aula 18 - autodepuracao dos corpos dagua

CIV 227 SANEAMENTO

Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas

Departamento de Engenharia Civil

Prof. Carlos Eduardo F Mello Contato: [email protected] Sala 07 DECIV/EM

Objetivos da aula

Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas

Departamento de Engenharia Civil

Apresentao dos principais conceitos de autodepurao dos cursos dgua

Poluio por matria orgnica

Principal problema:

Consumo de O2 Estabilizao da matria orgnica

Importncia do conhecimento do fenmeno da autodepurao:

Determinar a qualidade permitida para o efluente a ser lanado

Utilizar a capacidade de assimilao dos cursos dgua

3

Autodepurao

Restabelecimento do equilbrio no meio aqutico, por mecanismos essencialmente naturais, aps as alteraes induzidas pelos despejos afluentes.

Compostos orgnicos so convertidos a compostos inertes

gua depurada: quando suas caractersticas no mais sejam conflitantes com a sua utilizao em cada trecho

O ecossistema atinge o equilbrio, mas em condies diferentes das anteriores

4

Aspectos Ecolgicos da Autodepurao

Antes do lanamento de efluentes - ecossistemas em equilbrio

Aps lanamento de efluentes equilbrio afetado tendncia reorganizao (fenmeno de sucesso ecolgica)

5

Aspectos Ecolgicos da Autodepurao

A presena ou ausncia da poluio pode ser caracterizada

atravs da diversidade de espcies:

Ecossistema em condies naturais:

- elevada diversidade de espcies

- reduzido nmero de indivduos em cada espcie

Ecossistema em condies perturbadas:

- baixa diversidade de espcies

- elevado nmero de indivduos em cada espcies

6

Zonas de autodepurao

So 4 as principais zonas de autodepurao:

Zona de degradao

Zona de decomposio ativa

Zona de recuperao

Zona de guas limpas

7

Zona de degradao:

Ponto de lanamento do efluente

Elevada concentrao de matria orgnica

Elevada turbidez (formao de bancos de lodo)

Aps adaptao, inicia-se a proliferao bacteriana

Comea a decrescer os teores de MO e OD

CO2 e pH

Caractersticas das Zonas de autodepurao

8

Zona de degradao:

Lodo de fundo

- decomposio anaerbia

- gerao de H2S

Converso de N-orgnico em amnia

Diminuio do nmero de espcies, mas o nmero de indivduos por espcies ainda bem elevado


9

Zona de degradao:

Se esgotos domsticos concentrao de bactrias do grupo coliformes

Presena de protozorios

Presena de fungos

Quase ausncia de algas


10

Zona de decomposio ativa:

Qualidade da gua mais deteriorada

Ocorrncia do ponto crtico (ponto de menor concentrao de OD)

Diminuio da concentrao de matria orgnica e da turbidez

As bactrias decompositoras comeam a reduzir em nmero


11

Zona de decomposio ativa:

Ausncia de organismos superiores

Em condies de anaerobiose, h produo de CO2, CH4, H2O e H2S

Se eleva o nmero de protozorios

Diminui o nmero de bactrias patognicas


12

Zona de recuperao:

Aumento da concentrao de OD

Depsitos de lodo de fundo apresentam uma textura mais granulada e no h desprendimento de gases

Baixa concentrao de matria orgnica e microorganismos

A amnia convertida a nitrito e este a nitrato (fertilizao das guas)


13

Zona de recuperao:

Desenvolvimento de algas

Maior diversificao da cadeia alimentar

O nmero de bactrias e protozorios mais reduzido

Reaparecimento de peixes e outros organismos mais resistentes


14

Zona de guas limpas:

Condies ambientais equivalentes s existentes antes do lanamento do efluente, em termos de:

- Matria orgnica

- Oxignio dissolvido

- Bactrias

Autodepurao: processo de sucesso ecolgica (ecossistema resultante no final do processo diferente

do original)

As guas so mais ricas em nutrientes do que antes da poluio


15

Zonas de autodepurao

16

Fatores interagentes no balano de OD:

Concentrao de O2 no ar: 270 mg/l

Concentrao de O2 na gua: 9 mg/l

- OD = 4 5 mg/l morte de organismos aquticos mais exigentes

- OD = 2 mg/l mortalidade de todos os peixes

- OD = 0 mg/l anaerobiose

O OD tem sido utilizado para determinao do grau de poluio e de autodepurao em cursos dgua (medio simples e modelagem matemtica)

Balano de Oxignio Dissolvido

17

Oxidao da matria Orgnica:

Matria orgnica + O2 + bactrias CO2 + H2O + bactrias + energia

Nitrificao: Amnia + O2 nitrito + H+ + H2O

Nitrito + O2 nitrato + energia


18

Principais fenmenos interagentes no balano de OD

Consumo de Oxignio Produo de Oxignio

Oxidao da MO (respirao) Reaerao atmosfrica

Demanda bentnica (lodo de fundo) Fotossntese

Nitrificao (oxidao da amnia)


19

Existem modelos matemticos que incorporam todos os fenmenos descritos anteriormente.

Modelo simplificado que leva em considerao apenas:

consumo de oxignio: oxidao da matria orgnica (respirao)

produo de oxignio: reaerao atmosfrica

O modelo Streeter-Phelps (1925)

Modelo clssico de OD e DBO

Restrito s condies aerbicas no corpo d`gua.

Considera rios regime fluxo em pisto.

Modelos de Qualidade das guas

Modelos simplificado contribui: GRH Alocao de cargas poluidoras EIA para licenciamento

20

O Modelo Simplificado de Streeter-Phelps

21

Aplicao do modelo de Streeter Phelps

Dados de entrada do modelo

coeficiente de desoxigenao (K1)

coeficiente de reaerao (K2)

velocidade de percurso do rio (v)

tempo de percurso (t)

concentrao de saturao de OD (Cs)

oxignio dissolvido mnimo permissvel (ODmin)

vazo do rio, a montante do lanamento (Qr)

vazo de esgotos (Qe)

oxignio dissolvido no rio, a montante do lanamento (ODr)

oxignio dissolvido no esgoto (ODe)

DBO5 no rio, a montante do lanamento (DBOr)

DBO5 do esgoto (DBOe)

Velocidade v e morfometria (H e B) - Medio direta no curso dgua - Dados de estaes fluviomtricas - Frmulas hidrulicas para canais - Correlao com a vazo

22

Demanda bioqumica de oxignio

23

Cintica da Desoxigenao

Representa a Matria Orgnica remanescente na massa lquida em um dado instante.

Representa o oxignio consumido para estabilizar a matria orgnica at este instante

24


Formulao Matemtica:

- Reao de primeira ordem

- Taxa de oxidao da M.O. (dL/dt) proporcional matria

orgnica ainda remanescente (L), em um tempo t qualquer

- O sinal negativo indica remoo da matria orgnica

25


Formulao Matemtica:

26


Exerccio:

A interpretao de anlises de laboratrio de uma amostra de gua de um rio a jusante de um lanamento de esgotos conduziu aos seguintes valores: (a) Coeficiente de desoxigenao: K1 = 0,25 d

-1; (b) demanda ltima L0 = 100 mg/L. Calcular a DBO exercida a 1, 5 e 20 dias.

27


Exerccio:

28


Coeficiente de Desoxigenao (K1):

O coeficiente de desoxigenao funo de:

- Caractersticas da M.O.

- Temperatura

- Presena de substncias inibidoras

K1 base e = ln(10)x K1.base 10

29


Coeficiente de Desoxigenao (K1):

30


Influncia da Temperatura:

= 1,047 (EPA, 1987)

K 1 aumenta 4,7% a cada 1 C de acrscimo

A temperatura influencia no metabolismo bacteriano.

31

Cintica da aerao

Formulao Matemtica

- Reao de primeira ordem

- Taxa de absoro de oxignio. (dD/dt) proporcional ao

dficit existente (D).

32

Cintica da aerao

Formulao Matemtica

Progresso temporal da concentrao e do dficit de oxignio dissolvido

33


Coeficiente de reaerao (K2):

Mtodos para estimativa do coeficiente K2, caso no se

empreendam estudos experimentais no curso dgua:

Valores mdios tabelados

Valores em funo das caractersticas hidrulicas do corpo dgua

Valores correlacionados com a vazo do curso dgua.

34



Valores mdios tabelados

35



Valores em funo das caractersticas hidrulicas do corpo

dgua

36



Valores em funo das caractersticas hidrulicas do corpo dgua

Faixas de Aplicabilidade das Frmulas Hidrulicas para Determinao de K2

37



Valores correlacionados com a vazo do curso dgua.

-Correlaciona K2 com a vazo (H e v, intimamente associados vazo.

- Determina K2 para cada par de v e H da srie fluviomtrica

- Anlise de regresso entre os valores de K2 e os correspondentes valores da vazo.

40

Cintica da Reaerao


= 1,024

K2 aumenta 2,4% a cada 1 C de acrscimo

Fatores que atuam em sentidos opostos:

- Aumento de temperatura diminui solubilidade (Cs) do OD no

lquido

- Aumento de temperatura acelera os processos de absoro

de O2, aumentando o K2

41

Cintica da Reaerao


Concentrao de saturao de oxignio em gua limpa (mg/L)

Temperatura

(C)

Altitude (m)

0 500 1000 1500

10 11,3 10,7 10,1 9,5

11 11,1 10,5 9,9 9,3

12 10,8 10,2 9,7 9,1

13 10,6 10,0 9,5 8,9

14 10,4 9,8 9,3 8,7

15 10,2 9,7 9,1 8,6

16 10,0 9,5 8,9 8,4

17 9,7 9,2 8,7 8,2

18 9,5 9,0 8,5 8,0

19 9,4 8,9 8,4 7,9

42

Cintica da Reaerao


Concentrao de saturao de oxignio em gua limpa (mg/L)

Temperatur

a (C)

Altitude (m)

0 500 1000 1500

20 9,2 8,7 8,2 7,7

21 9,0 8,5 8,0 7,6

22 8,8 8,3 7,9 7,4

23 8,7 8,2 7,8 7,3

24 8,5 8,1 7,6 7,2

25 8,4 8,0 7,5 7,1

26 8,2 7,8 7,3 6,9

27 8,1 7,7 7,2 6,8

28 7,9 7,5 7,1 6,6

29 7,8 7,4 7,0 6,6

30 7,6 7,2 6,8 6,4 43

Equaes da Mistura

44

Equaes da Mistura

45

Equaes da Mistura

46

Equaes da Mistura

47

Equaes da Mistura

48

Equaes da Mistura

49

Equaes da Mistura

50

Curva de depleo de oxignio dissolvido

Taxa de variao do dficit de OD = Consumo de OD Produo de OD

51


Clculo do perfil de oxignio dissolvido em funo do tempo

52


Clculo do perfil de oxignio dissolvido em funo do tempo

53

Equaes da Mistura

54

Equaes da Mistura

55

Exerccio sobre Autodepurao

56

Uma cidade possui atualmente uma populao de 40.000 habitantes. Com base em dados dos ltimos censos, realizados pelo IBGE, estimou-se a sua populao para daqui a 20 anos como sendo igual a 62.000 habitantes. A cidade possui ainda uma indstria de laticnios, com produo de leite, queijo e manteiga, que processa atualmente cerca de 5.000 litros de leite por dia. H previses de expanso para daqui a 10 anos, quando a capacidade ser duplicada. A extenso da rede coletora de esgotos de aproximadamente 50 km, com um crescimento vegetativo de aproximadamente 1 km por ano. Atualmente os esgotos coletados so lanados sem tratamento em um curso dgua que apresenta as seguintes caractersticas: classe do corpo dgua : classe 2 vazo crtica : Q7,10 = 0,710 m

3/s extenso at a confluncia com o rio principal : 50 km altitude mdia : 1000 m temperatura da gua : 25 C profundidade mdia : 1,00 m velocidade mdia : 0,35 m/s DBO natural do curso dgua : 2,0 mg/l Considerando-se a situao daqui a 20 anos, pede-se : Calcular a eficincia de um sistema de tratamento dos esgotos da cidade para atender as

condies de DBO e OD permitidos para o curso dgua de acordo com a legislao vigente. Obs.: Assumir os dados que forem necessrios

57

1) Caracterizao do esgoto-situao futura

a) Clculo das vazes

Da Populao

De Infiltrao

620001016080,0 33.

_

mPqRQ fpop

dmQpop

/ 7936 3.

_

slkmkmslLTIQ / 21 )2050(./ 3,0.inf

_

dmQ / 4,1814 3.inf

_

58

Da Indstria

Adotando-se o valor de 7m3 de esgoto/1000l de leite processado (Tabela 2.28 de M.v. Sperling)

Vazo total

leitedemmdleitedemQind

/7/ 25 333.

_

dmQind

/ 70 3.

_

704,18147936_

T

Q

smdmQT

/ 114,0/ 4,9820 33_

59

b) Carga Orgnica e DBO

Carga de DBO (G)

Da Populao

Da Infiltrao

. 6200010./ 50 3. habkgdhabgGpop

dDBOdekgGpop / 3100.

0,0.inf G

60

Da Indstria

Adotando-se 25 kg DBO/1000 l de leite processado

Carga Total

dleitedemleitedemDBOkgGind / 10 / 2533

.

dDBOkgGind / 250.

2503100TG

dDBOkgGT / 3350

61

Concentrao de DBO (Lo)

2) Determinao dos dados de entrada

a) Qr = 0,710 m3/s vazo do rio

b) Qe= 0,114 m3/s vazo do esgoto

c) ODr = Oxignio Dissolvido no rio

dm

dDBOkg

Q

GL

T

To

/ 4,9820

/ 33503

lmgmkgLo / 341/ 341,03

62

Admitindo-se que o curso d`gua no apresente descargas poluidoras a montante do lanamento do esgoto, adotou-se a concentrao de OD no rio antes do lanamento, como 90% do valor da concentrao de saturao (Cs)

SperlingvMdeQuadroaltitudedemeClmgCs .. 10.3 ) 1000 25( / 5,7

5,790,090,0 sr COD

lmgODr / 8,6

63

Temperatura

(C)

Altitude (m)

0 500 1000 1500

10 11,3 10,7 10,1 9,5

11 11,1 10,5 9,9 9,3

12 10,8 10,2 9,7 9,1

13 10,6 10,0 9,5 8,9

14 10,4 9,8 9,3 8,7

15 10,2 9,7 9,1 8,6

16 10,0 9,5 8,9 8,4

17 9,7 9,2 8,7 8,2

18 9,5 9,0 8,5 8,0

19 9,4 8,9 8,4 7,9

Quadro 3.10. Concentrao de saturao de oxignio em gua limpa (mg/L)

64

Temperatura

(C)

Altitude (m)

0 500 1000 1500

20 9,2 8,7 8,2 7,7

21 9,0 8,5 8,0 7,6

22 8,8 8,3 7,9 7,4

23 8,7 8,2 7,8 7,3

24 8,5 8,1 7,6 7,2

25 8,4 8,0 7,5 7,1

26 8,2 7,8 7,3 6,9

27 8,1 7,7 7,2 6,8

28 7,9 7,5 7,1 6,6

29 7,8 7,4 7,0 6,6

30 7,6 7,2 6,8 6,4

65

d) Oxignio Dissolvido do Esgoto (ODe)

e) DBO do rio (DBOr)

f) DBO do esgoto (DBOe)

)( / 0,0 adotadolmgODe

lmgDBOr / 0,2

lmgDBOe / 341

66

g) Coeficiente de desoxigenao (K1)

Correo de K1 a temperatura de 25 C

)( 2.3 ) , 20( 38,0 11 IdemQuadroebaseCdK

)2025()20(

20 11 047,138,0 TCT KK

1

25 ,1 48,0 dK C

67

Origem K1 (dia-1)

Esgoto bruto concentrado 0,35 0,45

Esgoto bruto de baixa concentrao 0,30 0,40

Efluente primrio 0,30 0,40

Efluente secundrio 0,12 0,24

Curso d`gua com guas limpas 0,08 0,20

Quadro 3.2. Valores tpicos de K1 (base e, 20 C)

Corpo d`gua K2 (dia

-1)

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 rpidos 0,69 1,15

Corredeiras e quedas d`gua > 1,15 > 1,61

Quadro 3.3. Valores tpicos de K2 (base e, 20 C)

68

h) Coeficiente de reaerao (K2)

Frmula de OConnor e Dobbins Quadro 3.3 (Idem)

5,1

5,0

2 73,3H

vK

mHesmv rr 00,1 / 35,0

5,1

5,0

2)5,1(

)35,0(73,3 K

1

2 21,2 dK

69

Correo de K2 para a temperatura de 25 C

i) Tempo de percurso (t)

Considerando-se o rio como um reator de fluxo em pisto:

)2025()20(

20 .2 .2 )024,1(21,2 TCT KK

1

25 .2 49,2 dK C

percorridadistnciadv

dt ;

70

j) Concentrao de saturao de Oxignio Dissolvido (Cs)

l) Concentrao de OD mnimo permissvel (ODmin.). Considerando-se o rio como Classe 2, tem-se da Resoluo CONAMA n. 357:

dssm

mt

/ 86400/ 35,0

50000

dt 65,1

lmgCs / 5,7

lmgOD / 0,5.min

71

Resumo dos dados de entrada

Qe= 0,114 m3/s

ODe= 0,0 mg/l

DBOe= 341 mg/l

Qr= 0,710 m3/s

ODr= 6,8 mg/l

DBOr= 2,0 mg/l

v = 0,35 m/s

H = 1,00 m

D = 50.000 m

t = 1,65 d

K1= 0,48 d-1

K2= 2,49 d-1

Cs= 7,5 mg/l

ODmin.= 5,0 mg/l

72

3) Determinao dos dados de sada

a) Concentrao de Oxignio da mistura (Co)

O dficit inicial de Oxignio :

114,0710,0

0,0114,08,6710,0

er

eerro

QQ

ODQODQC

lmgCo / 9,5

9,55,7 oso CCD

lmgDo / 6,1

73

b) Concentrao de DBOltima da mistura (Lo)

DBO5 da mistura - DBO5o

mas,

114,0710,0

341114,00,2710,05

er

eerr

QQ

DBOQDBOQDBO

o

lmgDBOo

/ 495

)1( 1tK

o eLy

qualquerttempoemexercidaDBOy

74

Para a DBO5 , t = 5d e y = DBO5

c) tempo crtico (tc) e distncia crtica (dc)

O tempo e a distncia crticas so definidas para a concentrao crtica de Oxignio Dissolvido (ODc)

)1(

49

)1( 48,055

5

1

ee

DBOL

Ko

lmgLo / 54

75

Clculo do tempo crtico (tc)

1

12

1

2

12

)(1ln

1

KL

KKD

K

K

KKt

o

oc

48,054

)48,049,2( 6,11

48,0

49,2ln

48,049,2

1ct

dtc 75,0

76

Clculo da distncia crtica (dc)

d) Concentrao crtica de Oxignio Dissolvido (ODc)

O dficit crtico dado por:

dssmdvtd cc / 86400/ 35,0 75,0

kmmdc 7,22 22680

)( 1

2

1 ctK

oc eLK

KD

)54(49,2

48,0 75,048,0 eDc

77

A concentrao crtica dada por:

lmgDc / 2,7

2,75,7 csc DCOD

lmgODc / 3,0

78

e) Perfil de oxignio dissolvido ao longo do tempo e da distncia (Ct, d)

Considerando-se que as contribuies jusante do ponto de lanamento sejam pouco significativas, assume-se que a diluio por contribuies naturais (drenagem direta) seja controlada pela DBO distribuda ao longo do percurso.

Caso haja tributrios ou lanamentos de esgotos significativos a jusante, o curso d`gua dever ser subdividido em novos trechos.

uma condio essencial do modelo de Streeter Phelps que cada trecho seja constante e homogneo.

tKo

tKtKost eDee

KK

LKCC 221 )(

12

1

tttt eeeC

49,249,248,0 6,1)(48,049,2

5448,05,7

79

5,5

5,9

5,4

5,6

5,4

5,4

5,4

5,7

5,6

5,5

5,5

3,5

5,9

3,0

4,3

2,8

2,8

3,0

3,8

3,6

3,4

3,1

1,5

5,9

0,6

3,1

0,3

0,3

0,5

1,9

1,5

1,1

0,8

0,33 10,0

0,00 0,0

E = 65% E = 35% E = 0%

concentrao de OD (mg/l) tempo

(d)

distncia

(km)

0,50 15,0

0,17 5,0

0,83 25,0

0,66 20,0

0,99 30,0

1,65 50,0

1,49 45,0

1,32 40,0

1,16 35,0

Para diversos valores de t e d, tem-se:

80

Verificada a necessidade de algum de tipo de controle ambiental, deve-se definir qual tipo de controle dever ser adotado.

O controle clssico o tratamento da gua residuria (no caso, o esgoto) antes do seu lanamento no rio.

Outras alternativas, porm, podero ser adotadas como:

regularizao da vazo do curso d`gua

aerao do curso d`gua

aerao dos esgotos tratados

alocao de outro usos para o curso d`gua

Adotando-se a alternativa de tratamento do esgoto, deve-se investigar diferentes alternativas de nveis e eficincias de tratamento na remoo da DBO.

81

a) Alternativa 1: Tratamento Primrio Eficincia de 35% (Quadro 3.8)

100

bruto

tratadobruto

e

ee

DBO

DBODBOE

100341

34135

tratado

eDBO

lmgDBOtratadoe

/ 222

82

Tipo de

tratamento Sistema de tratamento

Eficincia

na remoo

de DBO

(%)

Primrio Tratamento primrio 25 40

Lagoas de

estabilizao

Lagoa facultativa

Lagoa anaerbia-lagoa facultativa

Lagoa aerada facultativa

Lagoa aerada de mistura completa-lagoa de

decantao

Lagoa + lagoa de maturao

Lagoa + lagoa de alta taxa

Lagoa + remoo de algas

75 85

75 85

75 85

75 85

75 85

75 - 85

80 - 90

Lodos

ativados

Lodos ativados convencional

Aerao prolongada

Lodos ativados convencional com remoo biolgica

de N

Lodos ativados convencional com remoo biolgica

de N/P

Lodos ativados + filtrao terciria

85 93

93 97

85 93

85 93

95 - 98

Quadro 3.8 Eficincias tpicas de diversos sistemas na remoo da DBO

83

Tipo de

tratamento Sistema de tratamento

Eficincia

na remoo

de DBO

(%)

Reatores

aerbios com

biofilmes

Filtro biolgico percolador (baixa carga)

Filtro biolgico percolador (alta carga)

Biodisco

Biofiltro aerado submerso

Biofiltro aerado submerso com remoo biolgica de N

Reator com biofilme + filtrao terciria

85 93

80 90

85 93

85 93

85 93

95 98

Reatores

anaerbios

Reator anaerbio de manta de lodo (reator UASB)

Fossa sptica-filtro anaerbio

Reator anaerbio de manta de lodo + ps-tratamento

60 80

70 90

varivel (*)

Disposio

controlada no

solo

Infiltrao lenta no solo

Infiltrao rpida no solo

Infiltrao subperficial no solo

Escoamento superficial no solo

Banhados artificiais (wetlands)

**

**

**

80 90

80 90

84

O novo coeficiente K1 (esgoto tratado a nvel primrio) pode ser obtido do Quadro 3.2, e adotado como:

Os demais dados de entrada permanecem os mesmos. A seqncia de clculo , tambm, a mesma. Encontra-se ODc = 2,8 mg/l para dc = 22,1 km.

Isto mostra que o tratamento a nvel primrio com E = 35% de remoo de DBO no eficiente.

) 20( 35,0 11 CTdK

) 25( 44,0 11 CTdK

85

b) Alternativa 2: Tratamento secundrio Eficincia de 65%

Encontra-se OD em todo o percurso superior a ODmin. = 5 mg/l.

Esta seria a soluo do problema.

lmgDBOtratadoe

/ 119

)20( 18,0 11 CTdK

)25( 23,0 11 CTdK

86

Perfis de OD - Diversas Alternativas

0

2

4

6

8

0 20 40 60

distncia (km)

OD

(m

g/l)

E = 0% E = 35% E = 65% OD mn = 5,0 mg/l

87

Obrigado!

Bibliografia Recomendada

Von Sperling, Marcos. Introduo qualidade das

guas e ao tratamento de esgotos. 3. ed. Belo

Horizonte: Ed. UFMG, 2005.

89

aula 18 - autodepuracao dos corpos dagua

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