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

Modelo Streeter-Phelps

Artigo_01

Artigo_02