11:11

Processos de Transporte em Estuários – Parte 2

Carlos Ruberto Fragoso Júnior

11:11

Sumário

Revisão Parâmetros da qualidade da água

11:11

Transporte x Qualidade de água Tradicionalmente se ocupava basicamente

da quantidade da água e não da sua qualidade.

Esta ótica está bem presente em grande parte dos livros de hidrologia aplicada.

Entretanto, cada vez mais é importante incluir um conhecimento mínimo de qualidade de água

11:11

Poluentes

Entende-se por poluição da água a alteração de suas características por quaisquer ações ou interferências sejam elas ou não provocadas pelo homem (Braga et al., 2005).

A origem da palavra poluição está relacionada à condição estética da água, que parece suja quando a poluição pode ser percebida a olho nu.

11:11

Poluentes

Entretanto, a alteração da qualidade da água não se manifesta apenas em características estéticas.

A água aparentemente limpa pode conter micro-organismos patogênicos e substâncias tóxicas.

11:11

Fontes de poluentes

Pontuais introduzidas por

lançamentos facilmente identificáveis e individualizados, como os despejos de esgoto de uma indústria

Difusas lançados de forma

distribuída e não é fácil identificar como são produzidos, como no caso das substâncias provenientes de áreas agrícolas, ou dos poluentes associados à drenagem pluvial urbana

11:11

Concentração

Concentração: Aspectos fundamentais da qualidade da água são,

normalmente, apresentados em termos de concentração de substâncias na água. A concentração é expressa como a massa da substância por volume de água, em mg.l-1, ou g.m-3.

Por exemplo, ao acrescentar e dissolver 12 mg de sal em um litro de água pura, obtém-se água com uma concentração de 12 mg.l-1 de sal.

11:11

Concentração

Concentração é a relação entre a massa de uma substância e o volume de água em que ela está diluída ou dissolvida:

lmglitro

mg

Volume

massaC /

QCmassadeFluxo __ g/s ou Kg/s

11:11

Mistura De forma semelhante, quando são misturados volumes de água com

concentrações diferentes, a concentração final equivale a uma média ponderada das concentrações originais, o mesmo ocorrendo no caso de vazões. Assim, se um rio com vazão QR e concentração CR recebe a entrada de um afluente com vazão QA e com concentração CA. Admitindo uma rápida e completa mistura das águas, a concentração final é dada por:

AR

AARRF QQ

CQCQC

QR CRQA CA

QF CF

11:11

Carga de poluentes

A carga ou fluxo de um poluente ou substância é dada pelo produto entre a vazão e a concentração. No exemplo anterior, o fluxo de Nitrogênio Total no rio, a jusante da entrada de esgoto é dado por:

13

.4804,25,2304,25,23

sKgs

Kg

ls

mgmCQW FFF

11:11

Transporte de substâncias na água Num rio, lago, reservatório ou estuário o transporte de uma

substância está sujeito a processos físicos, químicos e biológicos.

Transporte ocorre pelos processos de: advecção difusão dispersão

Além disso podem ocorrer transformações como: sedimentação (substância deposita no fundo) transformação química perdas ou ganhos no contato com o meio externo (ar)

11:11

Transporte

Advecção : Transporte com a velocidade média da água.

Difusão : Transporte que ocorreria mesmo que a água estivesse parada. Substância se espalha de regiões de mais alta concentração para regiões de mais baixa concentração.

Dispersão : Espécie de difusão que ocorre porque a velocidade da água não é sempre igual à média.

11:11

Advecção

11:11

Advecção

11:11

Advecção

Substância não se espalha, apenas percorre uma distânciana mesma velocidade (média) da água

11:11

Difusão

11:11

Difusão

11:11

Difusão

Substância se espalha pelo movimento aleatório das moléculasmesmo que a velocidade média seja zero.

11:11

1a Lei de Fick - Difusão

x

CDJ

• D é um coeficiente de difusão (unidades de m2/s)• J é o fluxo de massa de C • massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração

11:11

Dispersão

11:11

Dispersão

11:11

Dispersão

Substância percorre uma distância com a velocidademédia da água e além disso se espalha, porque a velocidadeda água não é sempre igual à média

11:11

Dispersão

Velocidades diferentes e turbulência criam um efeito semelhante ao da difusão

Em rios o efeito da dispersão é mais importante do queo da difusão, embora os dois ocorram juntos e contribuam parao espalhamento.

11:11

1a Lei de Fick - Dispersão

x

CEJ

• E é um coeficiente de dispersão (unidades de m2/s)• J é o fluxo de massa de C • massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração

11:11

Coeficiente de dispersão longitudinal em rios

*

22

011.0Uh

BuE

ShgtocisalhamendevelocidadeU *

E: coeficiente de dispersão longitudinal (m2/s)B: largura do rio (m)h: profundidade (m)u: velocidade da água (m/s)

Chapra (1997) cap. 14

11:11

Parâmetros de qualidade da água A qualidade da água é avaliada de acordo

com a concentração de substâncias denominados parâmetros de qualidade de água. As concentrações destes parâmetros são importantes para a caracterização da água frente aos usos a que ela se destina. Por exemplo, para ser bebida a água não pode ter uma concentração excessiva de sais.

11:11

Parâmetros

Temperatura Salinidade Oxigênio dissolvido (OD) pH DBO (poluentes orgânicos biodegradáveis) Concentração de coliformes fecais Concentração de metais pesados (Pb, Hg) Concentração de nutrientes para algas (N, P) Turbidez Concentração de sólidos Cor e odor Concentração de Clorofila a (indicador de algas) outros

11:11

Temperatura

11:11

Temperatura

A temperatura da água afeta as características físicas e químicas da água.

por exemplo: solubilidade dos gases e densidade

A temperatura também afeta o comportamento dos micro-organismos.

por exemplo: velocidade com que os microorganismos degradam a matéria orgânica

O efeito de quase todos os outros poluentes depende da temperatura

11:11

Temperatura

As principais fontes de efluentes térmicos são as usinas termo-elétricas, sejam elas nucleares ou a carvão.

11:11

Temperatura Barragens com reservatórios profundos

também podem despejar água com temperatura alterada em relação ao rio original.

Tomada de água no fundo = água fria e sem oxigênio

água fria

água quente

11:11

Oxigênio dissolvido

11:11

Oxigênio Dissolvido (OD)

Oxigênio Dissolvido existe na água em concentrações que variam com a temperatura, salinidade, pressão e com a presença de poluentes

Oxigênio pode penetrar na água por difusão do ar atmosférico, através da superfície de um rio ou lago, ou através da superfície de bolhas (por exemplo num aquário ou numa cachoeira)

O oxigênio também pode ser produzido dentro da água por plantas (fotossíntese)

11:11

OD - Concentração de saturação

Entrada de oxigênio = reoxigenação Reoxigenação tem um limite, que é a

concentração máxima de OD na água para uma dada temperatura (COD-sat).

COD-sat é maior em água fria

COD-sat é menor em água salgada

11:11

aum

ento

de t

em

pera

tura

aumento de salinidade

baixa COD-sat

alta COD-sat

11:11

Concentração de OD na saturação

432ODsat T

e

T

d

T

c

T

baC exp

onde T é a temperatura em graus Kelvin (T=oC+273,15) e os coeficientes são dados a seguir:

a = -139,34411 b = 1,575701 . 105

c = -6,642308 . 107

d = 1,243800 . 1010

e = -8,642308 . 1011

para água doce:

11:11

OD

OD tem um papel fundamental na manutenção da vida aquática

valores inferiores a 3 mg/l tendem a ser prejudiciais para a maior parte dos vertebrados aquáticos.

certos peixes necessitam de concentrações de OD superiores a um determinado limite para sobreviver, ou apresentar certos tipos de comportamento

concentrações superiores a 4 mg/l normalmente não apresentam problemas para peixes (depende da espécie)

11:11

OD para salmão, por

exemplo, a concentração ideal é

de 9 mg/l é aceitável entre 7-8

mg/l ; inferior a 3.5 mg/l tende

a ser fatal

11:11

OD

Dourado (Salminus brasiliensis) apresenta melhor crescimento e utilização de alimento quando cultivado em altas concentrações de oxigênio dissolvido, com valores superiores a 5,04 mg/l (Raphael de Leão Serafini – dissertação de mestrado UFSC).

11:11

Poluentes orgânicos biodegradáveis

11:11

Poluentes orgânicos biodegradáveis A matéria orgânica biodegradável lançada na

água é degradada por organismos decompositores

se houver Oxigênio Dissolvido na água a decomposição será feita por bactérias aeróbias, que consomem o oxigênio dissolvido

se não houver Oxigênio Dissolvido na água a decomposição será feita por bactérias anaeróbias, que produzem gases como o metano e o gás sulfídrico

Mais detalhes sobre matéria orgânica degradável depois

11:11

Nutrientes

11:11

Nutrientes

O excesso de nutrientes nos corpos de água pode levar ao crescimento excessivo de alguns organismos aquáticos (eutrofização).

Nutrientes mais importantes: N e P Fontes:

esgotos domésticos erosão dos solos agrícolas (especialmente onde ocorre

adubação) decomposição de matéria orgânica

11:11

Fontes de Nutrientes

A principal fonte natural de P são as próprias rochas (presença de apatita).

Fontes artificiais importantes de P são os adubos utilizados na agricultura, e os detergentes e sabões usados em casa

Fontes de N são agricultura, esgotos domésticos e atmosfera

11:11

Eutrofização

Eutrofização é como se chama o processo de aumento de nutrientes na água levando a um excesso de produção de algas.

Eutrofização pode ocorrer naturalmente

Eutrofização se torna mais comum pela poluição com N e P.

11:11

Eutrofização

Eutrofização leva ao crescimento de algas; que acabam se decompondo e consumindo oxigênio

Outro problema é o surgimento de algas que produzem toxinas, como as ciano-bactérias (algas azuis)

11:11

Turbidez

11:11

Turbidez

Turbidez indica qualidade da água: água mais clara normalmente tem melhor qualidade

Medida no campo usando o disco de Secchi No laboratório é medida através da transmissão da

luz através do líquido colóides desviam e dispersam luz

partículas coloidais podem estar relacionadas a organismos patógenos, substâncias tóxicas (metais e pesticidas).

11:11

Partículas Sólidas: partículas em suspensão oriundas de erosão de solos, efluentes industriais, esgoto urbano, atividades de mineração, etc.Causam turbidez ou cor inibindo a fotossíntese através do impedimento da entrada da luz, deposição de partículas na superfície das folhas e caules das plantas aquáticas. Os organismos de fundo podem ser enterrados devido a deposição de partículas ou sofrerem adsorção na superfície.

11:11

Medição de turbidez com disco de Secchi

11:11

pH

11:11

pH

O que é o pH? É uma forma de medir concentração de H+

usa escala logaritmica pH = 7 significa [H+] = 10-7 mol H+/L

pH em condições naturais pode ser: Ácido

em regiões com florestas tropicais com grande liberação de matéria orgânica (rios “Negros”)

solos de florestas em regiões temperadas (pH 4-6) gota de chuva em atmosfera limpa (pH 5-5.5)

Alcalino solos de regiões áridas (pH 8-11) solos em regiões de rochas calcárias (pH 7-9)

exemplos: rios de Bonito (MS) Oceano (pH 8-8.5)

11:11

pH: O pH da água é neutro ou levemente alcalino ou ácido. As substâncias nela dissolvidas é que lhe vão dar a propriedade, dependendo da concentração relativa de íons de hidrogênio ou oxidrilas nela existentes.

11:11

PH:- O potencial hidrogeniônico também é importante. A água de um rio geralmente tem pH neutro, o que significa que os íons de hidrogênio e oxidrilas estão em equilíbrio. -Adições de ácidos como sulfúrico (H2SO4), clorídrico (HCl) ou ácidos orgânicos como o cítrico, o ascórbico (vitamina C) entre outros, podem tornar a água rica em íons hidrogênio em relação à oxidrilas. -- As substâncias como soda cáustica (NaOH), amoníaco (NH4) e potassa (lavagem de máquinas industriais), ao contrário dos ácidos possuem alta concentração de oxidrilas, tornando a água alcalina. - A solubilidade de vários elementos químicos é dependente do pH, havendo desorção ou sorção de metais por exemplo de material sólido

11:11

pH

Mais impacto antropogênico sobre o pH Chuva ácida Efluentes de mineração Efluentes, esgotos ácidos ou alcalinos

11:11

pH

Qual é a importância do pH? o pH do meio (água) controla as reações

químicas de muitos outros poluentes exemplo 1:

baixo pH aceleara a decomposição de materiais potencialmente tóxicos

exemplo 2: alto pH pode levar a um aumento na concentração

de amônia, que é tóxica para os peixes alterações na biodiversidade

11:11

Microorganismos

11:11

Microorganismos

Obviamente existem inúmeros tipos de micro-organismos nas águas

Alguns podem indicar presença de efluentes de origem animal

Água com micro-organismos de origem humana é potencialmente nociva

Escherichia coli é uma bactéria presente nos sistemas digestivos de animais de sangue quente que é usada como indicativo

Coliformes fecais

11:11

Escherichia coli A presença da E.coli em água ou

alimentos é indicativa de contaminação com fezes humanas (ou mais raramente de outros animais).

A quantidade de E.coli em cada mililitro de água é uma das principais medidas usadas no controle da higiene da água potável municipal, preparados alimentares e água de piscinas.

Testar para todos os micro-organismos potencialmente patogênicos seria muito caro.

Escherichia coli não é, normalmente, nociva, mas serve como indicativo da presença de poluição com dejetos humanos.

Th

eod

or E

sch

eric

h

11:11

Concentração de coliformes fecais Valores medidos em

laboratório em Número Mais Provável por 100 ml, ou NMP/100ml

11:11

Parâmetros conservativos

Parâmetros que não reagem, não alteram a sua concentração por processos físicos, químicos e biológicos, exceto a mistura.

Exemplo: sais

11:11

Parâmetros não conservativos Reagem com o ambiente alterando a

concentração. Exemplo: DBO, temperatura, coliformes, OD

11:11

Exemplo parâmetro conservativo

AR

AARRF QQ

CQCQC

QR CRQA CA

QF CF

distância

C

11:11

Exemplo parâmetro não conservativo

AR

AARRF QQ

CQCQC

QR CR

QA CA

QF CF

distância

C

QF2 CF2

11:11

Não conservativos

Reações químicas Consumo na cadeia trófica Sedimentação = deposição no fundo Trocas com a atmosfera