Prof. Dra Gersina Nobre da R.C.Junior O Balanço de Oxigênio Dissolvido.
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Prof. Dra Gersina Nobre da R.C.Junior
O Balanço de Oxigênio DissolvidoO Balanço de Oxigênio Dissolvido
O Balanço de Oxigênio Dissolvido
Fatores interagentes no balanço
Repercussão mais nociva da poluição de um corpo d’água
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.
Teor do oxigênio dissolvido tem sido utilizado para determinação do grau de poluição e da autodepuração em cursos d’água.
O Balanço de Oxigênio Dissolvido
Medição é simples, e seu teor pode ser expresso em concentrações, quantificáveis e passíveis de modelagem matemática.
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.
Fenômenos interagentes no balanço de OD
Reaeração atmosférica
DBO solúvel e finamente particulada (oxidação)
OD
DBO suspensa (sedimentação)
OD
OD
Demanda bentônicaODDBO
RevolvimentoLodo DBO
Fotossíntese
Nitrificação
Cinética da desoxigenação
Efeito ecológico da poluição orgânica Decréscimo dos teores de oxigênio
dissolvido
DBO DBO
Consumo de oxigênio dissolvido varia ao longo do tempo
Valor de DBO em dias distintos, é diferente
Conceito de DBO representa:Tanto a matéria orgânica quanto o consumo de oxigênio
Cinética da desoxigenação
Dois ângulos distintos:Dois ângulos distintos:
DBO DBO remanescenteremanescente:: concentração de matéria orgânica remanescente na massa líquida em um dado instante.
DBO DBO exercida:exercida: oxigênio consumido para estabilizar até este instante.
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 orgânicaProgressão temporal da oxidação da matéria orgânica
txL .-K
0
1e L Onde:
L = DBO remanescente em um tempo t qualquer (mg/l)
L0 = DBO remanescente em t = 0 (mg/l)
K1 = Coeficiente de desoxigenação
DBO DBO remanescenteremanescente
DBO DBO exercidaexercida
ty .-K
0
1e - 1 L Onde:
y = DBO exercida em um tempo t (mg/l)
L0 = 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 = L0 – L.
Cinética da desoxigenação
Coeficiente de desoxigenação KCoeficiente de desoxigenação K1 1 depende:depende:
Características da matéria orgânica;
Temperatura; e da
Presença de substâncias inibidoras.
Cinética da desoxigenação
Origem K1(dia-1)
Água residuária concentrada 0,35 – 0,45
Água residuária de baixa concentração 0,30 – 0,40
Efluente primário 0,30 – 0,40
Efluente secundário 0,12 – 0,24
Rios com águas limpas 0,09 – 0,21
Água para abastecimento público < 0,12Sperling, 2006 apud Fair et al, 1979;Arceivala, 1981
Quadro 1- Valores Típicos de K1 (base e, 20ºC)
Influência da TemperaturaInfluência da Temperatura
Influência metabolismo microbiano
Taxas de estabilização da matéria orgânica
Relação entre a temperatura e a taxa de desoxigenação pode ser expressa por:
K1T = K1(20) x θ(T – 20)
Onde:
K1T = K1 a um temperatura T qualquer (dia-1)
K1(20) = K1 a um temperatura T= 20º C (dia-1)
T = temperatura do líquido (ºC)
θ =Coeficiente de temperatura (-), valor empregado 1,047
Exemplo 1Exemplo 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 K1= 0,25 d-1
(b) Demanda última L0 =100mg/l.
Calcular a DBO exercida a 1, 5 e 20 dias.
Solução:
Utilizando-se a equação da DBO exercida onde ty .-K
0
1e - 1 L
mg/l 22)e -100(1 -0,25x1
1y
•Para t = 1 dia
•Para t = 5 dias:
mg/l 71 )e-100(1 -025x5
5y
•Para t = 20 dias:
mg/l 99 )e-100(1 -0,25x20
20y
Continuação
Observa-se que a 20 dias a DBO já está praticamente toda exercida (y20 praticamente igual a L0 ).
A relação entre a DBO5 e a demanda última L0 é: 71/100 = 0,71. Assim ao quinto dia, aproximadamente 71% da matéria orgânica total (expressa em termos de DBO) já está estabilizada.
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 (Cs)
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
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 (Cs)
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.
Cinética da reaeraçãoDéficit de oxigênio dissolvidoDéficit de oxigênio dissolvido
2.tK
0e D xD
Onde:
D = déficit de oxigênio dissolvido, ou seja a diferença entre a concentração de saturação (Cs) e a concentração existente em
um tempo qualquer, (D=Cs- C);
D0 = déficit de oxigênio inicial (mg/l);
t = tempo em dias;
K2 = coeficiente de reaeração (base e) (dias-1)
Cinética da reaeraçãoA progressão do déficit (D = Cs- 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.
Cinética da reaeração
Coeficiente de reaeração K2
Determinação, métodos estatísticos
Determinação por Valores médios tabulados
Estudo dos corpos d’água de diversas características, valores médios de K2
Corpo d’água K2(dia-1)
Profundo Raso
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 d’água >1,15 >1,61
Cinética da reaeraçãoQuadro 2- Valores típicos de K2(base e, 20ºC)
Cinética da reaeraçãoCorpos d’água mais rasos e mais velozesCorpos d’água mais rasos e mais velozes tendem a possuir um maior coeficiente de reaeração
Influência das Características Físicas no Coeficiente K2
ProfundidadeProfundidade
VelocidadeVelocidade
Baixa profundidade Elevado K2
Elevada profundidade
Baixo K2
Baixa velocidade Baixo K2
Elevada velocidade Elevado K2
Cinética da reaeração
Valores em função das características hidráulicas do corpo d’água.
Literatura várias fórmula, relacionando K2 com a profundidade e velocidade do curso d’água.
Várias técnicas de campo empregadas na elaboração dos estudos dentre elas:
Traçadores radioativos;
Distúrbios de equilíbrio;
Balanço de massa e outras.
Quadro 3- Três principais fórmulas:
Pesquisador Fórmula Faixa de aplicação
O’Connor e Dobbins (1958)
3,73xV0,5xH-1,5 0,6m ≤ H < 4,0 m
0,05m/s ≤ V < 0,8m/s
Churchill et al (1962) 5,0xV0,97xH-1,67 0,6m ≤ H < 4,0 m
0,8m/s ≤ V < 1,5m/s
Owens et al (apud Branco, 1976)
5,3xV0,67xH-1,85 0,1m ≤ H < 0,6 m
0,05m/s ≤ V < 1,5m/s
Cinética da reaeração
V: velocidade do curso d’água;
H: altura da lâmina d’água.
Influência da TemperaturaInfluência 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 K2).
O efeito da temperatura no coeficiente de reaeração K2 pode ser expressa por:
K2T = K2(20) x θ(T – 20)
Onde:
K2T = K2 a um temperatura T qualquer (dia-1);
K2(20) = K2 a um temperatura T= 20º C (dia-1);
T = temperatura do líquido (ºC);
θ =Coeficiente de temperatura (-), valor empregado 1,047
Influência da TemperaturaInfluência da Temperatura
K2T = K2(20) x θ(T – 20)
Esgotos
Curso d’água
Tempo (d) ou distância (km)
OD (mg/l)
Dc
Cc
Co
tcto
Cs
Co Do
Pontos característicos da curva de depleção de OD
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 d’água).”
Equações RepresentativasEquações Representativas
er
eer
0 Q Q
OD x Q Q
rODx
C
a) Concentração e déficit de oxigênio no rio após a mistura com o despejo:
0s0C - C D
Onde:
C0 =Concentração inicial de oxigênio, logo após a mistura mg/l)
D0 = Déficit inicial de oxigênio, logo após a mistura mg/l)
Cs =Concentração de saturação de oxigênio
Qr = Vazão do rio a montante do lançamento dos despejos (m3/s)
Qe = Vazão de esgoto (m3/s)
ODr = Concentração de oxigênio dissolvido no rio, a montante do lançamento dos despejos (mg/l)
ODe = Concentração de oxigênio dissolvido no esgoto.
Concentração de saturação de OD (Cs)
O Valor de Cs 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
ODr = é resultante das atividades da bacia hidrográfica à montante
Pouco indícios de poluição adotar como 70 a 90% do valor de saturação de oxigênio (Cs)
Temperatura(ºC)
Altitude (m)
0 500 1000 1500
10 11,3 10,7 10,1 9,5
11 11,1 10,5 9,9 9,3
12 10,8 10,2 9,7 9,1
13 10,6 10,0 9,5 8,9
14 10,4 9,8 9,3 8,7
15 10,2 9,7 9,1 8,6
16 10,0 9,5 8,9 8,4
17 9,7 9,2 8,7 8,2
18 9,5 9,0 8,5 8,0
19 9,4 8,9 8,4 7,9
20 9,2 8,7 8,2 7,7
21 9,0 8,5 8,0 7,6
22 8,8 8,3 7,9 7,4
23 8,7 8,2 7,8 7,3
24 8,5 8,1 7,6 7,2
25 8,4 8,0 7,5 7,1
26 8,2 7,8 7,3 6,9
27 8,1 7,7 7,2 6,8
28 7,9 7,5 7,1 6,6
29 7,8 7,4 7,0 6,6
30 7,6 7,2 6,8 6,4
Quadro 4- Concentração de saturação de oxigênio (CQuadro 4- Concentração de saturação de oxigênio (Css) (mg/l)) (mg/l)
b) Cálculo da DBO5 e da demanda última no rio após a mistura com o despejo
er
eerr
0 Q Q
DBO x Q DBO x Q 5
DBO
T00K x DBO5 L
DBO Mistura
DBO última da misturaOnde:
DBO5 = Concentração de DBO5, logo após a mistura (mg/l);
L0 = Demanda última de oxigênio, logo após a mistura;
DBOe = Concentração de DBO5, do esgoto (mg/l);
KT = cte para transformação da DBO5 a DBO última
15k-
5
u
e - 1
1
DBO
DBO
TK
c) Cálculo do perfil de oxigênio dissolvido em função do tempo:
tt
tDC .K-
0
.K-.t K-
12
01
s
221 e x e -e x K K
L x K-C
K x
K - K xD -1 x
K
Kln x
K K
1
1 0
120
1
2
12
L
tC
d) Cálculo do tempo crítico (tempo onde ocorre a concentração mínima de oxigênio dissolvido
e) Cálculo do déficit crítico e da concentração crítica de oxigênio
ct
CD .K-
0
2
1 1e x L x K
K
csD - C
cOD
f) Tempo de percurso (t)
Tempo de percurso teórico que uma partícula gasta para percorrer um determinado trecho
Em função:Em função:
Velocidade e distância vencida
v.86400
d t
Onde:
t = tempo de percurso (d)
d = distância percorrida (m)
v = velocidade do curso d’água (m/s)
86400 = número de segundo por dia (s/d)
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
= ODc(concentração crítica) deverá ser maiormaior ao valor mínimo permitido pela legislação
Eficiência necessária para instalação do tratamento do esgoto
aexDBO
EDBO
55 1001
Onde:
DBO5e = DBO5 do esgoto efluente do tratamento (mg/l)
DBO5a = DBO5 do esgoto afluente (mg/l)
E = Eficiência do tratamento na remoção de DBO5(%)
100 x DBO
DBO- DBO
5a
5e5aE
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.”
Exemplo 2Exemplo 2
Qe = 0,114m3/s
ODe = 0,0 mg/l
DBOe =341 mg/l
V = 0,35 m/sH = 1,0 mD = 50.000 mT = 1,65 d
Qr = 0,710 m3/s
ODr = 6,8 mg/l
DBOr = 2,0 mg/l
Altitude: 1000m
Temperatura : 25ºC
K1 = 0,48 d-1
K2 = 2,49 d-1
Cs = 7,5 mg/l
Dados de entrada – Esgoto Bruto
Classe 2 do rio ODmín = 5,0 mg/l
Verificar se antes da descarga do esgoto o mesmo precisará de tratamento.
Esgoto
Rio
Solução:
Determinação dos dados de saída do esgoto
a) Concentração de oxigênio da mistura (C0)
er
eer
0 Q Q
OD x Q Q
rODx
C
mg/l 5,9 114,0710,0
0,0 114,08,6 710,00
xx
C
mg/l 1,6 5,9 -7,5 0
D
b) Déficit de oxigênio (D0)
0s0C - C D
Altitude: 1000m Temperatura : 25ºCQuadro 4
c) Concentração de DBO última da mistura (L0)
T00K x DBO5 L
15k-
5
u
e - 1
1
DBO
DBO
TK
1,10 e -1
1
5.0,48-
TK
er
eerr
0 Q Q
DBO x Q DBO x Q 5
DBO
mg/l 49 0,114 0,710
341 x 0,114 2,0 x 0,710 5
0
DBO
mg/l 54 1,10 x 49 0
L
d) Cálculo do déficit crítico e da concentração crítica de oxigênio
ct
CD .K-
0
2
1 1e x L x K
K
csD - C
cOD
K x
K - K xD -1 x
K
Kln x
K K
1
1 0
120
1
2
12
L
tC
d 0,75
0,48 x 54
0,48 -2,49 x6,11
0,48
2,49ln
48,049,2
1
xt
c
mg/l 7,2 e x 54 x 2,49
0,48 0,48.0,75-
cD
ct
CD .K-
0
2
1 1e x L x K
K
csD - C
cOD mg/l 0,3 7,2 - 7,5
cOD
É necessário a adoção de medidas de controle ambiental, já que ocorrem concentrações inferiores à mínima permissível (ODmin= 5,0 mg/l)
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.
Condições do Rio
DBO5
20º C, mg/L
Aspecto estético
OD,% saturação
Vida peixes
Muito Limpo 1 Bom 80% Vida aquática
Limpo 2 Bom 80% Vida aquática
Relat. limpo 3 Bom 80% Vida aquática
Duvidoso 5 Turvo 50% Só os mais resistentes
Pobre 7,5 Turvo 50% Só os mais resistentes
Mau 10 Mau Quase nulo Difícil
Péssimo 20 Mau Quase nulo Difícil
A vida aquática
Jordão, P. E & Pessoa, A. C (2005).
Formas de Controle da poluição por matéria Formas de Controle da poluição por matéria orgânicaorgânica
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 d’água.
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 d’água
Geralmente construir uma barragem a montante para, para através da regularização aumentar a vazão mínima do curso d’água.
Aeração dos curso d’água
Promover a aeração do curso d’água em algum ponto a jusante do lançamento, mantendo os valores de OD em valores superiores ao mínimo.
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 d’água naturais podem contribuir significativamente para a elevação do OD
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 d’água.