aula 6e7 - autodepuração

8/18/2019 Aula 6e7 - Autodepuração

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Autodepuração dos Cursosd’água

IPH02050 – Tratamento de água e esgoto - Turma A

Prof. Luiz Fernando Cybis


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Com o lançamento de despejos em corpos d’água, além do aspectovisual desagradável, da exalação de gases mal cheirosos e ainda da

possibilidade de contaminação de animais ou de seres humanos, pelo consumo ou contato com esta água, ocorre o declínio daconcentração de oxigênio dissolvido (OD) no meio, comprometendoa sobrevivência de seres de vida aquática.

Existem quatro zonas de autodepuração ao longo de um cursod’água que recebe esgotos ricos em matéria orgânica. São elas:

zona de degradação,

zona de decomposição ativa,

zona de recuperação, ezona de águas limpas.

A figura a seguir apresenta estas zonas, com a trajetória dos três principais parâmetros (matéria orgânica, bactérias decompositoras e

OD)

Autodepuração


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Zonas de autodepuração em cursos d’água

ÁG

UASLIMPAS

DE

GRADAÇÃO

DEC

OMPOSIÇÃO

ATIVA

RECUPERAÇÃO

ÁG

UASLIMPAS

(CONCENTRAÇ

ÃO)

BACTÉRIA

S

OXIGÊNIOD

ISSOLVIDO

MATÉRIA

ORGÂNICA

CURSO D'ÁGUA

LANÇAMENTODE ESGOTOS

ZONAS


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Zona delimitação Características

Degradação Do ponto de lançamento doesgoto até o ponto onde oOD atinja 40% da saturação.

Águas escurecem (turvas)

Dificuldade de penetração da luz(desaparecimento de plantas verdes)

Peixes são atraídos (e bactérias)

Matéria orgânica consumida comconsequente decréscimo do OD

Banco de sedimentos

Decomposiçãoativa

Da zona anterior até o pontoonde o OD novamenteatinja 40% da saturação.

Nesta zona ocorre o pontocrítico (ponto de ODmínimo)

Águas ainda com coloração escura

Degradação da MO continua

Se OD é zerado ocorrerão odores fortes deH2S e CH4

Possibilidade de bancos de lodo emergindo

Recuperação

Da zona anteriror até o ponto onde o OD volta asaturação (ou ao OD do rioanterior ao lançamento doesgoto)

Rio em recuperação

Gradativo desaparecimento da cor escura edo mau cheiro

Reaparece a vegetação aquática

OD retorna ao valor de antes da

contaminação.


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Autodepuração• Fenômeno no qual, após o lançamento dos resíduos nas águas,

o curso de água se recupera por mecanismos puramentenaturais (diluição, aeração, sedimentação, ação da luz solar, ecompetição vital);

• É importante conhecer a capacidade de autodepuração de umcorpo d’água:

– Para dar limites aos despejos;

– Para quantificar a necessidade de tratamento (redução de

custos); – Para estimar os efeitos do lançamento no rio

• Qesg < 1/40 da Qrio (Regra de Dacach).


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Autodepuração

• Influenciada por fenômenos físicos, químicos e

biológicos: – Turbulência:

• Velocidade do rio;

• Acidentes no terreno;

• Ação dos ventos.

– Sedimentação:• Remoção de DBO;

• Remoção de microorganismos.

– Luz Solar:

• Radiação UV;• Favorece fotossíntese.

– Competição vital.


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Autodepuração

– Diluição do despejo no corpo d’água; – Reações de oxidação e redução:

• Digestão aeróbia;

• Digestão anaeróbia;

• Nitrificação;

• Desnitrificação.

– Fotossíntese;

– Predatismo;

– Produção de toxinas; – Aglutinação


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Mecanismos de consumo e produção de OD


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A concentração da matéria orgânica em corpos d’água dá-se pelos processos detransporte e transformação. Os mecanismos de transporte são advecção, difusão edispersão.

Advecção: é o transporte que ocorre devido ao movimento da água, representadopor sua velocidade média.

Difusão: é o transporte que ocorre de um local de maior concentração para outrolocal de menor concentração. Difusão molecular é o transporte devido ao movimentoaleatório das moléculas do líquido, ocorrendo mesmo que o líquido esteja semmovimento. Difusão turbulenta é o transporte que decorre do movimento turbulento

do líquido, com variações instantâneas de velocidade.

Dispersão: é o transporte que ocorre devido as diferenças de velocidade ao longodos perfis vertical e lateral do fluido.

TRANSPORTE E TRANSFORMAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA EOXIGÊNIO DISSOLVIDO


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Advecção Difusão Dispersão

Processos de Transporte de Massa


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Nos limitaremos a considerar apenas o transporte advectivo, o qual épredominante em rios que não sofrem a influência de marés. Considere um trechode rio como mostrado na Figura (1).

A

B

Figura 1 Trecho de um rio


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TRANSPORTE E TRANSFORMAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA EOXIGÊNIO DISSOLVIDO - Advecção

Considere o trecho de rio A – B. Para analisarmos o transporteadvectivo, considere um contaminante conservativo (isto é, que não se

degrada) no interior de uma fatia de seção transversal A e extensão x (Figura2).

Figura 2 Volume controle para derivação da equação geral de balanço de

massas em uma dimensão

Na Figura (2), Q, U, A e x significam, respectivamente, vazão,velocidade, área da seção e extensão do volume controle. C1 e C2 representamas concentrações do contaminante na entrada e saída do volume controle.

t d

C d

xd

C d U

A

Q, U, C2Q, U, C1

xx + xx


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TRANSPORTE E TRANSFORMAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA EOXIGÊNIO DISSOLVIDO - Desoxigenação

Considere a situação em que os esgotos de uma fonte de poluição (p. ex.,uma cidade ou indústria) estejam sendo despejados em um rio. O gráfico a seguirmostra o perfil da concentração da DBO no rio.

O que acontece? A DBO do rio cresce imediatamente ao receber os esgotos. A DBO no ponto

de lançamento dos esgotos (x = 0) é calculado através de um balanço de massa entre DBO dorio e esgotos.

Cidade

QE, LE

QR , LR

DBO

(mg/L)

x = 0

T k

t e L L

0

x


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QRLR + QELE = (QR + QE) L0

E R

E E R R

QQ

LQ LQ L

0

sendo QR = vazão do rio; QE = vazão de esgotos; LR = DBO dorio; LE = DBO do esgoto; Lo = DBO da mistura rio-esgoto noponto de despejo.


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Oxigênido Dissolvido:

A concentração de saturação de OD na água depende de 03 fatores:temperatura, altitude e salinidade:

Temperatura: a concentração de OD diminui com o aumento detemperatura. As moléculas do gás tornam-se mais agitadas, resultando

na passagem de gases dissolvidos para a atmosfera.

Altitude: o aumento de altitude torna o ar mais rarefeito; por conseguinte,diminui a pressão atmosférica e a pressão parcial de oxigênio, resultanteem decréscimo da concentração de equilíbrio de OD na água.

Salinidade: o aumento da salinidade diminui a concentração deequilíbrio de OD na água, uma vez que as moléculas do sal ocupamespaços dos gases no líquido. Assim, a concentração de equilíbrio deOD nos oceanos é menor do que em rios.


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Cálculo da Concentração de Saturação

de Oxigênio Dissolvido


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TRANSPORTE E TRANSFORMAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA EOXIGÊNIO DISSOLVIDO - Reaeração

Considere o recipiente com água mostrado a seguir. Quando a concentraçãode OD no líquido está em equilíbrio com a atmosfera, o número de moléculas de O2 entrando no líquido através da interface ar-água é igual ao número de moléculas de

O2 saindo do líquido pela interface.

O que acontece se a concentração de OD no líquido for menor que aconcentração de saturação? Neste caso, o sistema tentará voltar ao equilíbrioatravés da passagem de O2 para o líquido através da interface ar-água. A velocidadede transferência de oxigênio do ar para o líquido é proporcional a diferença entre aconcentração de saturação e a concentração existente. Esta relação é expressaatravés da seguinte equação:

)(2 C C k t d

C d S

sendo dC/dt = taxa de variação da concentração de OD na água;k2 = coeficiente de reaeração, [1/T]CS = concentração de saturação de OD na água, [mg/L]C = concentração real de OD na água

t k

t e D D

2

0

ar

líquido

H2O

O2 (gás)

OD líquido


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Se os termos de advecção, de desoxigenação e de reaeração foremconsiderados, tem-se

C C k Lk xd

C d U

t d

C d s

21

O primeiro termo do lado direito da equação representa a mudança deconcentração devido ao transporte advectivo; o segundo termo representa oconsumo de oxigênio pela DBO; finalmente o terceiro termo representa o ganho deOD devido a reoxigenação da água que decorre do consumo de OD pela matériaorgânica.


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t k t k t k S t e Deek k

Lk C C

221

0

12

01

Esta equação é conhecida como Equação de Streeter-Phelps em homenagem aosdois sanitaristas norte-americanos que a desenvolveram. Ela expressa a

concentração de OD em rios em função da distância após o recebimento de cargaorgânica.

Logo após o lançamento do esgoto, tem início a decomposição da matériaorgânica, com consumo de OD. Inicia-se também a reaeração atmosférica.Enquanto o consumo de OD for maior que a reaeração, a concentração de OD vaidiminuindo. Chega-se a um ponto crítico, onde a taxa de consumo de OD é

exatamente igual a taxa de reaeração. Neste ponto ocorre a mínima concentraçãode OD. Este ponto é identificado como déficit crítico, concentração crítica, distânciacrítica e tempo crítico. A jusante do ponto crítico, a taxa de reaeração é superior ataxa de consumo de OD – desta maneira, a concentração de oxigênio cresce com adistância, eventualmente voltando a atingir a concentração de saturação.


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Curva de autodepuração da matéria orgânica

C t k

C e L

k

k D

1

0

2

1

CSCCSC DCCCCD

01

120

1

2

12C

Lk

)k k (D1

k

k ln

k k

1t

C0

Crio

CS

C

(mg/L)

x = 0

t = 0

xc

tc

DC Dt

Ct CC

x


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Coeficientes de desoxigenação e reaeração

O coeficiente k1 é o coeficiente da taxa da reação da equação da DBO. Estecoeficiente é também chamado de coeficiente de desoxigenação, pois integra umaequação que descreve o consumo de OD.

O coeficiente k2 é denominado de coeficiente de reaeração. Depende davelocidade e profundidade da água do corpo receptor. Para rios com profundidadesentre 0,6 m e 4,0 m e velocidades entre 0,05 m/s e 0,8 m/s, O’Connor e Dobbins

determinaram a seguinte equação para cálculo de k2:

5,1

5,0

2H

v73,3k

Ambos os coeficientes k1 e k2 possuem como unidades o inverso do tempo

(dia-1

). Ambos são dependentes da temperatura, de acordo com as equações.

2011 )20()(

T C k T k

2022 )20()(

T C k T k

é um coeficiente empírico. Valores típicos de para DBO e OD são,

respectivamente, 1,047 e 1,024.

M d l d A d ã


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Modelos de Autodepuração


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M d l d A t d ã


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Roteiro para solução de problemas de auto-depuração da

matéria orgânica

1. Dados do problema

Rio: OD, DBO, temperatura (concentração de saturação de OD),vazão, k1 e k2 (ou velocidade e profundidade médias)

Fonte poluidora: vazão, DBO, OD

2. Incógnitas

Déficit de oxigênioTempo crítico

Distânica críticaConcentração crítica de oxigênio dissolvidoCurvas de DBO e OD


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matéria orgânica

3. Roteiro para solução

3.1 Cálculo de L0 (DBO da mistura esgoto-água do rio no exato local de despejo doesgoto no rio)

E R

E E R R

QQ

LQ LQ L

0

3.2 Cálculo de C0 (OD da mistura esgoto-água do rio no exato local de despejo doesgoto no rio)

E R

E E R R

QQ

C QC QC

0

3.3 Determinação da concentração de saturação de OD (função da temperatura daágua)

CS = f(T)


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matéria orgânica

3.4 Cálculo do déficit inicial de oxigênio dissolvido na água do rio no local de despejo

D0 = CS - C0

3.5 Cálculo de k1 e k2

5,1

5,02

H

v73,3k

2022 )20()(

T C k T k

2011 )20()(

T C k T k

3.6 Cálculo do tempo crítico

01

120

1

2

12C

Lk

)k k (D1

k

k ln

k k

1t

l ã d bl d d ã d


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matéria orgânica

3.7 Cálculo da distância crítica

CC tvd

sendo v a velocidade média do escoamento.

3.8 Cálculo do déficit crítico

C1 tk 0

2

1C eL

k

k D

3.9 Cálculo da concentração de oxigênio dissolvido crítico

C S C DC C

R i l ã d bl d d ã d


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matéria orgânica

3.10 Traçar o perfil de OD em função da distância a jusante do local de despejo

tk 0tk tk 12

01St

221 eDeek k

Lk CC

3.11 Traçar os perfis da DBO remanescente (L) e DBO exercida (Y)

t k

t e L L

1

0

)e1(Ly tk

0t 1


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0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7

D B O ( m g / l )

Tempo (dias)

Curvas de DBO (L e Y)

Remanescente (L) Exercida (Y)

t k

t e L L

1

0

)e1(Ly tk

0t 1


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Determinar a concentração de OD e DBO a distância de 10 km à jusante de umadescarga de esgotos sanitários de uma cidade. Fazer o perfil de oxigênio dissolvido

e DBO ao longo do rio. São dados do problema:

- Vazão de esgotos: 114 L/s;- Concentração de OD no esgoto: 0,0 mg/L- DBOu do esgoto: 340 mg/L- Vazão do rio: 710 L/s- Oxigênio dissolvido no rio: 6,8 mg/L

- DBOu do rio: 2,0 mg/L

- Temperatura da água no rio e esgoto: 25C

- Constante de reação de DBO k1 (20C) = 0,38/dia- Velocidade da água = 0,35 m/s- Nível da água no rio = 1,0 m- Concentração de cloretos = 0 mg/L

- θOD = 1,024; θDBO = 1,047

Outro exemplo


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