Assim, foi considerado que no trecho de 0 a 700m não havia lançamentos de nenhum tipo de efluente. Desoxigenação (K1) Para se ter um valor preciso do coeficiente de desoxigenação, seria preciso obter-se o valor de forma experimental, ou seja, através de análises laboratoriais. Não sendo possível obter um valor experimental, foi adotado o valor (0,42d-1) presente em literatura (Von Sperling, 1996). Deste modo pode existir diferença entre o valor real (medido) e o valor adotado par o trecho em estudo. Reaeração (K2) O coeficiente de reaeração é de extrema importância para a adequada simulação do modelo. Porém, não existe um valor universal a ser utilizado para K2, e sua determinação para que o modelo simule a situação real, é uma da tarefa objeto de trabalho de diversos pesquisadores. A literatura apresenta diversos valores para o coeficiente de acordo com as características hidráulicas do escoamento. Mesmo em escoamentos com características semelhantes, é possível se obter valores (0,37 6,94d-1) bem diferentes para K2, fazendo com que a aplicação do modelo apresente bastante diferença no resultado final de acordo com o valor adotado. SIMULAÇÕES Como o intervalo possível para o valor a ser adotado para o coeficiente K2 é bastante amplo, foram feitas simulações com diferentes valores para o coeficiente de reaeração. Valores máximos: (6,94d-1) Adotando o valor máximo para K2 em todos os trechos, obtêm-se um grau de recuperação do nível de OD bastante elevado ao longo do curso d água, com picos de recuperação ainda mais elevados nos pontos de mistura e de amostragem, conforme apresentado na Figura 6. Figura 6 Perfil de OD com valores máximos para K 2

7 Valores intermediários (3,5 d-1) Considerando e adotando um valor intermediário para K2 em todos os trechos, observa-se que o modelo apresenta um grau de recuperação considerável, com picos significativos nos pontos de mistura após lançamento de efluentes e nos pontos onde houve análise da qualidade do rio. Assim sendo, obtêm-se o perfil de OD representado pela Figura 7 a seguir: Figura 7 - Perfil de OD com valores intermediários para K 2 Valores adotadas Considerando valores para K2 de 0,1d-1 em todos os diferentes trechos, nota-se que o perfil de OD apresentado (Figura 8) é o que mais representa a realidade, comparando com os dados experimentais. Porém, esse valor adotado não se encontra dentro da faixa limite estabelecida por valores tabelados presentes em literatura, de acordo com as características do curso d água. Assim, nota-se a importância de se obter experimentalmente os valores para os coeficientes a serem utilizados pelo modelo. Figura 8 - Perfil de OD que mais se assemelha com a realidade amostrada

8 Distância de recuperação aos níveis mínimos exigidos Considerando a simulação representada pela Figura 8, a que mais representou os valores amostrados, adota-se K2 como sendo igual a 0,1d-1. Considerando esse valor para o coeficiente de reaeração (K2) e que, após o 3 lançamento não haja presença de mais nenhum lançamento de efluentes a jusante, o curso d água apresentará uma queda em seus níveis de Oxigênio Dissolvido até atingir um nível nulo (OD = 0,0mg/l), 7,5km após o último lançamento, mantendo esse valor nulo até a distância de 132,5km, onde começa novamente a se recuperar e somente no 187,5km é que o corpo d água irá atingir o nível mínimo desejado de OD que é de 2mg/L, segundo Resolução CONAMA 357/05. Porém, a extensão do Ribeirão Preto, do trecho em estudo até o rio Pardo, sua foz, é de aproximadamente 13 Km, ou seja, quando o Ribeirão Preto desaguar no rio Pardo, de acordo com o modelo e suas considerações, seu teor de OD apresentará níveis iguais a zero, conforme mostra a figura 9 a seguir: Figura 9 Distância de recuperação dos níveis de OD ao longo do curso d água CONCLUSÃO Com a realização de um levantamento prévio de possíveis áreas do Ribeirão Preto a se aplicar o modelo, foi possível escolher um trecho de fácil acesso, com presença de pontos estratégicos para determinação de parâmetros necessários como velocidade, seção transversal do Ribeirão Preto e conseqüente vazão do rio, além de ser um trecho que apresenta lançamento de efluentes, fato fundamental para aplicação do modelo. Porém suas condições ao longo de seu curso, principalmente em suas margens, não permitiam uma maior aproximação além de, em alguns pontos, não possibilitar nem uma análise visual de suas reais características, como por exemplo, presença de lançamentos de esgoto, devido às péssimas condições encontradas nas margens como presença de erosão. Sendo assim, algumas incertezas surgiram durante a realização do trabalho e principalmente durante a geração e análise dos resultados obtidos através do modelo. De acordo com alguns resultados do modelo e suas simulações, pode-se notar que o modelo gerou um tipo de cenário que não condiz com a situação real estudada, de que existem outros lançamentos não considerados, mas que em um primeiro instante não era passível de uma determinação.

9 Essa confirmação só foi possível depois que houve uma limpeza nas margens do rio, por iniciativa da prefeitura, tornando visível alguns pontos de lançamento de efluentes anteriormente não visualizados e conseqüentemente não mensurados, esclarecendo assim algumas incertezas apresentadas e possivelmente explicando o porquê de alguns problemas que o modelo apresentou em seus resultados, tendo assim que ser desconsiderados e substituídos por suposições. O modelo de Streeter-Phelps é um modelo simples, uma vez que para sua determinação, são considerados apenas, como valores de entrada, os parâmetros de OD e de DBO, além do fato de considerar o sistema como mistura completa. Porém, para que o modelo apresente resultados satisfatórios, é necessário que o curso d água se encontre em boas condições antes do lançamento, para que possa haver após o despejo, o processo de autodepuração e o conseqüente consumo de OD e uma posterior recuperação dos níveis de oxigênio. No caso do trecho analisado, o rio já se apresentava com condições deploráveis, fazendo que o lançamento não exercesse uma grande interferência negativa. O Ribeirão Preto apresenta, desde seu trecho de análise a montante, uma concentração muito baixa de Oxigênio Dissolvido. Pode-se notar que, mesmo após os 3 lançamentos mensurados, o modelo ainda continua apresentado uma taxa de declínio quanto ao seu nível de OD ao longo do curso d água, isso considerando o modelo da Figura 8 que foi o que mais se assemelhou com os pontos analisados. Essa continuidade de consumo de oxigênio após os lançamentos é conseqüência da elevada carga orgânica que o rio chega até atingir o trecho de estudo. Sendo assim, as entradas pontuais de efluentes a jusante não são os maiores vilões de degradação do oxigênio dissolvido do rio, eles irão apenas retardar um pouco mais a recuperação desse perfil de OD. Portanto, não cabe propor somente ao trecho de análise, um tratamento dos efluentes, tendo em vista que somente isso não seria o suficiente para minimizar os impactos. O ideal é que fossem localizados todas as fontes poluidoras existentes a montante do trecho de estudo e fossem propostas alternativas de tratamento de todos os efluentes lançados junto à bacia do Ribeirão Preto. Outro ponto importante para que o modelo simule de forma satisfatória e coerente, de acordo com as condições reais do ponto de estudo, é com relação aos coeficientes adotados/medidos. Uma devida determinação para os coeficientes, principalmente para o coeficiente de reaeração, é de extrema importância para que o modelo seja utilizado com êxito. O coeficiente de reaeração (K2) é fator primordial no modelo e interfere no grau de recuperação (ou não) que o curso d água irá apresentar com relação aos níveis de OD. Utilizando diferentes valores, a partir de bibliografias existentes para adoção desse coeficiente, os valores passíveis de serem utilizados, de acordo com as referências consultadas, situam-se numa faixa bastante ampla, onde o modelo irá apresentar resultados diferentes de acordo com o valor do coeficiente adotado. Assim sendo, a forma mais coerente de se utilizar um valor para K2, é através da obtenção experimental de seu valor. Outro fator que deve ser comentado é quanto aos enquadramentos dos corpos d água. Através do trabalho, pode-se notar que, nem mesmo o fato de o Ribeirão Preto ser enquadrado como um rio de Classe 4, o faz atender os limites mínimos necessários exigidos por lei, segundo Resolução CONAMA 357/05, que limita o OD mínimo de 2,0mg/l. AGRADECIMENTO Este trabalho foi realizado com o apoio das Faculdades COC, Ribeirão Preto-SP.

10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BRAGA, B et al. Introdução à Engenharia Ambiental, Prentice Hall, São Paulo-SP, CONSELHO NACIONAL DE MEIO AMBIENTE Resolução 357/05, disponível em Brasília-DF, LANNA, A. E. L. Gerenciamento de bacia hidrográfica: aspectos conceituais e metodológicos. IBAMA, LEAL, M. S. Gestão ambiental dos recursos hídricos: princípios e aplicações. Rio de Janeiro: CPRM, LINSLEY, R.K. Hydrology for Engineers, McGraw-Hill, 508 p., 3a Edição, LINSLEY, R.K.; FRANZINI, J. B. Engenharia de Recursos Hídricos, McGraw-Hill/Edusp, 798 p., MACHADO, C. J. S. Gestão de águas doces. Rio de Janeiro, Interciência, MARTINS, R. C.; VALENCIANO, N. F. L. Uso e gestão dos recursos hídricos no Brasil II. RIMA, MOTA, S. Introdução à Engenharia Ambiental. 1a edição, Rio de Janeiro-RJ, ABES, MOTA, S. Preservação e conservação de recursos hídricos. Rio de Janeiro, ABES p. 11. NUVOLARI, A. et al. Esgoto Sanitário, Coleta, Transporte, Tratamento e Reuso, FATEC, CEETEPS, São Paulo-SP, PAIVA, J. B. D., DIAS DE PAIVA, E. M. C. Hidrologia Aplicada à Gestão de Pequenas Bacias Hidrográficas, ABRH-UFSM, Porto Alegre, Ed. Univesitária, 625p. 13. PINTO, N. L. S. et al. Hidrologia Básica. São Paulo, Edgard Blücher, c p. 14. PONCE, V. M. Engineering Hydrology: Principles and Practices, Prentice Hall, Englewood, N. Jersey, 1989, 645 p. 15. SOUZA, A. D. G. et al. Diagnóstico Preliminar da Bacia Hidrográfica do Ribeirão Preto, Relatório Técnico, Faculdades COC, Ribeirão Preto-SP, TUCCI, C.E.M. - Hidrologia: Ciência e Aplicação, Porto Alegre, Editora da Universidade - ABRH - EPUSP, 1993 (coleção ABRH de Recursos Hídricos, Vol. 4). 17. VON SPERLING, M. Princípio do Tratamento Biológico de Águas Residuárias: Introdução à Qualidade das Águas e ao Tratamento de Esgotos Volume 1, 2a Edição revisada, DESA-UFMG, Belo Horizonte, MG, VON SPERLING, M. Determinação do Coeficiente de Reaeração de Cursos d água Utilizando Fórmulas Empíricas, 23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, ABES, Campo Grande-MS, 2005.

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