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Prof. Dra Gersina Nobre da R.C.Junior O Balanço de Oxigênio Dissolvido.

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1 Prof. Dra Gersina Nobre da R.C.Junior O Balanço de Oxigênio Dissolvido

2 Fatores interagentes no balanço Repercussão mais nociva da poluição de um corpo dágua Queda nos níveis de oxigênio dissolvido O impacto é estendido a toda comunidade aquática, e cada redução nos teores de oxigênio dissolvido é seletiva para determinadas espécies.

3 Teor do oxigênio dissolvido tem sido utilizado para determinação do grau de poluição e da autodepuração em cursos dágua. O Balanço de Oxigênio Dissolvido Medição é simples, e seu teor pode ser expresso em concentrações, quantificáveis e passíveis de modelagem matemática.

4 O Balanço de Oxigênio Dissolvido Água pobre em oxigênio dissolvido, pois o mesmo apresenta baixa solubilidade. Oxigênio no ar 270 mg/l Oxigênio na água 9 mg/l Qualquer consumo em maior quantidade traz sensíveis repercussões No processo de autodepuração tem um balanço entre as fontes de consumo e as fontes de produção de oxigênio.

5 Fenômenos interagentes no balanço de OD Reaeração atmosférica DBO solúvel e finamente particulada (oxidação) OD DBO suspensa (sedimentação) OD Demanda bentônica OD DBO Revolvimento LodoDBO Fotossíntese Nitrificação

6 Cinética da desoxigenação Efeito ecológico da poluição orgânica Decréscimo dos teores de oxigênio dissolvido DBO Consumo de oxigênio dissolvido varia ao longo do tempo Valor de DBO em dias distintos, é diferente

7 Conceito de DBO representa: Tanto a matéria orgânica quanto o consumo de oxigênio Cinética da desoxigenação Dois ângulos distintos: DBO remanescente: DBO remanescente: concentração de matéria orgânica remanescente na massa líquida em um dado instante. DBO exercida: DBO exercida: oxigênio consumido para estabilizar até este instante.

8 Cinética da desoxigenação DBO exercida (oxigênio consumido) e a DBO remanescente (matéria orgânica remanescente) ao longo do tempo. Progressão da DBO ao longo do tempo,segundo os dois conceitos: Progressão temporal da oxidação da matéria orgânica

9 Onde: L = DBO remanescente em um tempo t qualquer (mg/l) L 0 = DBO remanescente em t = 0 (mg/l) K 1 = Coeficiente de desoxigenação DBO remanescente

10 DBO exercida Onde: y = DBO exercida em um tempo t (mg/l) L 0 = DBO remanescente, em t = 0 (como definida anteriormente), ou DBO exercida (em t = ). Também denominada demanda última, pelo fato de representar a DBO total final da estabilização (mg/l). OBS: notar que y = L 0 – L.

11 Cinética da desoxigenação Coeficiente de desoxigenação K 1 depende: Características da matéria orgânica; Temperatura; e da Presença de substâncias inibidoras.

12 Cinética da desoxigenação OrigemK 1 (dia -1 ) Água residuária concentrada0,35 – 0,45 Água residuária de baixa concentração0,30 – 0,40 Efluente primário0,30 – 0,40 Efluente secundário0,12 – 0,24 Rios com águas limpas0,09 – 0,21 Água para abastecimento público< 0,12 Sperling, 2006 apud Fair et al, 1979;Arceivala, 1981 Quadro 1- Valores Típicos de K 1 (base e, 20ºC)

13 Influência da Temperatura Influência metabolismo microbiano Taxas de estabilização da matéria orgânica Relação entre a temperatura e a taxa de desoxigenação pode ser expressa por: K 1T = K 1(20) x θ (T – 20) Onde: K 1T = K 1 a um temperatura T qualquer (dia -1 ) K 1(20) = K1 a um temperatura T= 20º C (dia-1) T = temperatura do líquido (ºC) θ =Coeficiente de temperatura (-), valor empregado 1,047

14 Exemplo 1 A interpretação de análise de laboratório de uma amostra de água de um rio a jusante do lançamento de uma amostra de esgoto conduziu aos seguintes valores: (a)Coeficiente de desoxigenação K 1 = 0,25 d -1 (b) Demanda última L 0 =100mg/l. Calcular a DBO exercida a 1, 5 e 20 dias. Solução: Utilizando-se a equação da DBO exercida onde Para t = 1 dia

15 Para t = 5 dias: Para t = 20 dias: Continuação Observa-se que a 20 dias a DBO já está praticamente toda exercida (y 20 praticamente igual a L 0 ). A relação entre a DBO 5 e a demanda última L 0 é: 71/100 = 0,71. Assim ao quinto dia, aproximadamente 71% da matéria orgânica total (expressa em termos de DBO) já está estabilizada.

16 Cinética da reaeração Exposição da água a um gás Intercâmbio de moléculas da fase líquida para gasosa e vice-versa Estabilidade na fase líquida atingida, Fluxos de igual magnitude Equilíbrio dinâmico Concentração de saturação (C s )

17 Cinética da reaeração Consumo do oxigênio na fase líquida: Líquido deficiente de gás Trocas gasosas em um sistema em equilíbrio e em um líquido com deficiência de gás dissolvido Sistema em equilíbrio

18 Estabilização da matéria orgânica, concentrações do oxigênio abaixo do de saturação. Cinética da reaeração Quando a concentração de solubilidade na fase líquida é atingida, ambos os fluxos passam a ser de igual magnitude. Equilíbrio Dinâmico define a Concentração de Saturação (C s )

19 Cinética da reaeração A taxa de absorção de oxigênio é diretamente proporcional ao déficit existente. Quanto maior for o déficit, maior a avidez da massa líquida pelo oxigênio, implicando em uma taxa de transferência maior.

20 Cinética da reaeração Déficit de oxigênio dissolvido Onde: D = déficit de oxigênio dissolvido, ou seja a diferença entre a concentração de saturação (C s ) e a concentração existente em um tempo qualquer, (D=C s - C); D 0 = déficit de oxigênio inicial (mg/l); t = tempo em dias; K 2 = coeficiente de reaeração (base e) (dias -1 )

21 Cinética da reaeração A progressão do déficit (D = C s - C) e da concentração do OD pode ser visualizado na curva abaixo: Progressão temporal da concentração e do déficit de oxigênio À medida que a concentração de OD se eleva devido à reaeração, o déficit diminui.

22 Cinética da reaeração Coeficiente de reaeração K 2 Determinação, métodos estatísticos Determinação por Valores médios tabulados Estudo dos corpos dágua de diversas características, valores médios de K 2

23 Corpo dáguaK 2 (dia -1 ) ProfundoRaso 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 baixa velocidade normal 0,46 0,69 Rios rápidos 0,69 1,15 Corredeiras e quedas dágua>1,15 >1,61 Cinética da reaeração Quadro 2- Valores típicos de K 2 (base e, 20ºC)

24 Cinética da reaeração Corpos dágua mais rasos e mais velozes Corpos dágua mais rasos e mais velozes tendem a possuir um maior coeficiente de reaeração Influência das Características Físicas no Coeficiente K 2 Profundidade Velocidade Baixa profundidade Elevado K 2 Elevada profundidade Baixo K 2 Baixa velocidade Baixo K 2 Elevada velocidade Elevado K 2

25 Cinética da reaeração Valores em função das características hidráulicas do corpo dágua. Literatura várias fórmula, relacionando K 2 com a profundidade e velocidade do curso dágua. Várias técnicas de campo empregadas na elaboração dos estudos dentre elas: Traçadores radioativos; Distúrbios de equilíbrio; Balanço de massa e outras.

26 Quadro 3- Três principais fórmulas: PesquisadorFórmulaFaixa de aplicação OConnor e Dobbins (1958) 3,73xV 0,5 xH -1,5 0,6m H < 4,0 m 0,05m/s V < 0,8m/s Churchill et al (1962)5,0xV 0,97 xH -1,67 0,6m H < 4,0 m 0,8m/s V < 1,5m/s Owens et al (apud Branco, 1976) 5,3xV 0,67 xH -1,85 0,1m H < 0,6 m 0,05m/s V < 1,5m/s Cinética da reaeração V: velocidade do curso dágua; H: altura da lâmina dágua.

27 Influência da Temperatura Em dois diferentes estágios: O aumento da temperatura reduz a solubilidade (concentração de saturação) do oxigênio no meio líquido; O aumento da temperatura acelera os processos de absorção de oxigênio (aumento do K 2 ). O efeito da temperatura no coeficiente de reaeração K 2 pode ser expressa por: K 2T = K 2(20) x θ (T – 20)

28 Onde: K 2T = K 2 a um temperatura T qualquer (dia -1 ); K 2(20) = K 2 a um temperatura T= 20º C (dia -1 ); T = temperatura do líquido (ºC); θ =Coeficiente de temperatura (-), valor empregado 1,047 Influência da Temperatura K 2T = K 2(20) x θ (T – 20)

29 Esgotos Curso dágua Tempo (d) ou distância (km) OD (mg/l) DcDc CcCc CoCo tctc toto CsCs CoCo DoDo Pontos característicos da curva de depleção de OD

30 Concentração Crítica de Oxigênio O conhecimento da concentração crítica é fundamental, pois baseado nela que se estabelece a necessidade ou não do tratamento do esgoto. O tratamento, quando necessário, deve ser implementado com uma eficiência na remoção de DBO suficiente para garantir que a concentração crítica de OD seja superior ao valor mínimo permitido pela legislação (padrão para lançamento em corpos dágua).

31 Equações Representativas a) Concentração e déficit de oxigênio no rio após a mistura com o despejo: Onde: C 0 =Concentração inicial de oxigênio, logo após a mistura mg/l) D 0 = Déficit inicial de oxigênio, logo após a mistura mg/l) C s =Concentração de saturação de oxigênio Q r = Vazão do rio a montante do lançamento dos despejos (m 3 /s) Q e = Vazão de esgoto (m 3 /s) OD r = Concentração de oxigênio dissolvido no rio, a montante do lançamento dos despejos (mg/l) OD e = Concentração de oxigênio dissolvido no esgoto.

32 Concentração de saturação de OD (C s ) O Valor de C s é função da temperatura da água e da altitude Elevação da temperatura reduz a concentração de saturação Aumento da altitude reduz a concentração da saturação OD r = é resultante das atividades da bacia hidrográfica à montante Pouco indícios de poluição adotar como 70 a 90% do valor de saturação de oxigênio (C s )

33 Temperatura(ºC) Altitude (m) ,310,710,19,5 1111,110,59,99,3 1210,810,29,79,1 1310,610,09,58,9 1410,49,89,38,7 1510,29,79,18,6 1610,09,58,98,4 179,79,28,78,2 189,59,08,58,0 199,48,98,47,9 209,28,78,27,7 219,08,58,07,6 228,88,37,97,4 238,78,27,87,3 248,58,17,67,2 258,48,07,57,1 268,27,87,36,9 278,17,77,26,8 287,97,57,16,6 297,87,47,06,6 307,67,26,86,4 Quadro 4- Concentração de saturação de oxigênio (C s ) (mg/l)

34 b) Cálculo da DBO 5 e da demanda última no rio após a mistura com o despejo DBO Mistura DBO última da mistura Onde: DBO 5 = Concentração de DBO 5, logo após a mistura (mg/l); L 0 = Demanda última de oxigênio, logo após a mistura; DBO e = Concentração de DBO 5, do esgoto (mg/l); K T = cte para transformação da DBO 5 a DBO última

35 c) Cálculo do perfil de oxigênio dissolvido em função do tempo: d) Cálculo do tempo crítico (tempo onde ocorre a concentração mínima de oxigênio dissolvido

36 e) Cálculo do déficit crítico e da concentração crítica de oxigênio

37 f) Tempo de percurso (t) Tempo de percurso teórico que uma partícula gasta para percorrer um determinado trecho Em função: Velocidade e distância vencida Onde: t = tempo de percurso (d) d = distância percorrida (m) v = velocidade do curso dágua (m/s) = número de segundo por dia (s/d)

38 Eficiência necessária para instalação do tratamento do esgoto É verificada através da classe do rio, a qual o esgoto será despejado Classe do rio Valor mínimo de OD permissível maior = ODc(concentração crítica) deverá ser maior ao valor mínimo permitido pela legislação

39 Eficiência necessária para instalação do tratamento do esgoto Onde: DBO 5e = DBO 5 do esgoto efluente do tratamento (mg/l) DBO 5a = DBO 5 do esgoto afluente (mg/l) E = Eficiência do tratamento na remoção de DBO 5 (%)

40 Eficiência necessária para instalação do tratamento do esgoto Usualmente é feito é atribuir-se eficiência de remoção de DBO compatíveis com os processos de tratamento existentes ou disponíveis, e recalcula-se o perfil de oxigênio.

41 Exemplo 2 Q e = 0,114m 3 /s OD e = 0,0 mg/l DBO e =341 mg/l V = 0,35 m/s H = 1,0 m D = m T = 1,65 d Q r = 0,710 m 3 /s OD r = 6,8 mg/l DBO r = 2,0 mg/l Altitude: 1000m Temperatura : 25ºC K 1 = 0,48 d -1 K 2 = 2,49 d -1 C s = 7,5 mg/l Dados de entrada – Esgoto Bruto Classe 2 do rioODmín = 5,0 mg/l Verificar se antes da descarga do esgoto o mesmo precisará de tratamento. Esgoto Rio

42 Solução: Determinação dos dados de saída do esgoto a) Concentração de oxigênio da mistura (C 0 ) b) Déficit de oxigênio (D 0 ) Altitude: 1000m Temperatura : 25ºC Quadro 4

43 c) Concentração de DBO última da mistura (L 0 )

44 d) Cálculo do déficit crítico e da concentração crítica de oxigênio

45 É necessário a adoção de medidas de controle ambiental, já que ocorrem concentrações inferiores à mínima permissível (OD min = 5,0 mg/l)

46 Exercícios – Lista 2 Estudar a Resolução 357/2005 do CONAMA (Conselho Nacional de Meio Ambiente). Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências.

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48 Condições do Rio DBO 5 20º C, mg/L Aspecto estético OD,% saturação Vida peixes Muito Limpo1Bom80%Vida aquática Limpo2Bom80%Vida aquática Relat. limpo3Bom80%Vida aquática Duvidoso5Turvo50%Só os mais resistentes Pobre7,5Turvo50%Só os mais resistentes Mau10MauQuase nuloDifícil Péssimo20MauQuase nuloDifícil A vida aquática Jordão, P. E & Pessoa, A. C (2005).

49 Formas de Controle da poluição por matéria orgânica Visão regional para a bacia hidrográfica como um todo Entre as principais alternativas disponíveis, citam- se as seguintes: Tratamento do esgoto; Regularização da vazão d água; Aeração dos esgotos tratados; Alocação para outros usos para o curso dágua.

50 Tratamento do esgoto Tratamento individual ou coletivo dos esgotos antes do lançamento, é usualmente a principal, e muitas vezes a única estratégia de controle. Regularização das vazões dos curso dágua Geralmente construir uma barragem a montante para, para através da regularização aumentar a vazão mínima do curso dágua. Aeração dos curso dágua Promover a aeração do curso dágua em algum ponto a jusante do lançamento, mantendo os valores de OD em valores superiores ao mínimo.

51 Entre as diversas formas de aeração podem ser empregadas: Aeração por ar difuso; Aeração superficial; Aeração em vertedores; Aeração em turbinas; Injeção por pressão. Também quedas dágua naturais podem contribuir significativamente para a elevação do OD

52 Aeração dos esgotos tratados Na saída da estação de tratamento de esgotos, após a satisfação da demanda de oxigênio, o efluente pode sofrer uma simples aeração, usualmente por meio de vertedores. Alocação de outros usos para o curso dágua.


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