Ciências do Ambiente

Transcrição

1 Universidade Federal do Paraná Engenharia Civil Ciências do Ambiente Aula 25 O meio aquático IV: Autodepuração Prof.ª Heloise Knapi

2 Balanço de massa Vazão de diluição Sentido do escoamento Montante Jusante

3 Autodepuração de rios

4 Autodepuração de rios

5 Cinética da desoxigenação O conceito da DBO representa: Tanto a matéria orgânica, quanto o consumo de oxigênio (unidade massa de oxigênio por unidade de volume: mg O 2 /L) Duas condições distintas: DBO remanescente: Concentração da matéria orgânica remanescente na massa líquida em um dado instante (matéria orgânica não consumida) DBO exercida: Oxigênio consumido para estabilizar a matéria orgânica até este instante

6 Cinética da desoxigenação Progressão da DBO ao longo do tempo, segundo os dois conceitos: L0 yt DBO exercida Consumo acumulado de oxigênio y0 Lt DBO remanescente Progressão temporal da oxidação da matéria orgânica. DBO exercida = oxigênio consumido (acumulado) DBO remanescente = DBO restante ao longo do tempo

7 Cinética da desoxigenação A cinética da reação da matéria orgânica remanescente (DBO remanescente) se processa segundo uma reação de primeira ordem dl dt L L = Concentração de DBO remanescente (mg/l) = constante de desoxigenação; t = tempo (dia)

8 Cinética da desoxigenação dl dt L L L 0 dl L 0 t dt L0 Lt DBO remanescente L L e 0 t L é a DBO remanescente em um tempo t qualquer; L 0 é a DBO imediatamente após o ponto de lançamento, ou seja, DBO remanescente no tempo t=0 = coeficiente de desoxigenação;

9 Cinética da desoxigenação y L 0 L y L e 0 t y é a DBO exercida em um tempo t (mg/l) (diferença entre a quantidade de oxigênio dissolvido consumido desde o instante inicial até o instante t ) L 0 é a DBO imediatamente após o ponto de lançamento, ou seja, DBO remanescente no tempo t=0. Também denominada de demanda última (representa a DBO total ao final da estabilização) = coeficiente de desoxigenação;

10 Cinética da Desoxigenação Coeficiente de desoxigenação: Função das características da matéria orgânica, da temperatura e presença de substâncias inibidoras; Os valores obtidos em laboratório não necessariamente representam a condição do corpo hídrico (apenas rios lentos e profundos). Valores típicos de em condições de laboratório (base e, 20ºC) Origem da M. O. K (dia - ) Rios com águas limpas 0,08 0,20 Efluente secundário 0,2 0,24 Efluente primário 0,30 0,40 Água residuária de baixa concentração 0,30 0,40 Água residuária concentrada 0,35 -,045 Fonte: Adaptado de Von Sperling (2006)

11 Cinética da desoxigenação Influência metabolismo microbiano Taxas de estabilização da matéria orgânica Relação entre a temperatura e a taxa de desoxigenação pode ser expressa por: K T = K (20) x θ (T 20) Em que: K T = K a uma temperatura T qualquer (dia - ) K (20) = K à temperatura T= 20º C (dia - ) T = temperatura do líquido (ºC) θ = Coeficiente de temperatura (valor empregado,047)

12 Exemplo DBO e lançamento de efluente A interpretação de análises de laboratório de uma amostra de água de um rio a jusante de um lançamento de esgotos conduziu aos seguintes valores: coeficiente de desoxigenação = 0,25 d -, demanda última L 0 = 00 mg/l. Calcular a DBO exercida a, 5 e 20 dias. y L e 0 t

13 Exemplo DBO e lançamento de efluente Resolução: - Para t= dia y L ,25* t e e 22 mg/l - Para t=5 dias y 5 L ,25*5 t e e 7 mg/l - Para t=20 dias y 20 L ,25*20 t e e 99 mg/l

14 Exemplo DBO e lançamento de efluente Resolução:

15 Cinética da desoxigenação Cinética da reaeração

16 Cinética da reaeração Trocas gasosas na interface gás-líquido Líquido deficiente de gás Sistema em equilíbrio Equilíbrio Dinâmico define a Concentração de Saturação (C s )

17 Cinética da reaeração Taxa de absorção de oxigênio é diretamente proporcional do déficit existente Quando maior o déficit, maior a avidez da massa líquida pelo oxigênio

18 Cinética da reaeração Progressão do déficit (D = C s - C) e da concentração do OD C S Concentração de OD D C S C Déficit de OD À medida que a concentração de OD se eleva devido à reaeração, o déficit diminui.

19 Cinética da reaeração Caracterizada por uma reação de primeira ordem dd dt 2 D D = déficit de oxigênio dissolvido, ou seja, a diferença entre a concentração de saturação (Cs) e a concentração existente em um tempo t (C), em mg/l t = tempo (dia) 2 coeficiente de reaeração (d - )

20 Cinética da reaeração Progressão temporal do déficit e da concentração de OD dd dt 2 D C S Concentração de OD 0 2 D D e t Déficit de OD D 0 = déficit de oxigênio inicial (mg/l) t = tempo (dia) C = concentração de OD em um tempo t (mg/l) Cs = Concentração de saturação de OD (mg/l) 2 = coeficiente de reaeração (d - ) D C S C

21 Cinética da reaeração Coeficiente de reaeração: 2 Características hidráulicas do canal (profundidade e declividade), presença de surfactantes, partículas suspensas, ação do vento e da temperatura da água; Valores típicos 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 Fonte: Adaptado de Von Sperling (2006)

22 Cinética da reaeração Coeficiente de reaeração: 2 Determinação in situ Métodos estatísticos Valores médios tabulados Estudo com traçadores : determinação da dispersão longitudinal e do coeficiente de reaeração

23 Cinética da desoxigenação Cinética da reaeração dl dt dd dt L 2 D ocasiona redução de OD (utilizado na oxidação) ocasiona aumento de OD (redução do déficit)

24 Dessa maneira, os dois processos podem ser agrupados em uma única equação: dd dt 2D L Aumento de OD Reduz o déficit Redução de OD Aumento do déficit

25 dd dt 2D L dd t 2D L0e dt L t t t e e D e D 2 2

26 Curva de depleção do oxigênio dissolvido t t t D e e e L D A curva de concentração de OD pode ser obtida diretamente desta equação, sabendo-se que: t S t D C OD t S t t S t e C C e e L C C

27 Esgotos Curso d água OD (m/l) C S D o C o D c C o C c t o t c Tempo ou distância (m) Pontos característicos da curva de depleção de OD

28 Concentração crítica de oxigênio Concentração crítica: identificação da necessidade ou não do tratamento de esgoto O tratamento, quando necessário, deve ser implementado com uma eficiência na remoção de DBO suficiente para garantir que a concentração crítica de OD seja superior ao valor mínimo permitido pela legislação (padrão para lançamento de corpos d água)

29 Curva de depleção do oxigênio dissolvido t S t t S t e C C e e L C C Cálculo do perfil de oxigênio dissolvido em função do tempo Cálculo do tempo crítico (tempo que ocorre a concentração mínima de oxigênio dissolvido) ln L C C t S c

30 Curva de depleção do oxigênio dissolvido Cálculo do déficit crítico t Dc L0e 2 Cálculo da concentração crítica de oxigênio C C C S D C Tempo de percurso t x U x é a distância a jusante do ponto de lançamento (m) U é a velocidade média do rio (m/s)

31 Exemplo Concentração da mistura Uma bacia contribuinte com 20 mil habitantes lança seus esgotos sem qualquer tratamento a um pequeno afluente do Rio Iguaçu. A vazão correspondente de esgoto é de 3520 m³/d e a DBO do esgoto bruto é de 400 mg/l. A esta contribuição juntam-se os despejos de uma indústria química orgânica com vazão de 850 m³/d e DBO bruta de 900 mg/l, cujo tratamento, na própria indústria, reduz em 90% a poluição orgânica (DBO). O rio, antes de receber estas contribuições poluentes, tem vazão de 2 m³/s e DBO de 6 mg/l. Calcular as novas características do rio na região de mistura.

32 Exemplo Decaimento de OD Um rio que escoa com uma velocidade de 0 m/d tem um déficit inicial de oxigênio de 4 mg/l e uma DBO última de 0 mg/l. A DBO tem um coeficiente de decaimento de 0,2/dia e o coeficiente de reaeração do rio é 0,4/dia. Qual é a localização do ponto crítico: (a) em tempo (b) em distância

33 Modelos de qualidade de água Descrever alterações espaciais e temporais que determinados constituintes experimentam nos corpos d água, alterações decorrentes de processos biológicos, químicos, bioquímicos e físicos; Avaliação abrangente dos impactos ambientais gerados por diversas atividades: Implantação de estações de tratamento de esgotos, Determinação da influência de obras hidráulicas na qualidade do meio aquático, Vazamentos acidentais de resíduos tóxicos, Uso do solo na bacia hidrográfica contribuinte. As bases matemáticas para a modelagem da qualidade da água foram estabelecidas pelos pesquisadores Streeter e Phelps, em 925.

34 Processos OD Respiração algal Fotossíntese Reaeração Decomposição da MO Oxigênio Dissolvido Redução de sulfato Nitrificação Qual2e Demanda pelo sedimento Denitrificação Qual2e e Streeter - Phelps

35 Processos simultâneos

36 (Streeter-Phelps) Problemas: efluentes primários e não tratados; Poluentes: DBO/OD; Sistema: rios e estuários (D); Cinética: linear; Soluções: analíticas. DBO Reaeração OD P R SOD (Computacional) Problemas: efluentes primários e não tratados; Poluentes: DBO/OD; Sistema: rios e estuários (D/2D); Cinética: linear; Soluções: analíticas e numéricas (Biologia) Problemas: eutrofização; Poluentes: nutrientes; Sistema: rio, lagos e estuários (D/2D/3D); Cinética: não linear; Soluções: numéricas. Peixes Zoo Fito NO 3 NH 3 PO 4 N org P org 977- hoje (Tóxicos) Problemas: tóxicos; Poluentes: orgânicos e metais; Sistema: interações água-sedimento, interações na cadeia alimentar (D/2D); Cinética: não linear; Soluções: analíticas e numéricas. Água Sedimentos Sólidos Tóxicos Biota Sólidos Água intersticial Bentos Adaptado de Chapra, 997

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

38 Representação de um trecho de rio

39 Balanço de Massa Qual2e c V t Acumulação c Ax DL x A x Uc dx dx x x Dispersão Advecção Transporte dc V dt Cinética Fontes Fe externas

40 Cinética DBO e OD simplificado d DBO dt R K DBO K DBO R [DBOR] = DBO remanescente (mg/l); K = coeficiente de desoxigenação (d - ); K3 = coeficiente de sedimentação (d - ). 3 R do dt K O O K DBO 2 s R K H 4 K2 = coeficiente de reaeração (d - ); K4 = coeficiente de sedimentação (go2/ m².d).

41 Cinética da Desoxigenação Coeficiente de sedimentação: 3 Efeitos de sedimentação são mais significativos em rios rasos (< m), com regime de escoamento pouco turbulento; Numericamente, é a razão entre velocidade de sedimentação da partícula (w) e da profundidade média da coluna d água; w depende das características físicas da partícula; Velocidade de sedimentação para diferentes partículas encontradas em rios Tipo de partícula Diâmetro ( m ) Velocidade de sedimentação (m/dia) Silte Argila 2 4 0,3 Sólidos orgânicos > 64 2,3 0 64,5 0 0,2 Fitoplancton ,39 2, Fonte: Adaptado de Chapra (997) 4,3 5,2 0, 0,28 2 0,08 0,24

42 Demanda de Oxigênio pelo Sedimento SOD: 4 Originado do consumo de oxigênio para decomposição do lodo depositado no fundo de rios (material orgânico depositado); Camadas com diferentes níveis de decomposição; Fatores que interferem: temperatura, concentração de OD na interface ar-água, profundidade da camada de sedimento, características orgânicas e físicas do sedimento, velocidade de escoamento acima da camada de sedimento; Valores associados à demanda de oxigênio da camada bentônica Tipo de leito e situação local Demanda Bentônica (go 2 /m²dia) Variação Média Lodo de esgoto nas proximidades do ponto de lançamento Lodo de esgoto - a jusante do ponto de lançamento 2,5 Leito estuarino 2,5 Leito arenoso 0,2,0 0,5 Leito de solo mineral 0,05 0, 0,07 Fonte: Adaptado de Rodrigues (2005)