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DISCIPLINA SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ÁGUA E ESGOTO EA/UFPR EXERCÍCIO X: AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE SUPORTE DOS CORPOS HÍDRICOS PROFESSOR DANIEL COSTA DOS SANTOS 15/05/2017
CAPACIDADE SUPORTE DOS CORPOS HÍDRICOS
1 Enunciado
Avaliar a atualidade e a projeção da relação entre a Disposição Final de Esgoto e a
Capacidade Suporte dos Corpos Hídricos no Município Vale Verde, sendo estes o
rio e a represa apresentados no enunciado. Observar igualmente que não há rede
coletora de esgoto no Município, mas há uma precária rede de drenagem urbana na qual
é lançado esgoto de forma clandestina. Portanto o processo de poluição por meio de
lançamento de esgoto nos rios ocorre de forma difusa e por meio da contaminação do
lençol freático. De maneira a remediar esse problema foi concebida uma rede de
drenagem e um sistema de esgotamento sanitário composto por rede coletora e estação
de tratamento.
No ponto de disposição do esgoto no córrego a classe é 03 (Resolução 357 CONAMA)
e sua vazão mínima é dada pela seguinte expressão:
Q10,7 = C.XT.(A+B).Q’ , sendo,
C, A, B: parâmetros da equação; XT: constante função do período de retorno T; para
T=10. Portanto, para a região do Município Vale Verde, tem-se os seguintes dados e
conseqüentes resultados:
XT=X10=0,632 ; A=0,4089 ; B=0,0332 ; C=0,75 ; Q’ = 235,8 L/s
Q10,7 = 0,75 x 0,632 x (0,4089 + 0,0322) x 235,8 = 49,41 L./s
Logo,
QER = Q10,7 = 49,41 L./s = 4269 m3/d = 0,0494 m³/s
sendo QER a vazão de estiagem do rio no ponto de lançamento do esgoto. Demais
dados são os seguintes:
DBO/R = 2,0 mg/L ; OD/R = 8,2 mg/L ; TR = 12oC ;V = 0,18 m/s ; H = 1,2 m
2 Estimativas das Capacidades Suporte
2.1 Avaliação da Capacidade de Recuperação de OD do Rio
Esta avaliação será desenvolvida com base no Modelo Streeter Phelps o qual busca
reproduzir o comportamento do oxigênio dissolvido ao longo do rio, conforme a Figura
01:
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Figura 01: Curva Referente ao Comportamento do Oxigênio Dissolvido
Desta forma, além do valor já estimado de DBO do esgoto bruto de 431,55 mg/L,
admitir que a OD é de 0,5 mg/l e que K1 = 0,10/d. Isto posto, seguir a rotina de
dimensionamento:
2.1.1 Equacionamento para Disposição do Esgoto Bruto
1º Aplicação da Equação da Mistura para determinar DBO, OD e T de mistura:
Var. = (Var.R . QER + VarES. Qf med) / ( QER + Qf med) ; Var. : mg/L ; Qf med: L/s
T/M = (12ºC x 49,41 + 17ºC x 19,33) / (68,74) = 13,41ºC
DBO/M = (2,0 x 49,41 + 431,55 x 19,33) / (68,74) = 122,79 mg/L
OD/M = (8,2 x 49,41 + 0,5 x 19,33) / (68,74) = 6,03mg/L
2º Estimar Taxa de Desoxigenação K1 e de Reaeração K2 :
K1 = K120 .( 1,047 T-20
) ; K2 = 2,2 . (V / H 1,33
) ; K1 e K2: (dia-1
) ; V: m/s; H: m/s
K1 = 0,10 (1,047 13,41 – 20
) = 0,0739 /d ; K2 = 2,2 (0,18 / 1,2 1,33
) = 0,31 /d
3º DBO Carbonácea Última no Ponto de Mistura (Lo):
DBOt = Lo (1-10-K.t
) ; DBOt e Lo : mg/L
Lo = DBO5 / (1 – 10 -5 x 0,07395
) = 214,32 mg/L
4º Déficit Inicial de OD (Do): Do = ODr. – ODmist. ; Do = 8,2 – 6,03 = 2,17 mg/L
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5º Tempo Crítico (tc):
tc = [(K2 – K1)-1
] . log { [ K2/K1] . [ 1 – [ Do (K2 - K1) / K1. Lo ] ]}
tc = [ (0,31 – 0,071)-1
] x log {[0,31/0,07]-[1- [2,17 x (0,31-0,07)/0,07 x 214,32]}
tc = [ (4,17) ] x log {[4,43]-[1- 0,034]} = 4,17 x log 3,46 = 2,63 d
4º Distância onde Ocorre o ODmin (Cc): Cc = V . tc = 0,18 x 2,63 x 86400 = 40,93 km
5o Estimar ODmin: ODmin= OD sat. – Dc
Dc = (K1/K2).Lo.(10 – K1.tc
); Dc = (0,0739/0,31) x 214,32 x (10-0,07 x 2,25
)= 33,44 mg/L
6o ODc = 8,2 – 33,44 = 0,00 mg/l
2.1.2 Equacionamento para Disposição do Esgoto Tratado
Dado que a DBO do esgoto bruto é de 431,55 mg/L e admitindo que a eficiência de
remoção de DBO do tratamento concebido seja na ordem de 90 %, a DBO efluente é de
43,16 mg/l. Considerar também que a OD é de 4,5 mg/l e que K1 = 0,10/d. Isto posto
seguir a rotina de dimensionamento já apresentada, cujos resultados são apresentados na
sequência.
1º Aplicação da Equação da Mistura para determinar DBO, OD e T de mistura:
Var. = (Var.R . QER + VarES. Qf med) / ( QER + Qf med) ; Var. : mg/L ; Qf med: L/s
T/M = 13,41ºC
DBO/M = 13,57 mg/L
OD/M = (8,2 x 49,41 + 0,5 x 19,33) / (68,74) = 7,16 mg/L
2º Estimar Taxa de Desoxigenação K1 e de Reaeração K2 :
K1 = K120 .( 1,047 T-20
); K2 = 2,2 . (V / H 1,33
); K1 e K2: (dia-1
) ; V: m/s ; H: m/s
K1 = 0,10 (1,047 13,41 – 20
) = 0,0739 /d
K2 = 2,2 (0,18 / 1,2 1,33
) = 0,31 /d
3º DBO Carbonácea Última no Ponto de Mistura (Lo):
DBOt = Lo (1-10-K.t
) ; DBOt e Lo : mg/L
Lo = DBO5 / (1 – 10 -5 x 0,07395
) = 23,69 mg/L
4º Déficit Inicial de OD (Do): Do = ODr. – ODmist. ; Do = 8,2 – 7,16 = 1,04 mg/L
5º Tempo Crítico (tc):
tc = [(K2 – K1)-1
] . log { [ K2/K1] . [ 1 – [ Do (K2 - K1) / K1. Lo ] ]}
tc = [ (0,31 – 0,071)-1
] x log {[0,31/0,07]-[1- [1,04 x (0,31-0,07)/0,07 x 23,69]}
tc = 2,36 d
6º Distância onde Ocorre o ODmin (Cc): Cc = V . tc = 0,18 x 2,36 x 86400 = 36,70 km
7o Estimar ODmin: ODmin= OD sat. – Dc
Dc = (K1 / K2). Lo . (10 – K1.tc
);
Dc = (0,07039/0,31) x 23,69 x (10-0,07 x 2,36
) = 3,78 mg/L
8º ODc = 8,2 – 3.78 = 4,42 mg/l
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As ilustrações destas curvas estão apresentadas na Figura 02.
Figura 02: Curvas de Oxigênio Dissolvido para Cenários sem Tratamento e com
Tratamento de Esgoto
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2.2 Avaliação da Capacidade de Suporte de Cargas de Fósforo e Nitrogênio no Rio
2.2.1 Critério de Avaliação
Será considerado o limite apresentado pela Resolução 357 do CONAMA para Classe
03.
2.2.2 Rotina de Equacionamento
2.2.2.1 Estimativa das cargas de P e N afluentes ao Rio
Admitir as cargas de fósforo e de nitrogênio do esgoto bruto já estimadas no Exercício
VIII para ponto de lançamento de esgoto.
2.2.2.2 Estimativa da Concentração de Fósforo e Nitrogênio no Ponto de
Lançamento:
Considerando a situação do lançamento de esgoto bruto no rio, isto é, sem tratamento, e
aplicando a Equação das Misturas, estima-se as concentrações de fósforo e nitrogênio
no ponto de mistura. A Equação das Misturas é a seguir reproduzida:
Var. = (Var.R . QER + VarES. Qf med) / ( QER + Qf med) ; Var. : mg/L ; Qf med: L/s,
sendo, neste caso, Var a concentração P e N respectivamente.
Caso as concentrações de fósforo e nitrogênio estejam acima daqueles limites da Classe
03, estimar o nível de tratamento necessário para que tal limite seja atendido.
2.3 Avaliação do Decaimento Bacteriano no Rio
2.3.1 Dados Adicionais
Os dados adicionais são os seguintes:
Concentração de Coliformes Termotolerantes no Rio: CFR =10 NMP/100 ml
Concentração de Coliformes Termotolerantes no Esgoto Bruto:
CFEB = 5.107 NMP/100 ml
2.3.2 Equacionamento
2.3.2.1 Equacionamento para Disposição do Esgoto Bruto
No ponto de mistura, a concentração de coliformes termotolerantes é dada pela equação
das misturas, conforme segue:
CFo = (CFR . QER + CFES. Qfmed) / (QER + Qfmed);
CFo e CFR: NMP/100 ml ; Qfmed: L/s
CFo = (10 x 49,41 + 5x 107 x 19,33) / (49,41 + 19,33) = 1,4 x 10
7 NMP/100ml
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Aplicando a Lei de Chick,
dCF/dt = - Kb . CF para o regime hidráulico tipo pistão, o qual pode ser aplicado em
rios, tem-se:
CF = CFo . e-Kb.t
, sendo,
CF: concentração de coliformes termotolerantes (NPM/100 ml);
CFo: concentração de coliformes no ponto de mistura (NPM/100 ml);
Kb: coeficiente de decaimento bacteriano (d-1
);
t: tempo (dias).
Corrigindo-se o coeficiente de decaimento bacteriano para a temperatura de mistura,
obtem-se:
Kb20 = 1,0/d ; Kbt = Kb20 x 1,07(13,41 – 20)
= 0,64/d ;
Logo, construir a curva de decaimento bacteriano para o rio até o mesmo apresentar
concentração de coliformes termotolerantes igual ou menor aquela permitida para um
corpo hídrico Classe 03 da Resolução 357 do CONAMA, valor este de 4000 CT/100ml.
Portanto, aplicando a Lei de Chick:
4.103 = 1,4 . 10
7 . e
-0,64.t
ln 0,00028571 = ln e-0,64.t
(e = 2,718281 ; loge (Un) = n . logee ; ln = loge)
t = 13 dias.
Observar Figura 03.
Figura 03: Decaimento bacteriano para esgoto bruto
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2.3.2.2 Equacionamento para Disposição do Esgoto Tratado
Para a remoção de coliformes termotolerantes na ordem de 3,0 log (99,90%) tem-se o
seguinte cenário:
CFET = 5.104 NMP/100 ml;
Aplicando a Equação das Misturas, obtém-se: CFM = 1,4 104 NMP/100 ml;
Como pode ser observado, este valor ultrapassa aquele limite da Resolução
357/CONAMA para Classe 03. Ou seja, o grau de remoção previsto não seria
suficiente.
Neste caso, para a concentração de coliformes termotolerantes igual ou menor aquela
permitida para um corpo hídrico Classe 03 da Resolução 357 do CONAMA, valor este
de 4000 CT/100 ml, estima-se:
4.103 = 1,4 . 10
4 . e
-0,64.t
ln 0,00028571 = ln e-0,64.t
(e = 2,718281 ; loge (Un) = n . logee ; ln = loge)
t = 2,0 dias.
Observar Figura 04.
Figura 04: Decaimento bacteriano para esgoto tratado (tratamento não suficiente)
Para finalizar, a partir da concentração de 4000 CT/100 ml deve ser definida a eficiência
necessária para o processo de desinfecção do esgoto. E, a partir destes dados, construir a
curva de decaimento de coliformes termotolerantes ao longo do rio para a situação com
e sem tratamento.