Poluição Ambiental Autodepuração dos corpos d água Prof. Dr. Antonio Donizetti G. de Souza UNIFAL-MG Campus Poços de Caldas
Introdução Introdução de Matéria Orgânica na Água Gera consumo de OD Estabilização aeróbia da matéria orgânica. Todo curso d'água possui uma determinada capacidade de assimilação de despejos orgânicos. Autodepuração: Processo natural de recuperação do corpo hídrico após lançamento de matéria orgânica.
Autodepuração Importância da compreensão deste fenômeno: a) Capacidade suporte dos sistemas hídricos b) Cumprimento da legislação ambiental (padrão ambiental e de lançamento ) c) Determina a qualidade do efluente a ser lançado d) Determina o nível do tratamento necessário e eficiência de remoção a ser atingida Observação Importante: Compostos resistentes e inorgânicos (metais por exemplo) não são afetados pela Autodepuração
Lançamento de M.O. Zonas de Autodepuração
Zonas de Autodepuração 1. Zona de Águas Limpas 2. Zona de Degradação 3. Zona de Decomposição Ativa 4. Zona de Recuperação 5. Zona de Águas Limpas
Zonas de Autodepuração
Zonas de Autodepuração Zona Águas Limpas Zona de Degradação Zona de Decomposição Ativa Zona de Recuperação Zona Águas Limpas Montante do lançamento do efluente. Elevada concentração de OD e vida aquática superior. Condição natural do rio. Jusante do ponto de lançamento. Diminuição inicial na concentração de OD e presença de organismos mais resistentes. Grupo coliformes. OD atinge o valor mínimo (crítico), podendo chegar a anaerobiose (OD=0) e a vida aquática é predominada por bactérias e fungos(anaeróbicos). Início do restabelecimento do equilíbrio anterior à poluição, com presença de vida aquática superior. Condições anteriores, restabelecimento do OD.
Zonas de Autodepuração
Balanço do Oxigênio Dissolvido (OD) O OD tem sido historicamente utilizado pela Engenharia Ambiental para avaliar o Grau de Poluição e Autodepuração de cursos d'água. OD passível de modelagem matemática. Autodepuração Balanço entre o Consumo e Produção de OD Produção: Consumo: Fotossíntese Reaeração Respiração (oxidação da M.O.) Demanda Bentônica (lodo de fundo/sedimento) Nitrificação (oxidação da Amônia)
Balanço do Oxigênio Dissolvido (OD) Consomem OD Produzem OD
Modelos para descrever o fenômeno de Autodepuração Existem vários modelos que descrevem a Autodepuração Ex: Qual2E, Qual2K... Modelos simplificados que levam e consideração: 1. Consumo de OD Oxidação da M.O. 2. Produção de OD Reaeração atmosférica
Curva OD x Lançamento Ponto Crítico
Curva OD x Lançamento A Curva Permite: 1. Vinculação da Poluição com as Zonas de Autodepuração. 2. Importância relativa do consumo e produção de OD. 3. Ponto crítico de menor concentração de OD. 4. Comparação entre a concentração do Ponto Crítico e o valor mínimo estabelecido pela legislação. 5. Local onde o curso d água volta a atingir as condições desejadas.
Curva OD x Lançamento Ponto Crítico
Modelo Streeter-Phelps Primeira formulação matemática da área de qualidade da água, ainda hoje referência para vários modelos e estudos relacionados a autodepuração. Trabalho original: Streeter, H.W.; Phelps E.B. (1925). A Study of the Pollution and Natural Purification of the Ohio River. Public Health Bulletin, 146. Washington D.C.: U.S. Public Health Service. 1. Previsão do déficit de OD ocasionado por poluição de M.O. Biodegradável. 2. O processo de decomposição de M.O. provoca consumo de OD ao mesmo tempo que ocorre uma reaeração no corpo d'água pela atmosfera. Em Resumo O modelo descreve dois processos fundamentais na Curva de OD x Lançamento ao longo do tempo ou distância: 1. Desoxigenação (redução OD) 2. Re-oxigenação ou Reaeração (aumento de OD)
Modelo Streeter-Phelps
Modelo Streeter-Phelps 1. Cs: Concentração de Saturação OD (mg/l) Solubilidade OD: Temperatura ( C) Pressão (mmhg) Salinidade Cs (mg/l): Concentração de Saturação do OD em determinada Temperatura, Pressão e Salinidade.
Cs Concentração de Saturação de OD
Modelo Streeter-Phelps 2. As Equações de Mistura As condições no local de lançamento (mistura efluente-rio) são as condições iniciais (0) do modelo. Obs: As Equações de Mistura apenas refletem as concentrações instantâneas no local do lançamento. O decréscimo ou acréscimo ao longo do percurso é dado pelo modelo.
Modelo Streeter-Phelps 2. As Equações de Mistura
Modelo Streeter-Phelps 2. As Equações de Mistura C0 = concentração inicial de oxigênio, logo após a mistura (mg/l) Qr = vazão do rio a montante do ponto de lançamento (m³/s) Qe = vazão de esgotos (m³/s) ODr = concentração de oxigênio dissolvido no rio, a montante do lançamento dos despejos (mg/l) ODe = concentração de oxigênio dissolvido no esgoto DBO 5 0= concentração de DBO 5, logo após a mistura (mg/l) L0 = demanda última de oxigênio, logo após a mistura (mg/l) DBOr = concentração de DBO 5 do rio (mg/l) DBOe = concentração de DBO 5 no esgoto (mg/l) K T = constante para transformação de DBO 5 para DBO ultima
Modelo Streeter-Phelps 2. As Equações de Mistura Déficit de OD Déficit inicial: D 0 D C C 0 s 0 Déficit crítico: D c D c C s C c
Modelo Streeter-Phelps 2. As Equações de Mistura Exemplo de Aplicação KT = 1,12 Temperatura = 28,4 o C Altitude = 0,00 m Qe = 0,200 m 3 /s ODe = 0,0 mg/l DBO 5 e = 320 mg/l Qr = 0,700 m 3 /s ODr = 6,5 mg/l DBO 5 r = 2 mg/l Qe = 0,200 m 3 /s ODe = 0,0 mg/l DBO 5 e = 320 mg/l Calcule: Qe = 0,200 m 3 /s ODe = 0,0 mg/l DBO 5 e = 320 mg/l a) C 0 : OD inicial na mistura b) L 0 : DBO u inicial na mistura c) Cs e Déficit inicial de OD (D 0 ) d) Compare com valores da Classe 2 (CONAMA 357/05)
Modelo Streeter-Phelps 3. Desoxigenação - Cinética Equação da progressão da DBO remanescente: L= Concentração da DBO remanescente t= tempo (dias) K 1 = Coeficiente de desoxigenação (dia -1 ) - A taxa de redução de M.O. é proporcional a concentração de M.O. presente em dado instante. - O sinal negativo indica que haverá diminuição da DBO com o tempo. Integrando entre os limites de L=L0 e L=Lt, e t=0 e t=t: L = DBO remanescente em tempo t qualquer (mg/l). Lo = DBO remanescente em tempo t igual a zero = DBOu (mg/l).
3. Desoxigenação Modelo Streeter-Phelps K 1 : Coeficiente de desoxigenação Fatores: Característica da Matéria Orgânica Temperatura Substâncias inibidoras Origem K 1 (dia -1 ) Água residuária concentrada 0,35 0,45 Água residuária de baixa concentração 0,30 0,40 Efluente primário 0,30 0,40 Efluente secundário 0,12 0-24 Rio com águas limpas 0,09 0,21 Água para abastecimento público < 0,12
4. Reaeração - Cinética Modelo Streeter-Phelps Água exposta a um gás intercâmbio Sistema em equilíbrio Líquido deficiente do gás Equilíbrio dinâmico está associado à concentração de saturação do gás na fase líquida (Cs)
4. Reaeração - Cinética Modelo Streeter-Phelps Equação da Reaeração: D= déficit de oxigênio dissolvido, ou seja, diferença entre a concentração de saturação e a concentração existente em um tempo t (Cs-C) (mg/l) t= tempo (dia) K2= Coeficiente de reaeração (dia -1 ) Integrando a equação, com D0 em t= 0: D0= déficit de oxigênio inicial (mg/l)
4. Reaeração Modelo Streeter-Phelps K 2 : Coeficiente de reaeração Corpo d água Profundo Raso Pequenas lagoas 0,12 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 1,15 Corredeiras e queda d água > 1,15 > 1,61
Modelo Streeter-Phelps Portanto, sabendo-se que: Desoxigenação Reaeração São simultâneos, pode-se combinar as equações para representar a variação do déficit de OD com o tempo: Taxa de variação do déficit de OD = Consumo de OD Produção de OD
Modelo Streeter-Phelps Taxa de variação do déficit de OD = Consumo de OD Produção de OD Integrando: Esta equação permite acompanhar a variação do déficit de OD ao longo do tempo ou distância D = Déficit de OD Do = Déficit inicial de OD Lo = DBO no lançamento K1 e K2: Coeficientes de desoxigenação e reaeração (dia -1 )
Modelo Streeter-Phelps
Modelo Streeter-Phelps Déficit inicial de OD Tempo Crítico (dia) Déficit Crítico Concentração de OD no Ponto Crítico (Concentração Crítica) OD em tempo t Perfil OD ao longo de tempo ou distância
Modelo Streeter-Phelps Utilização da fórmula do Tempo Crítico - tc 1. L 0 /D 0 > K 2 /K 1 Tempo crítico positivo Logo após o instante de lançamento haverá uma queda no nível de OD, ocasionando assim um déficit crítico superior ao inicial. 2. L 0 /D 0 = K 2 /K 1 Tempo crítico igual a zero Ocorre no exato momento de lançamento do efluente. O déficit inicial se iguala ao déficit crítico. Isso ocorre devido o curso d água apresentar uma boa capacidade regeneração, mesmo com os despejos afluentes, não sofrendo quedas em seus níveis de OD. 3. L 0 /D 0 < K 2 /K 1 Tempo crítico negativo Significa que a concentração de OD tende a aumentar, desde o ponto de lançamento do efluente. A capacidade de autodepuração do corpo hídrico é maior do que a capacidade de degradação do efluente, onde o déficit inicial se apresenta como o maior observado. Em termos práticos, o tempo crítico pode ser considerado como sendo igual a zero, onde no ponto de mistura o OD irá apresentar seus menores valores. 4. K 2 /K 1 = 1 Nesse caso, a aplicação da fórmula do tempo crítico será matematicamente indeterminada.
Modelo Streeter-Phelps Quais são os dados de entrada para o Modelo Streeter-Phelps? 1. Vazão do rio a montante (Qr) 2. Vazão da fonte poluidora (Qe) 3. OD rio montante (ODr) 4. OD da fonte poluidora (ODe) 5. DBO 5 rio montante (DBO 5 r) 6. DBO 5 da fonte poluidora (DBO 5 e) 7. K 1 e K 2 8. Velocidade do percursos (m/s) 9. Tempo do percurso (dia) 10. Concentração de Saturação de OD (Cs, mg/l) 11. OD mínimo permissível pela legislação (CONAMA 357/05)
Exercício Qe = 0,114 m 3 /s ODe = 0,0 mg/l DBO 5 e = 341 mg/l Qr = 0,651 m 3 /s ODr = 7,0 mg/l DBO 5 r = 2,0 mg/l Velocidade = 0,35 m/s Qe = 0,200 m 3 /s ODe = 0,0 mg/l DBO 5 e = 320 mg/l Qe = 0,200 m 3 /s ODe = 0,0 mg/l DBO 5 e = 320 mg/l K 1 = 0,44 dia -1 K 2 = 3,31 dia -1 KT = 1,12 Cs = 7,8 mg/l Rio enquadrado em Classe 2 (CONAMA 357/05) Limites OD > 5,0 mg/l DBO < 5,0 mg/l
Questões: a) Em qual distância (km) a concentração de OD é crítica? b) Qual o valor crítico de OD (mg/l)? Compare com o enquadramento legal do rio. c) Considerando um sistema de Tratamento Primário com eficiência de 30%, qual a nova concentração crítica de OD (adotar K 1 = 0,40 d -1 ). d) Considerando um sistema de Tratamento Primário com eficiência de 50%, qual a nova concentração crítica de OD (adotar K 1 = 0,36 d -1 ) e) Considerando um sistema de Tratamento Secundário com eficiência de 70%, qual a nova concentração crítica de OD (adotar K 1 = 0,21 d -1 ) Resolução passo a passo
Modelo Streeter-Phelps
Resolução passo a passo 1º Passo: Determinar a concentração de OD na mistura (C 0 ) 2º Passo: Calcular a DBO 5 e DBO u na mistura (L 0 ) 3º Passo: Calcular o Déficit inicial de OD (D 0 ) 4º Passo: Calcular o tempo crítico (dia)
Resolução passo a passo 5º Passo: Transformar tempo crítico em distância (m ou km) 6º Passo: Calcular a concentração de OD no tempo crítico (C tc ) e Dc Cs Cc ou
Perfil de OD ao longo de 50 km Efluente sem Tratamento (0%Tratamento) 7 Perfil OD (mg/l) 6 5 Classe 2 (5mg/L) 4 3 2 1 0 Lançamento sem tratamento: Não atendimento legal OD: valores menores que 5 mg/l no percurso. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0% Tratamento
Perfil de OD (mg/l) Diferentes percentuais de Tratamento 8 Perfil OD (mg/l) 7 6 5 Classe 2 (5mg/L) 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0% Tratamento 30% Tratamento 50% Tratamento 70% Tratamento
Modelo Streeter-Phelps Artigo_01 Artigo_02