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1

DRENAGEM URBANA E CONTROLO DA POLUIÇÃO Objectivos Principais da disciplina:

Controlo da poluição

• Dominar os conceitos das principais grandezas físicas utilizadas na caracterização da qualidade da água;

• As origens e tipos de poluição e os seus efeitos;

• Quadro institucional, legal e normativo;

• Modelar o oxigénio dissolvido em meios hídricos e os processos de poluição bacteriológica;

• Caracterizar os diferentes tipos de meios hídricos (rios, estuários e lagos).

• Conceber e dimensionar emissários submarinos e difusores.

Drenagem Urbana

• Conceber e dimensionar infra-estruturas de drenagem urbana pluvial, unitárias e pseudo-separativas;

• Bacias de Amortecimento;

• Soluções de Controlo na Origem.

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2

QUALIDADE DA ÁGUA E

CONTROLO DA POLUIÇÃO Determinar os parâmetros ambientais que podem ser controlados e as acções que é necessário desenvolver para obter um objectivo específico de qualidade da água que permita manter um desejado uso da água.

Principais Utilizações Desejáveis da água:

1. Abastecimento de água: público, industrial ou agrícola;

2. Recreativo ou de lazer: Prática balnear (contacto directo ou indirecto); efeito estético;

3. Pesca: Comercial ou desportiva

4. Equilíbrio ecológico

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PERSPECTIVA GERAL DA INTERVENÇÃO NO CONTROLO DA QUALIDADE DA ÁGUA

Uso Pretendido

Padrões de qualidade da água para protecção da

saúde pública e do equilíbrio ecológico

CONCENTRAÇÂO DO PARÂMETRO DE

CONTROLODesejada vs. actual

Actuação sobre Parâmetros de Controlo

Concentração actual<> desejada

INPUTSFontes Poluidoras

(Pontuais ou difusas)

SISTEMA AQUÁTICO(Rio, Lago, ...)

Reacções,Transporte

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4

MODELAÇÃO DE RIOS

Algumas Simplificações: • Assume-se homogeneidade vertical e lateral das variáveis de qualidade da água; Ordem de grandeza da extensão até a obter:

descarga na margem

descarga no meio do rio

• Considera-se que só existe advecção e que não há dispersão longitudinal.

)(

)()(,

ftH

ftBfpsU

2

m 62L ====

)(

)()(,

ftH

ftBfpsU

2

m 31L ====

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5

MODELAÇÃO DE RIOS

Balanço de massa no local da descarga: Qu su + Qe se = Q s Ou Qu su + W = Q s Pela equação da continuidade tem-se Qu + Qe = Q Assim, pode-se estimar a concentração s a jusante da descarga através da seguinte expressão: s = (Qu su + Qe se ) / Q = (Qu su + W ) / Q

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MODELAÇÃO DE RIOS

Substâncias conservativas: • Considera-se conservativos os constituintes que não apresentam reduções por reacções

químicas ou bioquímicas; só sofrem diluição;

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7

MODELAÇÃO DE RIOS

Substâncias não conservativas: • Reacção de 1ª Ordem

• No caso de rios como dt = dx/U tem-se:

S = S0 exp(-Kx/U) = S0 exp(-Kt*) com t*=x/U

Ksdt

ds−−−−====

Ksdx

dsU −−−−====

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PARÂMETROS DE CARACTERIZAÇÃO

DE UMA MASSA DE ÁGUA Características Organolépticas: As características organolépticas compreendem a cor, o cheiro e o sabor. Origem da Cor:

− origem natural inorgânica, (p.ex. ferro e manganês); − origem orgânica, (animal ou vegetal); − origem industrial, (têxteis, pasta de papel, refinarias, indústrias químicas).

Cor aparente - a coloração da água tal como ela se apresenta, isto é, com as matérias em

suspensão. Cor verdadeira - aquela que a água apresenta após a remoção das matérias em suspensão.

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O CHEIRO, pode definir-se como: − o conjunto de sensações apreendidas pelo sentido de olfacto quando se está em presença de

certas substâncias voláteis; − a qualidade de cada sensação particular ou individualizada provocada por cada uma daquelas

substâncias. O cheiro e o sabor são características subjectivas e, consequentemente, difíceis de medir.

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10

PARÂMETROS DE CARACTERIZAÇÃO DE UMA MASSA DE ÁGUA

CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS: Temperatura Influência na:

− velocidade das reacções químicas; − na solubilidade dos gases; − na taxa de crescimento dos microrganismos; entre outras.

Turvação

Águas que contenham matérias em suspensão, que interferem com a passagem da luz através da água. Pode ser causada por matérias em suspensão de origem:

− orgânica ou inorgânica; − partículas coloidais (frequente em Lagos e Albufeiras) ou sólidos de certas dimensões (rios em cheia).

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Sólidos Totais É definida como a matéria que permanece como resíduo após evaporação de 103 a 105 ºC. Os sólidos totais podem ser divididos em:

− sólidos em suspensão; o inclui os sólidos sedimentáveis que decantam após um período de 60 minutos; o sólidos não sedimentáveis;

− sólidos filtráveis; usualmente o filtro é escolhido de tal forma que o diâmetro mínimo dos sólidos em suspensão é cerca de 1 µ.

o sólidos coloidais, incluem as partículas, com um diâmetro aproximado compreendido entre 1 mµ e 1µ;

o sólidos dissolvidos; incluem moléculas orgânicas e inorgânicas que estão em solução na água.

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Sólidos Totais (cont.)

Cada uma das categorias referidas pode, ainda, ser classificadas de acordo com a sua volatibilidade a 600 ºC. Destina-se a averiguar as parcelas orgânica e inorgânica dos sólidos totais. À temperatura de 600 ºC:

− Sólidos Suspensos Voláteis; parte orgânica dos sólidos que volatiliza; − Sólidos Suspensos Fixos; parte inorgânica permanece sob a forma de cinzas.

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pH É a concentração do ião hidrogénio [H+]. pH = - log10 [H

+] (0 ≤ pH ≤ 14) Consoante os valores do pH, as águas classificam-se em: − águas ácidas, ( pH < 7 ); − águas neutras, ( pH = 7 ); − águas alcalinas, ( pH > 7 ).

O pH, para além de controlar a maior parte das reacções químicas na natureza, controla, também, a actividade biológica. A actividade biológica é, na maior parte dos casos, apenas possível para valores de pH compreendidos em 6 e 8. A acidez de uma água é principalmente devida à presença de anidrido carbónico (CO2) dissolvido;

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pH (cont.) Sob o ponto de vista de saúde pública, a acidez (e a alcalinidade) de uma água tem relativamente pouca importância. No entanto, uma água ácida afecta a conservação de sistemas de saneamento básico e o funcionamento biológico de estações de tratamento de águas residuais. Assim, quando são utilizados processos de tratamento biológico há necessidade de manter os valores do pH entre 6 a 9,5. A alcalinidade das águas naturais é devida, principalmente, a sais de ácidos fracos, embora possam contribuir também bases fracas e fortes.

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DUREZA (mg/L de CaCO3) Designam-se águas duras aquelas que exigem muita quantidade de sabão para produzir espuma ou que dão origem a incrustações nas tubagens de água quente, nas panelas ou noutros equipamentos, nos quais a temperatura da água é elevada. Deve-se à presença de catiões metálicos bivalentes principalmente cálcio (Ca2+) e magnésio (Mg2+). Estes iões metálicos bivalentes estão, em geral, associados com o anião bicarbonato (HCO3

-), sulfato (S042-

), cloreto (Cl-) e nitrato (NO3-).

Com o aparecimento dos detergentes o problema da dureza, no que respeita ao consumo de sabão, perdeu o seu impacto. O problema é as incrustações. A dureza das águas naturais varia de lugar para lugar, sendo em geral:

− águas superficiais dureza menor; − águas subterrâneas dureza maior.

É habitual distinguir-se entre:

− dureza temporária (ou carbonatada); devida ao cálcio e ao magnésio que se encontram ligados aos bicarbonatos, e que são eliminados quando a água é fervida;

− dureza permanente (ou não-carbonatada); devida ao cálcio e ao magnésio que se encontram associados aos sulfatos, cloretos, nitratos, etc., e que não são eliminados quando a água é fervida.

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Oxigénio Dissolvido (OD) (mg/L de O2) Todos os organismos vivos estão dependentes, de uma forma ou de outra, do oxigénio para manter a actividade metabólica que produz energia para o crescimento e para a reprodução. Nas massas de água, a solubilidade do oxigénio depende de:

− a pressão atmosférica; − a temperatura; − a salinidade.

A baixa solubilidade do oxigénio na água limita a capacidade de auto-depuração das águas naturais e torna necessário o tratamento das águas residuais antes da sua descarga nos meios receptores (linhas de água, lagos, naturais ou artificiais, e oceanos).

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Carência de Oxigénio (mg/L de O2) Esta carência está relacionada com o metabolismo de utilização dos compostos orgânicos pelos organismos vivos (organismos heterotróficos). Resulta da transformação da matéria orgânica (compostos de carbono) em CO2 e H2O e é uma reacção catalisada por organismos heterotróficos que existem com abundância nas águas residuais. Excepto nos casos em que existem substâncias tóxicas, a fase de oxidação da matéria orgânica inicia-se quase de imediato. Presentemente, os métodos ou testes mais utilizados para medir a matéria orgânica na água são os seguintes:

− Carência bioquímica de oxigénio (CBO); − Carência química de oxigénio (CQO); − Valor ao permanganato ou oxidabilidade (VP); − Carbono orgânico total (COT).

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CBO O CBO representa o oxigénio consumido pelos microrganismos na oxidação da matéria orgânica duma determinada água em condições aeróbias. Como este processo de oxidação é lento convencionou-se tomar, como parâmetro representativo do teor em matéria orgânica duma água, o valor da CBO ao fim de cinco dias de incubação, a 20 ºC (CBO5

20 ). A carência bioquímica de oxigénio, correspondente à oxidação bioquímica total da matéria orgânica, designa-se por carência última de oxigénio (CUO ou CBOu).

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20

CQO O teste da CQO mede a quantidade de oxigénio necessária para oxidar quimicamente, em determinadas condições, a matéria orgânica presente numa água. Para este efeito, o oxigénio equivalente à matéria orgânica é medido pela utilização de um agente oxidante químico forte como o dicromato de potássio (K2 Cr2 O7). Dado que alguns compostos inorgânicos podem interferir com o teste, há que ter o cuidado prévio de os eliminar. Este teste é particularmente útil para medir a matéria orgânica em águas residuais industriais e domésticas que contenham compostos tóxicos para os microrganismos. VP O teste do valor ao permanganato (VP) ou oxidabilidade tem objectivos semelhantes ao da CQO, mas o agente oxidante químico utilizado é o permanganato de potássio (K2 Mn O4), um oxidante menos forte do que o dicromato de potássio e, por isso, a oxidabilidade não tem tanta sensibilidade como o CQO. COT O teste do Carbono Orgânico Total, aplica-se especialmente para águas com baixos teores de matéria orgânica, consiste na sua combustão rápida em aparelho especial e a altas temperaturas. O carbono orgânico é totalmente oxidado ou convertido em anidrido carbónico, cuja medição é feita através de um analisador de infravermelhos.

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Medidor de OD numa garrafa de teste de CBO.

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Respirómetro Electrolítico para a determinação do CBO.

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Carência Bioquímica de Oxigénio Carbonatada (CBO C) Em geral, assume-se que sendo L o material que ainda falta oxidar que a reacção é de 1ª Ordem:

LK

dt

dL1−=

Integrando tem-se,

tk

t eLL 1

0

−=

Como o oxigénio y consumido na oxidação é dado por

tLLy −= 0 vem

)e(Ly tK110

−−=

para o caso particular do CBO5 vem

)e(Ly K15

05 1−

−=

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Carência Bioquímica de Oxigénio Carbonatada (CBO C)

K1 é um parâmetro que depende do tipo de matéria orgânica e da temperatura.

Grau de tratamento Taxa de Oxidação K1 (d-1)@20ºC

Sem tratamento 0,3 a 0,4

Primário/Secundário 0,1 a 0,3

Lamas activadas 0,05 a 0,1

O efeito da temperatura é dado aproximadamente por

( ) ( ) ( ) 202011 04,1 −

=T

T KK

Uma estimativa do CBO carbonatado último pode ser obtida tendo em conta que a completa estabilização do Carbono Orgânico necessita de cerca de 2,7 mg de oxigénio para 1 mg de carbono que é oxidado, ou seja

orgCL 7,20 ≈ C (12 mg)

O2 (32 mg)

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Problema 1: Determine a 20º C o CBO ao fim de 1 dia e o CBOu de uma água residual cujo CBO5 a 20º C é 200 mg/L. A constante de reacção (K1) = 0,23 d-1. Para essa mesma água residual determine o CBOu a 15º C.

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33

Concentração de saturação do OD (Cs)

A concentração de saturação CS de OD depende da: 1) Temperatura 2) Salinidade 3) Pressão

CS função da temperatura (APHA, 1985)

4

11

3

10

2

75 10621949,810243800,110642308,610575701,134411,139ln

T

x

T

x

T

x

T

xCSf −+−+−=

com

CSf – Concentração de saturação de OD para água doce em mg/l para 1 atm

T – Temperatura em º K

T (º K) = T (º C) + 273,150

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CS função da salinidade (APHA, 1985)

+−−=

−

2

32 101407,2100754,1

107674,1lnlnT

x

T

xxSCC SfSS

com

CSS – Concentração de saturação para água salgada em mg/l

S – Salinidade ppm.

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CS função da pressão (APHA, 1985)

( )[ ]( )( )( )

−−

−−=

θ

θ

111/1

wv

wvSOSp

P

PPPPCC

com

CSf – Concentração de saturação de OD (mg/l) à pressão P

CSo – Concentração de saturação de OD (mg/l) ao nível do mar

P – Pressão em atm

Pwv – Tensão de vapor, em atm, calculado através de:

Ln Pwv = 11,8571 – (3840,70/T) + (216961/T2)

T Temperatura em º K

θ = 0,000975 – (1,426 x 10-5 t) + 6,436 x 10-8 t2)

t – temperatura em º C

Aplicando as expressões anteriores verifica-se que a:

− 1500 m de altitude CS é 82,5% da CS ao nível do mar;

− 2700 m de altitude CS é 68% da CS ao nível do mar.

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37

REAREJAMENTO:

DKdt

dDa−=

Algumas expressões para estimar Ka:

ÔConnors, 1985 23

21933/

/

aH

U,K =

com Ka (d-1); U (m/s); H (m)

Owens et al., 1964 851

670325,

,

aH

U,K =

com Ka (d-1); U (m/s); H (m)

Churchill, 1962 671

0265,a

H

U,K =

com Ka (d-1); U (m/s); H (m)

Tsivoglu e Wallace, 1972 Ka = 0,88 US

para 10<Q<300 cfs

Grant e Savroneak, 1980 Ka = 1,8 US

para 1<Q<10 cfs

com Ka (d-1); S inclinação (ft/mi); U(ft/s)

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Algumas expressões para estimar Ka (Lagos):

Como em algumas equações Ka tende para zero quando o H aumenta, Hydroscience, 1971 sugere um valor mínimo para o coeficiente de transferência:

(KL)mim ≈ 2 a 3 ft/dia (0,6 a 1m/d)

e assim que se deve considerar em

( )( ) ( )

∀

Α=≈

minK

H

minKK LL

mina

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Efeito da temperatura no Ka:

O efeito da temperatura pode ser modelado por

(Ka)T = (Ka)20 (θ)T-20

com o valor de θ a variar entre 1,005 a 1,030.

Em geral, utiliza-se 1,024.

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Efeito do Vento no Ka:

O efeito do vento é importante em lagos ou albufeiras e neste caso o cálculo do coeficiente de transferência é dado por

22/1 0372,0317,0728,0WWWL UUUK +−=

Com UW velocidade do vento (m/s), 10 m acima do nível da água.

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Efeito da Maré no Ka:

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PROBLEMA 2: Duas garrafas de teste, uma transparente e outra negra foram instaladas numa linha de água de acordo com a figura.

Uma leitura inicial foi efectuada às 10h00 da manhã e posteriormente foram efectuadas leituras de 2 em 2h até às 4h da tarde. O nascer do Sol foi às 6h da manhã e o pôr-do-sol às 7 h da tarde.

Estime as taxas médias diárias de respiração e de fotossíntese. Considere que a respiração das bactérias não é significativa (CBO)

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Resolução:

Representando graficamente os dados observados tem-se :

Da garrafa transparente tem-se:

mg/(l.d)422d1h24

h6mg/l65

,x,

R'ppnet ==−= (Eq. 6.36)

Da garrafa preta tem-se:

mg/(l.d)82d1h24

h6mg/l70

,x,

R == (Eq. 6.37)

mg/(l.d)22582422 ,,,'p =+=∴ (Eq. 6.38)

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Taxas Médias Diárias: R assume-se constante ao longo das 24 horas e como tal

mg/(l.d)82,R =∴

Assumindo-se que a produção de oxigénio devido à fotossíntese se comporta como uma sinusoidal ao longo do fotoperíodo

( f ) desde o Nascer do Sol (6h da manhã) até ao pôr-do-sol (7h da tarde), (f = 13 h) de acordo com a figura,

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a integração da área do seno no período de recolha de dados,

entre t1 e t2, tem um valor médio igual ao p’ observado, isto é:

2

1

P12

t

tm )

fsin(.p)tt('p

χ

π=−

2

1

12

t

tm )

fcos(

fp)tt('p

χ

π

π−=−

π−

π

π=− )

f

tcos()

f

tcos(

fp)tt('p m

2112

donde se pode tirar o valor de pm.

[ ])f/tcos()f/tcos(.f)tt('ppm

2112

π−π

π−=

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fazendo a área limitada pela curva do semi-seno (2.pm.f /p) igual à

área correspondente à taxa média diária (pa.T) e atendendo a pm

dado pela expressão anterior tem-se:

π=

f.p.Tp m

a2

)f/tcos()f/tcos(

T/)tt('ppa

21

122π−π

−=

)/xcos()/xcos(

/x,pa 1310134

h24h62mg/(l.d)225

π−π=

mg/(l.d)69,pa =

Em termos médios diários, a taxa pnet é dada por:

mg/(l.d)868269 ,,,Rpp anet =−=−=

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Qmont = 8,4 m3/s CBO5 = 1 mg/l OD = 90% Cs

Qdesc = 1,3 m3/s CBO5 = 200 mg/l OD = 0 mg/l

PROBLEMA 3: Uma cidade lança 1,3 m3/s para um rio com um caudal mínimo a montante da descarga de 8,4 m3/s. A velocidade no rio é de 0,02 m/s e a altura média do escoamento é de 4 m. As características das águas residuais descarregadas e do meio receptor a montante da descarga são as seguintes: Águas residuais CBO5 a 20ºC = 200 mg/l Temperatura = 20 ºC OD = 0 mg/l Meio Receptor CBO5 a 20ºC = 1 mg/l Temperatura = 15 ºC OD = 90% da saturação Considere nula a componente de CBO5 azotada e o Ks e que os coeficientes de temperatura θ são para Kd de 1,047 e para Ka de 1,024. Determine o OD crítico e a sua localização a jusante da descarga.

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Qmont = 8,4 m3/s CBO5 = 1 mg/l OD = 90% Cs

Qdesc = 1,3 m3/s CBO5 = 200 mg/l OD = 0 mg/l

Resolução:

1) Determinar as características no meio receptor a jusante após a diluição inicial.

Q jusante = Q montante + Q descarga = 8,4 + 1,3= 9,7 m3/s

CBO5 = (200 x 1,3 + 1 x 8,4) / 9,7= 27,67 mg/l

T = (20 x 1,3 + 15 x 8,4) / 9,7= 15,7 ºC

Cs15 = 10,07 mg/l90% x Cs15 = 9,06 mg/l

OD = (0 x 1,3 + 9,06 x 8,4) / 9,7= 7,8 mg/l

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2) Determinar a taxa de rearejamento Ka

O'Connors, 1985 3,93 U1/2 / H3/2 = 0,069473 d-1

Churchil, 1962 5,026 U / H1,67 = 0,009927 d-1

Owens et al., 1964 5,32 U0,67 / H1,85 = 0,029771 d-1

KL min = 0,6 m/d= 1 m/d

Ka min = 0,15 d-1 a 0,25 d-1

Ka = 0,20 d-1

Ka 15,7 = Ka 20 x θ(T-20) = 0,20 x 1,024 (15,7 -20) == 0,180 d-1

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3) Determinar o coeficiente de decaimento Kd

Hydroscience, 1971

Kd = 0,3 d-1

Wrigth e McDonnell, 1979

Kd = 10,3 Q -0,49 (Kd em /d e Q em cfs)

Q = 9,7/(0,30483) == 342,6 cfs

Kd = 10,3 x 342,6 -0,49

0,590 d-1

Kd = 0,445 d-1

Kd 15,7 = Kd 20 x θ(T-20) = 0,445 x 1,047 (15,7 -20) == 0,365 d-1

4) Determinar o CBO ultimo após a mistura.

CBO5 = CBOu (1-e-5Kd)

CBOu = CBO5 /(1-e-5Kd)

= 27,67/ (1-e-(5 x 0,445))= 31,02 mg/l

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5) Determinar o t crítico e D crítico.

Kr = Kd

Cs 15,7 = 9,86+(10,07 -9,86) x (16-15,7) == 9,92 mg/l

D0 = Cs - C= 9,92 - 7,8= 2,1 mg/l

tcritico = 3,64 d

xcritico = 3,64d x 24h x 3600 s x 0,02 m/s= 6.287 m

Dc = 16,6 mg/l

O deficite crítico Dc é maior que a concentração Cs (impossível).

Dc = Cs - ODc Logo

ODc = Cs - Dc =-6,7 mg/l impossível. Logo o rio tem um trecho anaeróbio.

( )

−−

−= KrKa

CBO.Kd

D

Kr

KaLn

KrKat

u

*

C01

1

( )*tKexpCBOKa

KdD ruC −=

−+

−−

−

−= x

U

Kaexp.DL

U

xKaexp

U

xKexp

KKa

KD r

r

d00

Deficite de OD

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00

Tempo de percurso (dias)

Def

icite

(mg

/l)

CBO (mg/l) Deficite OD (mg/l)

Deficite do D0 Deficite do CBO

DUCP 18-09-2007

68

6) Determinar o ponto em que se inicia o trecho anaeróbio.

Dc = Cs= 9,92 mg/l

t (dia) x (m)CBO (mg/l)

Deficite OD (mg/l)

0,000 0,000 31,02 2,070,200 0,346 28,84 4,140,400 0,691 26,81 5,990,600 1,037 24,93 7,630,800 1,382 23,17 9,080,900 1,555 22,34 9,740,910 1,572 22,26 9,800,920 1,590 22,18 9,870,925 1,598 22,14 9,900,929 1,605 22,11 9,921,000 1,728 21,54 10,361,200 2,074 20,03 11,48

−+

−−

−

−= x

U

Kaexp.DL

U

xKaexp

U

xKexp

KKa

KD r

r

d00

DUCP 18-09-2007

69

Deficite de OD

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00

Tempo de percurso (dias)

Def

icite

(mg

/l)

CBO Aeróbio Deficite OD (mg/l) CBO real Defice OD Real

7) Determinar extensão do trecho anaeróbio.

Linicial = 22,11 mg/l

Xfinal = 1605+(0,02m/s*86400s/d / 0,365/d)(0,365 x 22,11 - 0,180 x 9,92)/(0,180x9,92)= 18.207 m

Lfinal = 22,11-0,18*9,92*(18207-1605)/(0,02*86400)4,96 mg/l

−+=

Cs.Ka

Cs.KaLi.Kd

K

UXX

d

inicialfinal

−−=

U

XXCs.KaLL inicial

inicial