NITROGÊNIO. Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 1

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1 NITROGÊNIO Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 1

2 Entradas de Nitrogênio Esgoto Compostos de nitrogênio orgânico (ex.: proteínas, uréia) e amônia Atmosfera N 2 ; NOx, NH 3 Escoamento superficial Fertilizantes aplicados nas áreas agrícolas (forma de sais de amônio) Pastagens Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 2

3 Estimativa de cargas potenciais de nitrogênio 1 - PELA POPULAÇÃO Coeficientes médios de descarga per capita: Para nitrogênio: 3400 g.ano -1 (Jorgensen, 1989) 9,3 g/d Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 3

4 Característica do esgoto doméstico bruto Parâmetro Contribuição per capita (g/hab/d) Concentração (mg N/l) Nitrogênio total Nitrogênio orgânico Amônia Nitrito Nitrato Faixa 6,0 112,0 2,5 5,0 3,5 7,0 0 0,0 0,5 Típico 8,0 3,5 4,5 0 0 Faixa Típico Fonte: Von Sperling Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. Belo Horizonte. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, UFMG. Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 4

5 Estimativa de cargas potenciais de nitrogênio 2 - COM BASE NA GEOLOGIA E USO DO SOLO q ( kg. ano 1 ) n m i 1 j 1 A ij ( m 2 ) x E ij ( kg. m 2. ano 1 ) q = carga de nutriente; Aij = área do uso i sobre características geológicas j; Eij = coeficiente de exportação para uso i sobre características geológicas j. Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 5

6 Coeficientes de exportação de N (Jorgensen, 1989) Nitrogênio total E N (mg.m -2.ano -1 ) Classificação geológica Ígneo Sedimentar Drenagem de florestas Intervalo Média Florestas + Pastos Intervalo Média Áreas agrícolas Cítrica 2240 Pastos Áreas de cultivo Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 6

7 Coeficientes de exportação de N (Salas & Martino, 1991) Nitrogênio total Uso da bacia EN (mg.m -2.ano -1 ) Urbano 500 Agrícola rural 500 Bosque 300 Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 7

8 Ciclo do Nitrogênio Nitrobacter Hidrólise Nitrosomonas Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 8

9 Efeitos da Presença do Nitrogênio Excesso de nutrientes Eutrofização Nitrificação/denitrificação alteração no nível de OD. Nitrato sérios efeitos na saúde de bebês (limitação na água potável). Amônia tóxico para peixes Amônia existe em duas formas no ambiente aquático: ion NH 4 + e o gás NH 3 (forma tóxica a peixes). Águas com alto ph amônia estará principalmente na forma não-ionizada. Amônia não-ionizada na ordem de 0,01-0,1 mgn/l pode ser tóxico a peixes. Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 9

10 Nitrificação Com o tempo, os compostos de nitrogênio orgânico são hidrolizados para criar amônia. Bactérias autotróficas assimilam a amônia para criar nitrito e nitrato. Obs.: Taxa de crescimento das 2 bactérias autotróficas é menor do que das heterotróficas. Bactéria Nitrosomonas: NH ,5 O 2 2 H + + H 2 O + NO 2 - Bactéria Nitrobacter: NO ,5 O 2 NO 3 - Conversão de nitrito para nitrato é mais rápida do que do NH4+ para nitrito Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 10

11 Consumo de oxigênio devido nitrificação NH 4 + nitrito: NH ,5 O 2 2 H + + H 2 O + NO 2-1,5(2 15,9994) a 3, 43 14,0067 r ni go gn nitrito nitrato: NO ,5 O 2 NO 3 - r 0,5(2 15,9994) 14,0067 ni na 1, 14 go gn Quantidade de oxigênio consumido por unidade de massa de nitrogênio oxidado no processo total de nitrificação: r n = r a-ni + r ni-na = 4,57 go/gn Realidade: r n <4,57 go/gn Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 11

12 Fatores limitantes da nitrificação Presença de NH 4 + Presença número suficiente de bactérias nitrificantes ph alcalino (ideal aproximadamente 8) tende a neutralizar o ácido que é produzido. NH ,5 O 2 2 H + + H 2 O + NO 2 - Suficiente OD (maior que 1-2 mg/l) Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 12

13 Curso de água Descarga Trecho mais distante: Nitrificação Trecho mais próximo à descarga: OD Decomposição da MO carbonácea Aclimatação das bactérias nitrificantes. Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 13

14 dn dt Simulação O processo da nitrificação é assumida cinética de primeira ordem. N-orgânico: o k o a N o NH 4+ : dn dt a k o a N o k a ni N a Nitrito: dn dt ni k a ni N a k ni na N ni Nitrato: dn dt na k ni na N ni Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 14

15 Balanço de OD D Déficit de OD dd dt r a ni k a ni N a r ni na k ni na N ni K d L k a D Obs: Os fatores inibidores não estão sendo considerados. Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 15

16 Modelo Michaelis-Menten do ciclo de N aeróbio Utilização de substrato: Cinética de Michaelis-Menten Taxa de crescimento: µ = µ max [S/(K s +S)] Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 16

17 Modelo Michaelis-Menten do ciclo de N aeróbio - A concentração de bactérias afeta a taxa de conversão - A assimilação do N pelo plâncton segue cinética de Michaelis-Menten - Coeficientes de 1ª. Ordem: frações convertidas por unidade de tempo Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 17

18 Modelo Michaelis-Menten do ciclo de N aeróbio Não incluem: - N livre -Troca de N entre atmosfera e sedimento fundo Transformação de fitoplâncton diretamente para Nitrogênio orgânico dissolvido negligenciável em relação a outros processos de transformação Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 18

19 Outras constantes do modelo Também incluem: - Taxa máxima de absorção de N pelo fitoplâncton - Constante a meia-saturação da amônia para nitrato - Inibições Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 19

20 Formulações matemáticas Amônia-N Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 20

21 Nitrito-N Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 21

22 Nitrato-N Fitoplâncton-N Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 22

23 Zooplâncton-N Nitrogênio Orgânico Particulado Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 23

24 Nitrogênio Orgânico dissolvido Nitrosomonas Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 24

25 Nitrobacter Bactérias heterotróficas Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 25

26 Comparação - Nitrito Modelo QUAL Taxa de oxidação de nitrito para nitrato Taxa de oxidação de amônia para nitrito Modelo Michaelis-Menten Amônia Nitrito Nitrito Nitrato Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 26

27 Considerações finais Combinação da cinética de Michaelis-Menten e de primeira ordem Melhores resultados que somente cinética de primeira ordem Entradas: 22 constantes Concentração inicial de: - 7 formas de N e - 3 espécies de bactérias Problema de disponibilidade de dados Princípios da Modelagem e Controle da Qualidade da Água Superficial Regina Kishi, 7/24/2015, Página 27