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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
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
Montante do lançamento do efluente. Elevada
concentração de OD e vida aquática superior.
Condição natural do rio.
Zona de
Degradação
Jusante do ponto de lançamento. Diminuição
inicial na concentração de OD e presença de
organismos mais resistentes. Grupo coliformes.
Zona de
Decomposição Ativa
OD atinge o valor mínimo (crítico), podendo
chegar a anaerobiose (OD=0) e a vida aquática é
predominada por bactérias e fungos(anaeróbicos).
Zona de
Recuperação
Início do restabelecimento do equilíbrio anterior à
poluição, com presença de vida aquática superior.
Zona
“Águas Limpas”
Condições anteriores, restabelecimento do OD.
Zonas de Autodepuração
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: Fotossíntese
Reaeração
Respiração (oxidação da M.O.)
Consumo: Demanda Bentônica (lodo de fundo/sedimento)
Nitrificação (oxidação da Amônia)
Consomem OD Produzem OD
Balanço do Oxigênio Dissolvido (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
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
Curva OD x Lançamento
Ponto Crítico
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.
Modelo Streeter-Phelps
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
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
DBO50= concentração de DBO5, logo após a mistura (mg/L) L0 = demanda última de oxigênio, logo após a mistura (mg/L) DBOr = concentração de DBO5 do rio (mg/L) DBOe = concentração de DBO5 no esgoto (mg/L) KT = constante para transformação de DBO5 para DBO ultima
Modelo Streeter-Phelps 2. As Equações de Mistura
Modelo Streeter-Phelps
2. As Equações de Mistura
00 CCD s
csc CCD
Déficit de OD
Déficit inicial: D0
Déficit crítico: Dc
Modelo Streeter-Phelps 2. As Equações de Mistura
Exemplo de Aplicação
Qe = 0,200 m3/s
ODe = 0,0 mg/L
DBO5e = 320 mg/L
Qr = 0,700 m3/s
ODr = 6,5 mg/L
DBO5r = 2 mg/L
Qe = 0,200 m3/s
ODe = 0,0 mg/L
DBO5e = 320 mg/L
Qe = 0,200 m3/s
ODe = 0,0 mg/L
DBO5e = 320 mg/L
KT = 1,12
Temperatura = 28,4 oC
Altitude = 0,00 m
Calcule: a) C0: OD inicial na mistura
b) L0: DBOu inicial na mistura
c) Cs e Déficit inicial de OD (D0)
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) K1= 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).
Modelo Streeter-Phelps
3. Desoxigenação
K1: Coeficiente de desoxigenação
Fatores:
Característica da Matéria Orgânica
Temperatura
Substâncias inibidoras
Origem K1 (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
Modelo Streeter-Phelps
4. Reaeração - Cinética
Água exposta a um gás intercâmbio
Equilíbrio dinâmico está associado à concentração de saturação do gás na fase líquida (Cs)
Sistema em equilíbrio Líquido deficiente do gás
Modelo Streeter-Phelps
4. Reaeração - Cinética
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)
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
4. Reaeração
K2: Coeficiente de reaeração
Modelo Streeter-Phelps
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:
D = Déficit de OD
Do = Déficit inicial de OD
Lo = DBO no lançamento K1 e K2: Coeficientes de desoxigenação e reaeração (dia-1)
Esta equação permite acompanhar a
variação do déficit de OD ao longo do
tempo ou distância
Modelo Streeter-Phelps
Modelo Streeter-Phelps
Tempo Crítico (dia)
Déficit inicial de OD
OD em tempo t
Perfil OD ao longo de
tempo ou distância
Déficit Crítico
Concentração de OD no Ponto Crítico
(Concentração Crítica)
1. L0/D0 > K2/K1
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. L0/D0 = K2/K1
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. L0/D0 < K2/K1
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. K2/K1 = 1
Nesse caso, a aplicação da fórmula do tempo crítico será matematicamente indeterminada.
Modelo Streeter-Phelps
Utilização da fórmula do Tempo Crítico - tc
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. DBO5 rio montante (DBO5r)
6. DBO5 da fonte poluidora (DBO5e)
7. K1 e K2
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 m3/s
ODe = 0,0 mg/L
DBO5e = 341 mg/L
Qr = 0,651 m3/s
ODr = 7,0 mg/L
DBO5r = 2,0 mg/L
Velocidade = 0,35 m/s
Qe = 0,200 m3/s
ODe = 0,0 mg/L
DBO5e = 320 mg/L
Qe = 0,200 m3/s
ODe = 0,0 mg/L
DBO5e = 320 mg/L
K1 = 0,44 dia-1
K2 = 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
Resolução passo a passo
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 K1 = 0,40 d-1). d) Considerando um sistema de Tratamento Primário com eficiência de 50%, qual a nova concentração crítica de OD (adotar K1 = 0,36 d-1) e) Considerando um sistema de Tratamento Secundário com eficiência de 70%, qual a nova concentração crítica de OD (adotar K1 = 0,21 d-1)
Modelo Streeter-Phelps
1º Passo: Determinar a concentração de OD na mistura (C0)
2º Passo: Calcular a DBO5 e DBOu na mistura (L0)
3º Passo: Calcular o Déficit inicial de OD (D0)
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 (Ctc)
Resolução passo a passo
e
ou
CcCsDc
Classe 2 (5mg/L)
Perfil de OD ao longo de 50 km
Efluente sem Tratamento (0%Tratamento)
Lançamento sem tratamento: Não atendimento legal
OD: valores menores que 5 mg/L no percurso.
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Perfil OD (mg/L)
0% Tratamento
Perfil de OD (mg/L)
Diferentes percentuais de Tratamento
Classe 2 (5mg/L)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Perfil OD (mg/L)
0% Tratamento 30% Tratamento 50% Tratamento 70% Tratamento