aula 4 - qualidade das Águas químicos_2

8/18/2019 Aula 4 - Qualidade Das Águas Químicos_2

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Qualidade das Águas

Características físicas, químicas e biológicas deáguas de abastecimento e águas residuárias.

Importância sanitária e ambiental.

Padrões Químicos

Parte 2

IPH02050 – Tratamento de água e esgoto - Turma A

Prof. Luiz Fernando Cybis


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Parâmetros químicos pH

Acidez e alcalinidade

Dureza

Ferro e Manganês

Oxigênio Dissolvido

• Matéria orgânica

– Demanda bioquímica de oxigênio

– Demanda química de oxigênio

• Nitrogênio

• Fósforo

• Enxofre

• Micropoluentes orgânicos e inorgânicos

•

Outros

Vistos na última aula


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Mede a quantidade de oxigênio requerida por microrganismos para

estabilização da matéria orgânica presente em esgotos ou qualqueroutra amostra de água. É uma medida agregada da concentração dematéria orgânica presente em uma amostra, já que não especifica sea matéria orgânica é proteína, carboidrato, ou qualquer outro

composto orgânico.Estabilização é entendida como mineralização do carbonoorgânico, isto é, a transformação do carbono orgânico em inorgânicoatravés de uma reação de oxidação-redução. Este tipo de reaçãoquímica envolve a transferência de elétrons entre átomos, moléculas

ou íons.

Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO)

O H COOO H C 2226126 666


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Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) O teste da DBO é feito medindo-se as concentrações de oxigêniodissolvido em amostras a partir do instante zero (dia 0) e dias

subsequentes (dias 1, 2, 3, 4, etc) até que toda a matéria orgânicadentro do frasco tenha sido “consumida”. Os frascos sãoincubados à temperatura constante de 20C. Ao final de 24 horas,mede-se a concentração de OD da amostra. A diferença nasconcentrações de oxigênio dissolvido presente na amostra do diazero e amostra do dia 1 corresponde a demanda bioquímica deoxigênio de um dia. Ao final do dia 2, mede-se a concentração deOD presente na amostra; a diferença entre as concentrações de ODno dia zero e dia 2 corresponde a demanda de oxigênio de dois

dias. Este procedimento pode ser repetido, dia a dia. Para esgotosdomésticos, constata-se que, aproximadamente no dia 20, toda amatéria orgânica presente terá sido oxidada. Isto pode serverificado observando-se que as concentrações de oxigênio

dissolvido medidos em dois dias consecutivos permanecemconstantes.


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Procedimento para Determinação de DBO

................................

DBO120 = OD0 – OD1

DBO220

= OD0 – OD2 DBO3

20 = OD0 – OD3 ........ DBO5

20 = OD0 – OD5 ......... .......... DBO20

20 = OD0 – OD20

t = zeroOD = OD0

t = 1 diaOD = OD1

t = 2 diasOD = OD2

t = 20 diasOD = OD20



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Diluição: oxigênio é pouco solúvel na água, sendo que a solubilidade depende da

temperatura. Por exemplo, a concentração de saturação de oxigênio dissolvido na água à

temperatura de 20C é 9,2 mg/L. O que acontece quando a DBO de uma amostra é

maior do que 9,2 mg/L? Todo o oxigênio dissolvido seria consumido, mas a amostraainda conteria matéria orgânica a ser oxidada sem que isto seja possível devido a

ausência de oxigênio. Por exemplo, a DBO520

de um esgoto doméstico pode chegar a

300 mg/L. O que fazer? Nestes casos, faz-se diluição nas amostras. Por exemplo, uma

diluição seria utilizar 30 mL de amostra com 270 mL de água de diluição. A Equação

mostra o cálculo da DBO para amostras diluídas.

a

g

t t V

V ODOD Lmg DBO 0

20 )/(

sendo DBOt20

= demanda bioquímica de oxigênio no dia t, 20C, mg/LOD0 = oxigênio dissolvido inicial da mistura amostra + água de

diluição, mg/LODt = oxigênio dissolvido na mistura amostra + água de diluição ao

final do dia t, mg/L

Vg = volume da garrafa de OD, mL

Va = volume da amostra, mL

Note que Vg –

Va = volume da água de diluição.



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O que é realmente água de diluição? Água de diluiçãoé preparada com água destilada na qual sãoadicionados nutrientes, minerais e substâncias quetamponam a água ao pH 7,0, considerado ótimo para

os microrganismos heterotróficos que fazem aoxidação da matéria orgânica. A água de diluição étambém saturada com oxigênio dissolvido.


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Uma amostra coletada do esgoto que chega numa ETEfoi diluída da seguinte forma: 7,5 mL de amostra em

292,5 mL de água de diluição. Esta amostra diluída foi

analisada para determinação da DBO520

e DBOu. A

concentração de oxigênio dissolvido da amostra diluída,

medida à 20C, no dia zero foi de 8,0 mg/L. Ao final doquinto dia, a concentração de OD na amostra diluída

incubada foi de 2,5 mg/L. Ao final do vigésimo dia, a

concentração de OD na amostra diluída incubada era de

1,0 mg/L. Quais são os valores da DBO520 e DBOu?

Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO)Exemplo


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dias

C o n s u m o d e O x i g ê n i o ( m

g O 2 / L )

5 dias 20 dias

DBO remanescente

DBO última ou

carbonácea


DBO exercida

DBO carbonácea


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Demanda Bioquímica de Oxigênio - DBODBO carbonácea e nitrogenada


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Curvas de DBO exercida e DBO remanescente

A cinética de oxidação da matéria orgânica de esgotos caracteriza-sepor ser de “primeira-ordem”. Em qualquer tempo, uma reação de primeiraordem apresenta velocidade de reação proporcional a concentraçãoremanescente da matéria orgânica (Equação 4).

Ldt

dL (Eq. 4)

sendo dL/dt = velocidade de oxidação da matéria orgânicaL = concentração da matéria orgânica remanescente

A Equação (4) pode ser transformada em uma igualdade através de umaconstante (Equação 5).

Lk dt

dL 1 (Eq. 5)

sendo k1 = constante de reação



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Integrando-se a Equação (5),

t t

t

t t

L L

L L

t k L

Lt k L Ldt k

L

dLt

0

1

0

101 lnlnln

0

(Eq. 6)

Tomando-se a exponencial em ambos os lados da Equação (6), chega-se aequação que relaciona a matéria orgânica remanescente em qualquerinstante t como função da constante de reação k1, do tempo t e daconcentração inicial de matéria orgânica na amostra

t k t e L L 1

0 (Eq. 7)



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Caso seja adotado base 10, tem-se t k t L L

'

1100 , sendo303,2

1'1

k k .

Se a matéria orgânica é representada pela DBO, L0 na Equação (6)representa a DBO última (DBOu). Quando t = zero, Lt = L0. Isto significa que

nenhuma matéria orgânica foi oxidada ainda. Para qualquer outro tempo t, ovalor Lt representa a matéria orgânica remanescente, ou seja, aquela queainda não foi oxidada. É chamada de DBO remanescente. Portanto,

L0 = DBO última, mg/LLt = DBO remanescente, mg/L

A DBO exercida é a diferença entre a DBOu e a DBO remanescente.

yt = L0 –

Lt (Eq. 8)

sendo yt = DBO exercida até o instante t

Substituindo-se a Equação (7) na Equação (8) tem-se

)1( 11 000t k t k

t e Le L L y

(Eq. 9)

yt na Equação (9) tem o valor da DBO para o tempo t. Por exemplo, para t = 5dias, y5 = DBO5. Quando t , y = L0. Para o caso particular de esgotosdomésticos, quando t = 20 dias, y20 = L0.

A título de exemplo, apresenta-se na Figura (2) os gráficoscorrespondentes a DBO remanescente e DBO exercida conforme asEquações (7) e (9). Para cálculo do gráfico considerou-se o valor de DBOu(L0) igual a 350 mg/L, e o coeficiente da reação k1 igual a 0,30 dia

-1. Estes

valores são típicos de esgotos domésticos. O Quadro (1) apresenta osvalores calculados em função do tempo.



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Quadro 1 Valores das Concentrações de DBO Remanescente (L t) e DBOExercida (yt)

Tempo Lt yt

0 350 01 259 91

2 192 158

3 142 208

4 105 245

5 78 272

6 58 292

7 43 3078 32 318

9 24 326

10 17 333

11 13 337

12 10 340

13 7 343

14 5 34515 4 346

16 3 347

17 2 348

18 2 348

19 1 349

20 1 349



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0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25

M a t é r i a O r g â n i c a

Tempo (dias)

Curvas de Oxidação da Matéria Orgânica

DBO exercida = yt = L0(1 - e-kt)

DBO remanescente = Lt = L0e-kt

DBOu = L0



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Vantagens e limitações do teste da DBO

Demanda Bioquímica de Oxigênio - DBO


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• Água: nada consta

• Esgoto: nada consta

• Classes d’água: • Classe 1: DBO 5 dias a 20°C até 3 mg/L O2;• Classe 2: DBO 5 dias a 20°C: até 5 mg/L O2;•

Classe 3: DBO 5 dias a 20°C: até 10 mg/L O2;• Classe 4: nada consta.

Demanda Bioquímica de Oxigênio (padrões)


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• Como a DBO, o teste da DQO é usado para medir a

quantidade de matéria orgânica presente em uma amostrade água ou esgoto. No entanto, em vez de oxigêniodissolvido, um reagente químico é utilizado para oxidaçãoda matéria orgânica. A quantidade de reagente utilizada éconvertida em equivalentes de oxigênio dissolvido.

•

O agente oxidante utilizado no teste da DQO é o dicromatode potássio. (Agente oxidante é aquele que é reduzido nareação química, isto é, ganha elétrons). O teste é realizadoem meio ácido em temperatura elevada.

• A concentração da DQO normalmente será maior do que ovalor da DBO uma vez que compostos que não podem ser

biodegradados por microrganismos são quimicamenteoxidados pelo dicromato de potássio.

• Piridina, tolueno e benzeno resistem ao dicromato.• Substâncias reduzidas serão oxidadas pelo dicromato.

Demanda Química de Oxigênio (DQO)


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Vantagens e limitações do teste da DQO


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• Água: nada consta

• Esgoto: nada consta

• Classes d’água: nada consta

Demanda Química de Oxigênio (padrões)


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Relação DQO/DBO

• Avalia a eficiência na remoção da matériaorgânica biodegradável;

• Em esgotos sanitários esta relação varia entre 1,7

e 2,4. Valores muito elevados desta relaçãoindicam possibilidades de insucesso no tratamento biológico;

•

Aumenta à medida que a fração biodegradável éremovida nas unidades da estação.


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Considerações em função da relação DQO/DBO


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Nitrogênio

• Principais formas de nitrogênio: – Nitrogênio orgânico (proteínas);

– Nitrogênio amoniacal:• Amônia livre - NH3• Amônia ionizada - NH4+

– Nitrito - NO2-

– Nitrato - NO3- – Gás nitrogênio - N2


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Nitrogênio

•

Indicador do estágio da poluição: – Poluição recente: nitrogênio na forma orgânica ou de

amônia (NTK de 20 a 70 mg/L);

– Poluição antiga: nitrogênio na forma de nitrato.

• Nitrogênio amoniacal:

– pH < 8: na forma de NH4+;

– pH = 9,5: 50% NH4+ e 50% NH3;

– pH > 11: todo na forma NH3.


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Espécies de interesse Nitrogênio Orgânico - (Norg):o teor do nitrogênio orgânico é

indício da poluição da água com esgoto ou resíduo industrial.

Nitrogênio Amoniacal: NH4+ NH3 + H+. Naturalmente presente nas águas superficiais e esgotos, é tóxica aos peixes,

mesmo em baixas concentrações, dependendo do pH.

Águas naturais, superficiais e profundas < 10 mg/l. Águasresiduárias > 30 mg/l

Nitrogênio


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• Nitrito: NO-2 - Muito raramente aparece em concentração superior a 1,0

mg/l. Em águas superficiais ou profundas geralmente é inferior a 0,1 mg/l,

pois é instável em presença do oxigênio em água.

• Nitrato: NO3- - As águas superficiais de boa qualidade são em geral, pobres em nitratos em face deste ânion ser facilmente absorvido pela

vegetação em crescimento, embora atinja altos níveis em águas de

profundidade.

Em concentrações acima de 10 mg/L contribui para o desenvolvimento da

doença conhecida como metahemoglobinemia (cianose).

Nitrogênio


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Transformação do nitrogênio

Nitrogênio na água ou esgoto

(sob forma de uréia e proteínas)Bactérias

Nitratos (poluiçãoantiga)

Nitritos (poluiçãorecente)

Bactérias

Nitrobacter

Nitrogênio

Amoniacal

Bactérias

Nitrossomonas

Nitrogênio

N2

Bactérias

Desnitrificantes


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Transformações do nitrogênio

Nitrogênio


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Formas predominante do nitrogênio nos esgotos

Nitrogênio

Nitrogênio (padrões)


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• Água:• Nitrato (como N) – 10 mg/L e Nitrito (como N) 1,0 mg/L• Amônia (como NH

3) - 1,5 mg/L

• Esgoto: Nitrogênio amoniacal total 20,0 mg/L N• Classes d’água:

• Classe 1 e 2: Nitrato 10,0 mg/L N, Nitrito 1,0 mg/L N, e Nitrogênio amoniacal total:

• 3,7mg/L N, para pH ≤ 7,566 • 2,0 mg/L N, para 7,5 < pH ≤ 8,0 • 1,0 mg/L N, para 8,0 < pH ≤ 8,5 • 0,5 mg/L N, para pH > 8,5

• Classe 3: Nitrato 10,0 mg/L N, Nitrito 1,0 mg/L N, e

Nitrogênio amoniacal total:• 13,3 mg/L N, para pH ≤ 7,5• 5,6 mg/L N, para 7,5 < pH ≤ 8,0

• 2,2 mg/L N, para 8,0 < pH ≤ 8,5

• 1,0 mg/L N, para pH > 8,5

•

Classe 4: nada consta.

Nitrogênio (padrões)


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O fósforo na água apresenta-se principalmente na forma de fosfatos

(PO4)- e sua presença está relacionada a processos de ocorrênciasnaturais como lixiviação de rochas minerais, processos de degradação,chuva e carreamento do solo, ou a processos de origem antropogênicacomo o lançamento de resíduos industriais, agrícolas e domésticos. Oscompostos de fósforo são essenciais para todas as formas de vida e são

considerados os nutrientes mais facilmente controláveis para limitar ocrescimento de plantas objetáveis. As principais fontes de fosfato naágua são o solo, detergentes, fertilizantes, despejos industriais eefluentes domésticos. Alta concentração de fosfatos na água estáassociada com o processo de eutrofização de lagos e represas,

provocando o desenvolvimento de algas ou outras plantas aquáticasdesagradáveis. Em águas naturais não poluídas as concentrações defósforo situam-se na faixa de 0,01 a 0,05 mg/L.

Fósforo


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Fósforo• Principais formas:

– Fósforo orgânico (proteínas e ácidos nucléicos);

– Fósforo inorgânico:

• Ortofosfato (PO43-, HPO4

2-, H2PO4-, H3PO4);

• Polifosfato.

– Os ortofosfatos são as formas de fósforo que são disponíveis para o

metabolismo dos microrganismos, sem haver necessidade de

decomposição química. Polifosfatos são compostos formados por dois

ou mais átomos de fósforo ligados a átomos de oxigênio. Polifosfatos

sofrem hidrólise, revertendo-se a formas de ortofosfatos. A taxa

desta reação, contudo, é muito lenta.

ó f


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Fósforo

• Valores de Fósforo Total podem ser utilizados

como indicativos aproximados do estado de

eutrofização de lagos:

– P < 0,01-0,02 mg/L: não eutrófico;

– P entre 0,02 e 0,05 mg/L: estágio intermediário;

– P > 0,05 mg/L: eutrófico


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• Água: nada consta• Esgoto: nada consta•

Classes d’água: • Classe 1:

• Fósforo total (ambiente lêntico) 0,020 mg/L P• Fósforo total (ambiente intermediário, com tempo de residência entre 2 e 40

dias, e tributários diretos de ambiente lêntico) 0,025 mg/L P• Fósforo total (ambiente lótico e tributários de ambientes intermediários) 0,1

mg/L P• Classe 2: Fósforo total:

• a) até 0,030 mg/L, em ambientes lênticos; e,• b) até 0,050 mg/L, em ambientes intermediários, com tempo de residência

entre 2 e 40 dias, e tributários diretos de ambiente lêntico.• Classe 3:

• Fósforo total (ambiente lêntico) 0,05 mg/L P• Fósforo total (ambiente intermediário, com tempo de residência entre 2 e 40

dias, e tributários diretos de ambiente lêntico) 0,075 mg/L P• Fósforo total (ambiente lótico e tributários de ambientes intermediários) 0,15

mg/L P• Classe 4: nada consta

Fósforo (padrões)


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O enxofre encontra-se presente em águas naturais e esgotos. umelemento requerido para síntese de proteínas e é liberado em suas

decomposições. Em condições anaeróbias, sulfato é reduzido, por bactérias, ao íon sulfeto, o qual combina-se com hidrogênio para formarsulfeto de hidrogênio. Este último composto é responsável pelo mau-cheiro as vezes detectado em esgotos.

Matéria orgânica + 222 bactéria24 COOHSSO

SHH2S 22

Em redes de esgotos, o sulfeto de hidrogênio movimenta-se em direçãoao espaço acima do líquido onde pode ser oxidado biologicamente aácido sulfúrico, que é corrosivo a tubulações de concreto.

O sulfeto de hidrogênio é formado, também, no processo dedigestão anaeróbia de lodos, deixando o digestor junto com os demaisgases formados no processo (metano e gás carbono).

Enxofre

Enxofre (padrões)


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• Água: Sulfato 250 mg/L e Sulfeto de Hidrogênio 0,05

mg/L.

• Esgoto: Sulfeto 1,0 mg/L S.

• Classes d’água: • Classe 1 e 2: Sulfato total 250 mg/L SO4 e Sulfeto

(H2S não dissociado) 0,002 mg/L S.•

Classe 3: Sulfato total 250 mg/L SO4 e Sulfeto (comoH2S nao dissociado) 0,3 mg/L S.• Classe 4: nada consta.

Enxofre (padrões)


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Micropoluentes orgânicos• Diversos compostos orgânicos na forma de sólidos dissolvidos;

• Principais: defensivos agrícolas, detergentes (ABS) e outros produtos químicos sintéticos ou não;

• Origem: natural (decomposição de compostos vegetais comotanino, ligninas, celulose, etc.), efluentes industriais, detergentes,

processamento de refino de petróleo e defensivos agrícolas;• Além de sua difícil biodegradabilidade, muitos desses compostos

apresentam características carcinogênicas, mutagênicas (atuam sobas células reprodutoras) ou até mesmo teratogênicas (geração de

fetos com graves deficiências físicas).

OBS. – Padrões variados nas legislações específicas

POP


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POPsOs Poluentes Orgânicos Persistentes (POPs) são compostos

altamente estáveis e que persistem no ambiente, resistindo à

degradação química, fotolítica e biológica. Têm a capacidade debio-acumular em organismos vivos, sendo tóxicos para estes

incluindo o homem. Actuam negativamente sobretudo como

disruptor dos sistemas reprodutivo, imunitário e endócrino,

sendo também apontados como carcinogénicos. Outra

característica muito importante é o facto de serem

transportados a longas distâncias pela água, vento ou pelos

próprios animais. Os POPs podem ser divididos em pesticidas

(ex. DDT, aldrina, toxafeno), em Policlorobifenilos (PCBs) e

Dioxinas e Furanos, sendo estes resultantes sobretudo deincinerações industriais e de resíduos. Os pesticidas começaram

a ser usados em larga escala após a II Guerra Mundial tanto na

protecção de culturas agrícolas como em prevenção de doenças

(malária)


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Micropoluentes inorgânicos

•Compostos inorgânicos na forma de sólidos suspensos esólidos dissolvidos;

• Principais: Fe, Mn, Cd, Cr, Pb, Hg e Ag;

• Origem: despejos de efluente industrial, atividadesmineradoras e agricultura;

OBS. – Padrões variados nas legislações específicas

i l i â i


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Elemento Fonte Efeitos Selênio

Mercúrio

Berílio

Cádmio

Cobre

Chumbo

Cromo

Zinco

Alumínio

Manganês

Carvão, Petróleo, Enxôfre

Carvão, Baterias Elétricas, outras indústrias

Carvão, Ind. Nuclear, Comb. de Mísseis,

Mineração

Carvão, Mineração de Zn, Lonas de freio,Fumaça de cigarro

Canos d'água, Controle de algas, IndústriaDescarga de canos, Acabamento de metais,Curtumes,Acabamento de metais, Mineração, Carvão

Abundante na crosta terrestre

Mineração e metais

Câncer em ratos e cáries em animais

Danos nervosos, Morte

Envenenamento agudo e crônico, Câncer

Doenças cardiovasculares,

Hipertensão

Danos ao fígado, Tóxico às plantas

Dano ao cérebro, Convulsões

Possível carcinogênicoEfeitos no pulmão

Tóxico às plantas

Relativamente não tóxico

Metais pesados, fontes e possíveis efeitos sobre a saúde

Micropoluentes inorgânicos


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Outros

Uma variedade de parâmetros químicos podem ser avaliados naágua e no esgoto, dependendo dos objetivos de seu uso, do tipo de

poluição e finalidade do estudo. Entre outros parâmetros aqui nãodescritos pode-se destacar: detergentes (tenso-ativos);radiatividade; cloro residual; gases dissolvidos; fluoretos; benzeno

e trihalometanos.A presença de íons como cianetos e cromatos são importantestambém na constituição dos esgotos. Os processos de tratamento deesgotos domésticos não são dimensionados visando a remoçãodestes compostos em particular. Entretanto, alguns compostos são

removidos parcialmente, de modo indireto. Cianetos e cromatosocorrem em maiores concentrações em águas residuárias de certos

processos industriais como galvanoplastia.

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