Ciências do Ambiente

Transcrição

1 Universidade Federal do Paraná Engenharia Civil Ciências do Ambiene Aula 24 O meio aquáico III: Auodepuração 2º Semesre/ 205

2 Auodepuração de rios

3 Auodepuração de rios

4 Cinéica da desoxigenação O conceio da DBO represena: Tano a maéria orgânica, quano o consumo de oxigênio (unidade massa de oxigênio por unidade de volume: mg O 2 /L) Duas condições disinas: DBO remanescene: Concenração da maéria orgânica remanescene na massa líquida em um dado insane (maéria orgânica não consumida) DBO exercida: Oxigênio consumido para esabilizar a maéria orgânica aé ese insane

5 Cinéica da desoxigenação Progressão da DBO ao longo do empo, segundo os dois conceios: L0 y DBO exercida Consumo acumulado de oxigênio y0 L DBO remanescene Progressão emporal da oxidação da maéria orgânica. DBO exercida = oxigênio consumido (acumulado) DBO remanescene = DBO resane ao longo do empo

6 Cinéica da desoxigenação A cinéica da reação da maéria orgânica remanescene (DBO remanescene) se processa segundo uma reação de primeira ordem dl d L L = Concenração de DBO remanescene (mg/l) = consane de desoxigenação; = empo (dia)

7 Cinéica da desoxigenação dl d L L L 0 dl L 0 d L0 L DBO remanescene L L e 0 L é a DBO remanescene em um empo qualquer; L 0 é a DBO imediaamene após o pono de lançameno, ou seja, DBO remanescene no empo =0 = coeficiene de desoxigenação;

8 Cinéica da desoxigenação y L 0 L y L e 0 y é a DBO exercida em um empo (mg/l) (diferença enre a quanidade de oxigênio dissolvido consumido desde o insane inicial aé o insane ) L 0 é a DBO imediaamene após o pono de lançameno, ou seja, DBO remanescene no empo =0. Também denominada de demanda úlima (represena a DBO oal ao final da esabilização) = coeficiene de desoxigenação;

9 Cinéica da Desoxigenação Coeficiene de desoxigenação: Função das caracerísicas da maéria orgânica, da emperaura e presença de subsâncias inibidoras; Os valores obidos em laboraório não necessariamene represenam a condição do corpo hídrico (apenas rios lenos e profundos). Valores ípicos de em condições de laboraório (base e, 20ºC) Origem da M. O. K (dia - ) Rios com águas limpas 0,08 0,20 Efluene secundário 0,2 0,24 Efluene primário 0,30 0,40 Água residuária de baixa concenração 0,30 0,40 Água residuária concenrada 0,35 -,045 Fone: Adapado de Von Sperling (2006)

10 Cinéica da desoxigenação Influência meabolismo microbiano Taxas de esabilização da maéria orgânica Relação enre a emperaura e a axa de desoxigenação pode ser expressa por: K T = K (20) x θ (T 20) Em que: K T = K a uma emperaura T qualquer (dia - ) K (20) = K à emperaura T= 20º C (dia - ) T = emperaura do líquido (ºC) θ = Coeficiene de emperaura (valor empregado,047)

11 Exemplo DBO e lançameno de efluene A inerpreação de análises de laboraório de uma amosra de água de um rio a jusane de um lançameno de esgoos conduziu aos seguines valores: coeficiene de desoxigenação = 0,25 d -, demanda úlima L 0 = 00 mg/l. Calcular a DBO exercida a, 5 e 20 dias. y L e 0

12 Exemplo DBO e lançameno de efluene Resolução: - Para = dia y L ,25* e e 22 mg/l - Para =5 dias y 5 L ,25*5 e e 7 mg/l - Para =20 dias y 20 L ,25*20 e e 99 mg/l

13 Exemplo DBO e lançameno de efluene Resolução:

14 Exemplo Perícia judicial de esgoo Um anque cheio de resíduos indusriais foi despejado em uma mina de cascalho. O caminhão foi localizado lá há rês dias e há uma piscina de resíduos puros. Um écnico de laboraório deerminou que o resíduo em uma DBO de 5 dias de 80 ml/l, com uma consane de axa de 0, d -. Três fábricas da vizinhança geram resíduos orgânicos: uma vinícola (DBO úlima de 275 mg/l), um fabricane de vinagre (DBO úlima de 80 mg/l) e uma companhia farmacêuica (DBO úlima de 200 mg/l). Deermine a fone do resíduo. y L e 0

15 Exemplo Perícia judicial de esgoo Resolução: DBO úlima do resíduo: Companhia farmacêuica (200 mg/l) L y e e 0,*5 203 mg/l Esá decompondo há 3 dias: L0e L ,*3 L L e 203 e Vinícola (275 mg/l)

16 Cinéica da desoxigenação Cinéica da reaeração

17 Cinéica da reaeração Trocas gasosas na inerface gás-líquido Líquido deficiene de gás Sisema em equilíbrio Equilíbrio Dinâmico define a Concenração de Sauração (C s )

18 Cinéica da reaeração Taxa de absorção de oxigênio é direamene proporcional do défici exisene Quando maior o défici, maior a avidez da massa líquida pelo oxigênio

19 Cinéica da reaeração Progressão do défici (D = C s - C) e da concenração do OD C S Concenração de OD D C S C Défici de OD À medida que a concenração de OD se eleva devido à reaeração, o défici diminui.

20 Cinéica da reaeração Caracerizada por uma reação de primeira ordem dd d 2 D D = défici de oxigênio dissolvido, ou seja, a diferença enre a concenração de sauração (Cs) e a concenração exisene em um empo (C), em mg/l = empo (dia) 2 coeficiene de reaeração (d - )

21 Cinéica da reaeração Progressão emporal do défici e da concenração de OD dd d 2 D C S Concenração de OD 0 2 D D e Défici de OD D 0 = défici de oxigênio inicial (mg/l) = empo (dia) C = concenração de OD em um empo (mg/l) Cs = Concenração de sauração de OD (mg/l) 2 = coeficiene de reaeração (d - ) D C S C

22 Cinéica da reaeração Coeficiene de reaeração: 2 Caracerísicas hidráulicas do canal (profundidade e declividade), presença de surfacanes, parículas suspensas, ação do veno e da emperaura da água; Valores ípicos de 2 (base e, 20ºC) Corpo d água K 2 (dia - ) Profundo / Raso Pequenas lagoas 0,2 0,23 Rios vagarosos, grandes lagos 0,23 0,37 Grandes rios com baixa velocidade 0,37 0,46 Grandes rios com velocidade normal 0,46 0,69 Rios rápidos 0,69,5 Corredeiras e quedas d água >,5 >,6 Fone: Adapado de Von Sperling (2006)

23 Cinéica da reaeração Coeficiene de reaeração: 2 Deerminação in siu Méodos esaísicos Valores médios abulados Esudo com raçadores : deerminação da dispersão longiudinal e do coeficiene de reaeração

24 Cinéica da desoxigenação Cinéica da reaeração dl d dd d L 2 D ocasiona redução de OD (uilizado na oxidação) ocasiona aumeno de OD (redução do défici)

25 Dessa maneira, os dois processos podem ser agrupados em uma única equação: dd d 2D L Aumeno de OD Reduz o défici Redução de OD Aumeno do défici

26 dd d 2D L dd 2D L0e d L e e D e D 2 2

27 Curva de depleção do oxigênio dissolvido D e e e L D A curva de concenração de OD pode ser obida direamene desa equação, sabendo-se que: S D C OD S S e C C e e L C C

28 Esgoos Curso d água OD (m/l) C S D o C o D c C o C c o c Tempo ou disância (m) Ponos caracerísicos da curva de depleção de OD

29 Concenração críica de oxigênio Concenração críica: idenificação da necessidade ou não do raameno de esgoo O raameno, quando necessário, deve ser implemenado com uma eficiência na remoção de DBO suficiene para garanir que a concenração críica de OD seja superior ao valor mínimo permiido pela legislação (padrão para lançameno de corpos d água)

30 Curva de depleção do oxigênio dissolvido S S e C C e e L C C Cálculo do perfil de oxigênio dissolvido em função do empo Cálculo do empo críico (empo que ocorre a concenração mínima de oxigênio dissolvido) ln L C C S c

31 Curva de depleção do oxigênio dissolvido Cálculo do défici críico Dc L0e 2 Cálculo da concenração críica de oxigênio C C C S D C Tempo de percurso x U x é a disância a jusane do pono de lançameno (m) U é a velocidade média do rio (m/s)

32 Balanço de massa Vazão de diluição Senido do escoameno Monane Jusane

33 Exemplo Concenração da misura Uma bacia conribuine com 20 mil habianes lança seus esgoos sem qualquer raameno a um pequeno afluene do Rio Iguaçu. A vazão correspondene de esgoo é de 3520 m³/d e a DBO do esgoo bruo é de 400 mg/l. A esa conribuição junam-se os despejos de uma indúsria química orgânica com vazão de 850 m³/d e DBO brua de 900 mg/l, cujo raameno, na própria indúsria, reduz em 90% a poluição orgânica (DBO). O rio, anes de receber esas conribuições poluenes, em vazão de 2 m³/s e DBO de 6 mg/l. Calcular as novas caracerísicas do rio na região de misura.

34 Exemplo Concenração da misura No mesmo exemplo, se fosse reduzir a concenração da misura para 0 mg/l, qual seria a % de remoção necessária do coneúdo orgânico?

35 Modelos de qualidade de água Descrever alerações espaciais e emporais que deerminados consiuines experimenam nos corpos d água, alerações decorrenes de processos biológicos, químicos, bioquímicos e físicos; Avaliação abrangene dos impacos ambienais gerados por diversas aividades: Implanação de esações de raameno de esgoos, Deerminação da influência de obras hidráulicas na qualidade do meio aquáico, Vazamenos acidenais de resíduos óxicos, Uso do solo na bacia hidrográfica conribuine. As bases maemáicas para a modelagem da qualidade da água foram esabelecidas pelos pesquisadores Sreeer e Phelps, em 925.

36 Processos OD Respiração algal Foossínese Reaeração Decomposição da MO Oxigênio Dissolvido Redução de sulfao Nirificação Qual2e Demanda pelo sedimeno Denirificação Qual2e e Sreeer - Phelps

37 Processos simulâneos

38 (Sreeer-Phelps) Problemas: efluenes primários e não raados; Poluenes: DBO/OD; Sisema: rios e esuários (D); Cinéica: linear; Soluções: analíicas. DBO Reaeração OD P R SOD (Compuacional) Problemas: efluenes primários e não raados; Poluenes: DBO/OD; Sisema: rios e esuários (D/2D); Cinéica: linear; Soluções: analíicas e numéricas (Biologia) Problemas: eurofização; Poluenes: nurienes; Sisema: rio, lagos e esuários (D/2D/3D); Cinéica: não linear; Soluções: numéricas. Peixes Zoo Fio NO 3 NH 3 PO 4 N org P org 977- hoje (Tóxicos) Problemas: óxicos; Poluenes: orgânicos e meais; Sisema: inerações água-sedimeno, inerações na cadeia alimenar (D/2D); Cinéica: não linear; Soluções: analíicas e numéricas. Água Sedimenos Sólidos Tóxicos Bioa Sólidos Água inersicial Benos Adapado de Chapra, 997

39 A família de modelos Qual Qual-I (970) Qual-II: versão SEMCOG (977) Qual2e Versão 3. (985) Qual2e Versão 4.0 (2002)

40 Cinéica DBO e OD simplificado d DBO d R K DBO K DBO R [DBOR] = DBO remanescene (mg/l); K = coeficiene de desoxigenação (d - ); K3 = coeficiene de sedimenação (d - ). 3 R do d K O O K DBO 2 s R K H 4 K2 = coeficiene de reaeração (d - ); K4 = coeficiene de sedimenação (go2/ m².d).

41 Cinéica da Desoxigenação Coeficiene de sedimenação: 3 Efeios de sedimenação são mais significaivos em rios rasos (< m), com regime de escoameno pouco urbuleno; Numericamene, é a razão enre velocidade de sedimenação da parícula (w) e da profundidade média da coluna d água; w depende das caracerísicas físicas da parícula; Velocidade de sedimenação para diferenes parículas enconradas em rios Tipo de parícula Diâmero ( m ) Velocidade de sedimenação (m/dia) Sile Argila 2 4 0,3 Sólidos orgânicos > 64 2,3 0 64,5 0 0,2 Fioplancon ,39 2, Fone: Adapado de Chapra (997) 4,3 5,2 0, 0,28 2 0,08 0,24

42 Demanda de Oxigênio pelo Sedimeno SOD: 4 Originado do consumo de oxigênio para decomposição do lodo deposiado no fundo de rios (maerial orgânico deposiado); Camadas com diferenes níveis de decomposição; Faores que inerferem: emperaura, concenração de OD na inerface ar-água, profundidade da camada de sedimeno, caracerísicas orgânicas e físicas do sedimeno, velocidade de escoameno acima da camada de sedimeno; Valores associados à demanda de oxigênio da camada benônica Tipo de leio e siuação local Demanda Benônica (go 2 /m²dia) Variação Média Lodo de esgoo nas proximidades do pono de lançameno Lodo de esgoo - a jusane do pono de lançameno 2,5 Leio esuarino 2,5 Leio arenoso 0,2,0 0,5 Leio de solo mineral 0,05 0, 0,07 Fone: Adapado de Rodrigues (2005)