UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOAINSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO

Modelação Ambiental Aula #9

Modelo de qualidade para uma massa de água bem misturada(Parte 1: construção simplificada)

R Neves | M Mateus | G Riflet2009-2010

Modelo de qualidade da água

Plano (da aula)

•Desenvolver um modelo simplista de qualidade da água para um lago bem misturado (sem estratificação e gradientes)

Propósito do modelo

•Simular a dinâmica da degradação de compostos orgânicos numa massa de água bem misturada e o seu impacto na qualidade da água (concentração de oxigénio dissolvido)

Objectivo

Avançar resposta para as duas questões mais frequentes que os modelos de qualidade da água tentam responder:

• “Quanto” irá variar o estado de uma massa de água (concentrações das propriedades)

• Quanto tempo será necessário para essa variação acontecer

Modelo de qualidade da água

Passos

•Definir os processos e variáveis de estado a simular

•Modelo conceptual

•Parametrizar os processos

•Definir as equações de balanço de massa

•Adicionar complexidade (mais processos e variáveis de estado)

Lago bem misturadoCorpo de água bem misturado

Um corpo de água completamente misturado (á semelhança do CMTR) e com volume constante

Processos

•Nitrificação (conversão de amónia em nitrato)

•Degradação da matéria orgânica dissolvida (glicose)

Forçamento

•Caudal de entrada constante com concentrações de amónia e glicose

Variáveis de estado

•Amónia

•Nitrato

•MOD (matéria orgânica dissolvida)

•Oxigénio

•Dióxido de carbono

Processos

Balanço de massa para o sistema:

Acumulação = entrada – saída – reacções - sedimentação

Nitrificação

•Conversão de amónia em nitrato

•Consumo de oxigénio durante o processo

4 2 2 32 2NH O H H O NO

NH4 NO3

O2

entrada reacção

Nitrificação

2

: taxa de nitrificação máxima

: factor de limitação do oxigénio

1

: factor de inibição de nitrificação

nit

onit nit

nit

onit

k Oonit

nit

f

f

f e

k

Taxa de nitrificação

0

0.5

1

0 2 4 6 8 10 12

Nit

rifi

cati

on ra

te [d

-1]

mg O2 L-1

Grandezas

•Taxa de nitrificação : T-1

•Taxa de nitrificação máxima : T-1

•Factor de limitação: não-dimensional

Nitrificação

4 44

44 : inNH

NNH NH

HdVcQ Qc

cN cH V

dt

Equações de balanço de massa

34 33 : NO

NH ON

dcNO V

dtVc Qc

24 22 : NH on

OOV

dcO V

dc r Qc

t

12 32 /4.57

1 14 /on

molO gO molOr gO gN

molN gN molN

4 2 2 32 2NH O H H O NO

Calculo estequiometrico

Degradação da MOD

MOD CO2

O2

entrada reacção

• Conversão de glicose em dióxido de carbono e água

• Consumo de oxigénio durante o processo

• Entrada na forma de glicose

• Ciclo em massa de C

6 12 6 2 2 26 6 6 0C H O O CO H

Degradação da MOD

110º

10

10 10

: taxa máxima de conversão

: factor de limitação da temperatura

: valor do Q

: temperatura (ºC)

om T

om

T

T

T

k k

k

Q

Q

T

Taxa de consumo

Grandezas

•Taxa de nitrificação : T-1

•Taxa máxima de conversão: T-1

•Factor de limitação da temperatura: não-dimensional

Degradação da MOD

: inMOD MMOD c O

Mg D

ODdcMOD QcV Vc

tka

dQc

Equações de balanço de massa

222 : CO

COMOD

dcCO V

dtVc Qck

24 22 : MODH o

Ocn oN OVc r

dcO V

dtk cVc r Q

Calculos estequiometricos

-12 26 mol O 32gO/mol O2.67gO gC

6 mol C 12gC/mol Cocr

6 12 6 2 2 26 6 2C H O O CO H O

-16 molC 12gC/molC0.4 gC g-glicose

180 g-glicosecga

Modelo simplistaEquações de balanço de massa

: inMODMOD cg MOD MOD

dcMOD V Qc a kVc Qc

dt

222 : CO

MOD CO

dcCO V kVc Qc

dt

24 22 : O

NH on MOD oc O

dcO V Vc r kVc r Qc

dt

44 4 44 : inNH

NH NH NH

dcNH V Qc Vc Qc

dt

34 33 : NO

NH NO

dcNO V Vc Qc

dt