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DUCP 24-09-2013
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DRENAGEM URBANA E CONTROLO DA POLUIÇÃO
Docentes: Prof. António Monteiro
Prof.ª Ana Galvão [email protected]
DUCP 24-09-2013
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DRENAGEM URBANA E CONTROLO DA POLUIÇÃO Objectivos Principais da disciplina:
Controlo da poluição
• Dominar os conceitos das principais grandezas físicas utilizadas na caracterização da qualidade da água;
• As origens e tipos de poluição e os seus efeitos;
• Quadro institucional, legal e normativo;
• Modelar o oxigénio dissolvido em meios hídricos e os processos de poluição bacteriológica;
• Caracterizar os diferentes tipos de meios hídricos (rios, estuários e lagos).
• Conceber e dimensionar emissários submarinos e difusores.
Drenagem Urbana
• Conceber e dimensionar infra-estruturas de drenagem urbana pluvial, unitárias e pseudo-separativas;
• Bacias de Amortecimento;
• Soluções de Controlo na Origem.
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DRENAGEM URBANA E CONTROLO DA POLUIÇÃO Programa sumário da disciplina (Slide 1#3): 1.INTRODUÇÃO 1.1 – Engenharia e qualidade da água 1.2 – Grandezas fundamentais 1.3 – Conceito de carga poluente admissível 2. RIOS E CURSOS DE ÁGUA 2.1 – Balanço de massa na zona da descarga 2.2 – Evolução de substâncias conservativas a jusante da descarga 2.3 – Evolução de substâncias com reacção de 1ª ordem 3.BALANÇO DE OXIGÉNIO DISSOLVIDO EM CURSOS DE ÁGUA 3.1 - Conceitos 3.2 - Carência de oxigénio 3.3 - Rearejamento das massas de água 3.4 - Respiração e fotossíntese 3.5 - Modelos matemáticos. Formulação de Streeter-Phelps 4.A ÁGUA COMO RECURSO NATURAL 4.1 - Caracterização físico-química 4.2 - Caracterização biológica 4.3 - Noções de biologia aquática 4.3.1 - Estrutura trófica 4.3.2 - Nos cursos de água 4.3.3 - Nos lagos e albufeiras 5. EUTROFIZAÇÃO 5.1 – Mecanismos básicos de eutrofização 5.2 – Significado do rácio N/P
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DRENAGEM URBANA E CONTROLO DA POLUIÇÃO Programa sumário da disciplina (Slide 2#3): 6. ASPECTOS INSTITUCIONAIS E LEGAIS. 6.1 - Quadro normativo da qualidade da água 7. INDICADORES BACTERIOLÓGICOS, ORGANISMOS PATOGÉNICOS E VÍRUS 7.1 - Fontes de Microrganismos 7.2 - Decaimento de Microrganismos 7.3 - Comportamento nos diversos meios receptores 8. EMISSÁRIOS SUBMARINOS 8.1 - Introdução 8.2 - Campo próximo e campo afastado 8.3 - Diluição inicial (campo próximo) 8.3.1 - Jactos e plumas 8.3.2 - Efeitos da estratificação do meio receptor 8.4 - Dispersão da mancha poluente no campo afastado
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DRENAGEM URBANA E CONTROLO DA POLUIÇÃO Programa sumário da disciplina (Slide 3#3): 9. INTRODUÇÃO À DRENAGEM URBANA
9.1 Tipos de sistemas de drenagem urbanos: vantagens e inconvenientes 9.2 Componentes dos sistemas
10. SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS
10.1 Aspectos quantitativos e qualitativos e principais preocupações 10.2 Concepção e constituição dos sistemas 10.3 Implantação do sistema: traçado da rede de drenagem pluvial e definição de bacias e sub-bacias 10.4 Cálculo de caudais pluviais 10.5 Dimensionamento hidráulico de colectores: critérios de projecto e procedimento de cálculo 10.6 Dispositivos interceptores 10.7 Bacias de retenção 10.8 Câmaras drenantes
11. MODELAÇAO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO
11.1 Introdução 11.2 Etapas do processo de modelação 11.3 Princípios de modelação matemática do comportamento de sistemas de drenagem 11.4 Caracterização sumária de modelos existentes 11.5 Construção do modelo: dados necessários e resultados obtidos
12. BENEFICIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM UNITÁRIOS
12.1 Considerações introdutórias 12.2 Tendências actuais na concepção e beneficiação dos sistemas unitários 12.3 Dimensionamento de estruturas de armazenamento
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DRENAGEM URBANA E CONTROLO DA POLUIÇÃO Metodologia de avaliação:
� Exame final no fim do semestre (40%);
� (Nota mínima 9,5)
� Avaliação de 3 trabalhos desenvolvidos ao longo das aulas práticas (60%).
� Trabalho 1: Modelação do oxigénio dissolvido num rio;
� Trabalho 2: Dimensionamento hidráulico-sanitário de um exutor submarino
� Trabalho 3: Dimensionamento de um sistema de drenagem pluvial
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QUALIDADE DA ÁGUA E
CONTROLO DA POLUIÇÃO Determinar os parâmetros ambientais que podem ser controlados e as acções que é necessário desenvolver para obter um objectivo específico de qualidade da água que permita manter um desejado uso da água.
Principais Utilizações Desejáveis da água:
1. Abastecimento de água: público, industrial ou agrícola;
2. Recreativo ou de lazer: Prática balnear (contacto directo ou indirecto); efeito estético;
3. Pesca: Comercial ou desportiva
4. Equilíbrio ecológico
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PERSPECTIVA GERAL DA INTERVENÇÃO NO CONTROLO DA QUALIDADE DA ÁGUA
Uso Pretendido
Padrões de qualidade da água para protecção da
saúde pública e do equilíbrio ecológico
CONCENTRAÇÂO DO PARÂMETRO DE
CONTROLODesejada vs. actual
Actuação sobre Parâmetros de Controlo
Concentração actual<> desejada
INPUTSFontes Poluidoras
(Pontuais ou difusas)
SISTEMA AQUÁTICO(Rio, Lago, ...)
Reacções,Transporte
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MODELAÇÃO DE RIOS
Algumas Simplificações: • Assume-se homogeneidade vertical e lateral das variáveis de qualidade da água; Ordem de grandeza da extensão até a obter:
descarga na margem
descarga no meio do rio
• Considera-se que só existe advecção e que não há dispersão longitudinal.
)(
)()(,
ftH
ftBfpsU
2
m 62L ====
)(
)()(,
ftH
ftBfpsU
2
m 31L ====
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MODELAÇÃO DE RIOS
Balanço de massa no local da descarga: Qu su + Qe se = Q s Ou Qu su + W = Q s Pela equação da continuidade tem-se Qu + Qe = Q Assim, pode-se estimar a concentração s a jusante da descarga através da seguinte expressão: s = (Qu su + Qe se ) / Q = (Qu su + W ) / Q
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MODELAÇÃO DE RIOS
Substâncias conservativas: • Considera-se conservativos os constituintes que não apresentam reduções por reacções
químicas ou bioquímicas; só sofrem diluição;
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MODELAÇÃO DE RIOS
Substâncias não conservativas: • Reacção de 1ª Ordem
• No caso de rios como dt = dx/U tem-se:
S = S0 exp(-Kx/U) = S0 exp(-Kt*) com t*=x/U
Ksdt
ds−−−−====
Ksdx
dsU −−−−====
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PARÂMETROS DE CARACTERIZAÇÃO DE UMA MASSA DE ÁGUA
(Parameters for the water quality characterization) Características Organolépticas (Organoleptic characteristics): As características organolépticas compreendem a cor, o cheiro e o sabor (color, smell and taste). Origem da Cor (color source):
− origem natural inorgânica, (p.ex. ferro e manganês); natural inorganic source (eg iron and manganese)
− origem orgânica, (animal ou vegetal); organic source (animal or vegetable)
− origem industrial, (têxteis, pasta de papel, refinarias, indústrias químicas) industrial sources (textiles, paper pulp, refineries, chemical industries).
Water color in water bodies has two components: Cor aparente (apparent color) - a coloração da água tal como ela se apresenta, isto é, com as
matérias em suspensão. (is the color of a water sample that has not had particulates filtered out); Cor verdadeira (true color) - aquela que a água apresenta após a remoção das matérias em
suspensão. (is the color of a water sample that has had all particulates filtered out)
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O CHEIRO (smell definition, odor ), pode definir-se como: − o conjunto de sensações apreendidas pelo sentido de olfacto quando se está em presença de
certas substâncias voláteis; (group of sensations perceived by the sense of smell in the presence of volatile substances)
− a qualidade de cada sensação particular ou individualizada provocada por cada uma daquelas substâncias. (the quality of each particular feeling caused by each of those volatile substances).
O cheiro e o sabor são características subjectivas e, consequentemente, difíceis de medir. (Smell and taste are subjective characteristics and therefore difficult to measure).
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PARÂMETROS DE CARACTERIZAÇÃO DE UMA MASSA DE ÁGUA (Parameters for the water quality characterization)
CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS (PHYSICAL AND CHEMICAL CHARACTERISTICS): Temperatura (Temperature) Influência na:
− velocidade das reacções químicas; (speed of chemical reactions)
− na solubilidade dos gases; High water temperatures stress aquatic ecosystems by reducing the ability of water to
hold essential dissolved gases like oxygen. − na taxa de crescimento dos microrganismos; (growth rate of microorganism,).
Turvação (Water Cloudy, turbidity)
Águas que contenham matérias em suspensão, que interferem com a passagem da luz através da água. is the cloudiness of a fluid caused by individual particles (suspended solids) that are generally invisible to the naked eye, similar to smoke in air.
Pode ser causada por matérias em suspensão de origem (caused by):
− orgânica ou inorgânica; − partículas coloidais (colloidal particles) (frequente em Lagos e Albufeiras) ou sólidos de certas
dimensões (rios em cheia) (or solids carried by floods)
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Sólidos Totais (Total solids) É definida como a matéria que permanece como resíduo após evaporação de 103 a 105 ºC em 1h. (Defined as matter that remains as residue after evaporation 103-105 ° C in 1h) Os sólidos totais podem ser divididos em:
− sólidos em suspensão (suspended solids); o inclui os sólidos sedimentáveis que decantam após um período de 60 minutos
(sedimented solids setle after a period of 60 minutes period); o sólidos não sedimentáveis (non sedimented solids);
− sólidos filtráveis (filtered solids); usualmente o filtro é escolhido de tal forma que o diâmetro mínimo dos sólidos em suspensão é cerca de 1 µ.
o sólidos coloidais (coloidal solids), incluem as partículas, com um diâmetro aproximado compreendido entre 1 mµ e 1µ;
o sólidos dissolvidos (dissolved solids); incluem moléculas orgânicas e inorgânicas que estão em
solução na água.
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Sólidos Totais (cont.)
Cada uma das categorias referidas pode, ainda, ser classificadas de acordo com a sua volatibilidade a 600 ºC (volatibility at 600ºC). Destina-se a averiguar as parcelas orgânica e inorgânica dos sólidos totais. (useful to find the organic and inorganic parts of the TS) À temperatura de 600 ºC:
− Sólidos Suspensos Voláteis (Volatile suspended solids); parte orgânica dos sólidos que volatiliza; (the organic part volatilize)
− Sólidos Suspensos Fixos (Fixed suspended solids); parte inorgânica permanece sob a forma de
cinzas. (the inorganic part stays as ashes)
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pH (Water pH) É o simétrico do logaritmo de base 10 da concentração do ião hidrogénio [H+]. pH = - log10 [H
+] (0 ≤ pH ≤ 14) Consoante os valores do pH, as águas classificam-se em: − águas ácidas, ( pH < 7 ); − águas neutras, ( pH = 7 ); − águas alcalinas, ( pH > 7 ).
O pH, para além de controlar a maior parte das reacções químicas na natureza, controla, também, a actividade biológica. A actividade biológica é, na maior parte dos casos, apenas possível para valores de pH compreendidos em 6 e 8.
A acidez de uma água é principalmente devida à presença de anidrido carbónico (CO2) dissolvido;
pH is the measure of the acidity or alkalinity of a solution. It is formally a measure of the activity of dissolved hydrogen ions (H+), but for very dilute solutions, the molarity (molar concentration) of H+ may be used as a substitute with little loss of accuracy.[1] In solution, hydrogen ions occur as a number of cations including hydronium ions (H3O+).[2] In pure water at 25 °C, the concentration of H+ equals the concentration of hydroxide ions (OH-). This is defined as "neutral" and corresponds to a pH level of 7.0. Solutions in which the concentration of H+ exceeds that of OH- have a pH value lower than 7.0 and are known as acids. Solutions in which OH- exceeds H+ have a pH value greater than 7.0 and are known as bases.
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pH (cont.) Sob o ponto de vista de saúde pública, a acidez (e a alcalinidade) de uma água tem relativamente pouca importância. No entanto, uma água ácida afecta a conservação de sistemas de saneamento básico e o funcionamento biológico de estações de tratamento de águas residuais. Assim, quando são utilizados processos de tratamento biológico há necessidade de manter os valores do pH entre 6 a 9. A pH range of 6.0 to 9.0 appears to provide protection for the life of freshwater fish and bottom dwelling
invertebrates
The table below gives some special effects of pH on fish and aquatic life.
Limiting pH Values Minimum Maximum Effects
3.8 10.0 Fish eggs could be hatched, but deformed young are often produced
4.0 10.1 Limits for the most resistant fish species
4.1 9.5 Range tolerated by trout
--- 4.3 Carp die in five days
4.5 9.0 Trout eggs and larvae develop normally
4.6 9.5 Limits for perch
--- 5.0 Limits for stickleback fish
5.0 9.0 Tolerable range for most fish
--- 8.7 Upper limit for good fishing waters
5.4 11.4 Fish avoid waters beyond these limits
6.0 7.2 Optimum (best) range for fish eggs
--- 1.0 Mosquito larvae are destroyed at this pH value
3.3 4.7 Mosquito larvae live within this range
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7.5 8.4 Best range for the growth of algae
pH environmental Impact:
In order for coagulation (a treatment process) to occur, pH and alkalinity must fall within a limited range.
Chlorination, a disinfecting process for drinking water, requires a pH range that is temperature
dependent.
The most significant environmental impact of pH involves synergistic effects. Synergy involves the
combination of two or more substances which produce effects greater than their sum.
This process is important in surface waters. Runoff from agricultural, domestic, and industrial areas may
contain iron, aluminum, ammonia, mercury or other elements. The pH of the water will determine the toxic
effects, if any, of these substances. For example, 4 mg/l of iron would not present a toxic effect at a pH of
4.8. However, as little as 0.9 mg/l of iron at a pH of 5.5 can cause fish to die.
Synergy has special significance when considering water and wastewater treatment.
The steps involved in water and wastewater treatment require specific pH levels.
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DUREZA (mg/L de CaCO3) Water Hardness Designam-se águas duras aquelas que exigem muita quantidade de sabão para produzir espuma ou que dão origem a incrustações nas tubagens de água quente, nas panelas ou noutros equipamentos, nos quais a temperatura da água é elevada. Deve-se à presença de catiões metálicos bivalentes principalmente cálcio (Ca2+) e magnésio (Mg2+). Estes iões metálicos bivalentes estão, em geral, associados com o anião bicarbonato (HCO3
-), sulfato (S04
2-), cloreto (Cl-) e nitrato (NO3-).
Many industrial and domestic water users are concerned about the hardness of their water. Hard water requires more soap and synthetic detergents for home laundry and washing, and contributes to scaling in boilers and industrial equipment. Hardness is caused by compounds of calcium and magnesium, and by a variety of other metals. General guidelines for classification of waters are: - 0 to 60 mg/L (milligrams per liter) as calcium carbonate is classified as soft; - 61 to 120 mg/L as moderately hard; - 121 to 180 mg/L as hard; and more than 180 mg/L as very hard.
Com o aparecimento dos detergentes o problema da dureza, no que respeita ao consumo de sabão, perdeu o seu impacto.
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O problema é as incrustações.
A dureza das águas naturais varia de lugar para lugar, sendo em geral:
− águas superficiais dureza menor; (superficial waters => soft water softer) − águas subterrâneas dureza maior. (subterranean water => hard water)
É habitual distinguir-se entre:
− dureza temporária (ou carbonatada); devida ao cálcio e ao magnésio que se encontram ligados aos bicarbonatos, e que são eliminados quando a água é fervida;
− dureza permanente (ou não-carbonatada); devida ao cálcio e ao magnésio que se encontram associados aos sulfatos, cloretos, nitratos, etc., e que não são eliminados quando a água é fervida.
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Oxigénio Dissolvido (OD) (mg/L de O2) Dissolved Oxygen (DO)
Todos os organismos vivos estão dependentes, de uma forma ou de outra, do oxigénio para manter a actividade metabólica que produz energia para o crescimento e para a reprodução. Nas massas de água, a solubilidade do oxigénio depende de:
− a pressão atmosférica; − a temperatura; − a salinidade.
A baixa solubilidade do oxigénio na água limita a capacidade de auto-depuração das águas naturais e torna necessário o tratamento das águas residuais antes da sua descarga nos meios receptores (linhas de água, lagos, naturais ou artificiais, e oceanos). Environmental Impact: Total dissolved gas concentrations in water should not exceed 110 percent. Concentrations above this level can be harmful to aquatic life. Fish in waters containing excessive dissolved gases may suffer from "gas bubble disease"; however, this is a very rare occurrence. Adequate dissolved oxygen is necessary for good water quality. Oxygen is a necessary element to all forms of life. Natural stream purification processes require adequate oxygen levels in order to provide for aerobic life forms. As dissolved oxygen levels in water drop below 5.0 mg/l, aquatic life is put under stress. The lower the concentration, the greater the stress. Oxygen levels that remain below 1-2 mg/l for a few hours can result in large fish kills.
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Carência de Oxigénio (mg/L de O2) (Oxygen Demand)
Esta carência está relacionada com o metabolismo de utilização dos compostos orgânicos pelos organismos vivos (organismos heterotróficos). Resulta da transformação da matéria orgânica (compostos de carbono) em CO2 e H2O e é uma reacção catalisada por organismos heterotróficos que existem com abundância nas águas residuais. Excepto nos casos em que existem substâncias tóxicas, a fase de oxidação da matéria orgânica inicia-se quase de imediato. Presentemente, os métodos ou testes mais utilizados para medir a matéria orgânica na água são os seguintes:
− Carência bioquímica de oxigénio (CBO); (Biochemical Oxygen Demand) − Carência química de oxigénio (CQO); (Chemical Oxygen Demand) − Valor ao permanganato ou oxidabilidade (VP); (water. permanganate oxidability) − Carbono orgânico total (COT). (Total Organic Carbon)
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CBO (BOD) O CBO representa o oxigénio consumido pelos microrganismos na oxidação da matéria orgânica duma determinada água em condições aeróbias. Como este processo de oxidação é lento convencionou-se tomar, como parâmetro representativo do teor em matéria orgânica duma água, o valor da CBO ao fim de cinco dias de incubação, a 20 ºC (CBO5
20 ). The BOD5 test BOD measures the rate of oxygen uptake by micro-organisms in a sample of water at a temperature of 20°C and over an elapsed period of five days in the dark.
A carência bioquímica de oxigénio, correspondente à oxidação bioquímica total da matéria orgânica, designa-se por carência última de oxigénio (CUO ou CBOu).
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CQO (Chemical Oxygen Demand) O teste da CQO mede a quantidade de oxigénio necessária para oxidar quimicamente, em determinadas condições, a matéria orgânica presente numa água. Para este efeito, o oxigénio equivalente à matéria orgânica é medido pela utilização de um agente oxidante químico forte como o dicromato de potássio (K2 Cr2 O7). Dado que alguns compostos inorgânicos podem interferir com o teste, há que ter o cuidado prévio de os eliminar. Este teste é particularmente útil para medir a matéria orgânica em águas residuais industriais e domésticas que contenham compostos tóxicos para os microrganismos. VP (Water. permanganate oxidability) O teste do valor ao permanganato (VP) ou oxidabilidade tem objectivos semelhantes ao da CQO, mas o agente oxidante químico utilizado é o permanganato de potássio (K2 Mn O4), um oxidante menos forte do que o dicromato de potássio e, por isso, a oxidabilidade não tem tanta sensibilidade como o CQO. COT (Total Organic Carbon) O teste do Carbono Orgânico Total, aplica-se especialmente para águas com baixos teores de matéria orgânica, consiste na sua combustão rápida em aparelho especial e a altas temperaturas. O carbono orgânico é totalmente oxidado ou convertido em anidrido carbónico (CO2), cuja medição é feita através de um analisador de infravermelhos.
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Medidor de OD numa garrafa de teste de CBO.
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Respirómetro Electrolítico para a determinação do CBO.
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Carência Bioquímica de Oxigénio Carbonatada (CBO C) (Carbon BOD) Em geral, assume-se que sendo L o material que ainda falta oxidar que a reacção é de 1ª Ordem:
LK
dt
dL1−=
Integrando tem-se,
tk
t eLL 1
0
−=
Como o oxigénio y consumido na oxidação é dado por
tLLy −= 0 vem
)e(Ly tK110
−−=
para o caso particular do CBO5 vem
)e(Ly K15
05 1−
−=
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Carência Bioquímica de Oxigénio Carbonatada (CBO C) (Carbon BOD)
K1 é um parâmetro que depende do tipo de matéria orgânica e da temperatura.
Grau de tratamento Taxa de Oxidação K1
(d-1)@20ºC
Sem tratamento 0,3 a 0,4
Primário/Secundário 0,1 a 0,3
Lamas activadas 0,05 a 0,1
O efeito da temperatura é dado aproximadamente por (Arrhenius equation)
( ) ( ) ( ) 202011 04,1 −
=T
T KK
Uma estimativa do CBO carbonatado último pode ser obtida tendo em conta que a completa estabilização do Carbono Orgânico necessita de cerca de 2,7 mg de oxigénio para 1 mg de carbono que é oxidado, ou seja
orgCL 7,20 ≈ C (12 mg)
O2 (32 mg)
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Concentração de saturação do OD (Cs)
A concentração de saturação CS de OD depende da: 1) Temperatura 2) Salinidade 3) Pressão
CS função da temperatura (APHA, 1985)
4
11
3
10
2
75 10621949,810243800,110642308,610575701,134411,139ln
T
x
T
x
T
x
T
xCSf −+−+−=
com
CSf – Concentração de saturação de OD para água doce em mg/l para 1 atm
T – Temperatura em º K
T (º K) = T (º C) + 273,150
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CS função da salinidade (APHA, 1985)
+−−=
−
2
32 101407,2100754,1
107674,1lnlnT
x
T
xxSCC SfSS
com
CSS – Concentração de saturação para água salgada em mg/l
S – Salinidade ppm.
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CS função da pressão (APHA, 1985)
( )[ ]( )( )( )
−−
−−=
θ
θ
111/1
wv
wvSOSp
P
PPPPCC
com
CSf – Concentração de saturação de OD (mg/l) à pressão P
CSo – Concentração de saturação de OD (mg/l) ao nível do mar
P – Pressão em atm
Pwv – Tensão de vapor, em atm, calculado através de:
Ln Pwv = 11,8571 – (3840,70/T) + (216961/T2)
T Temperatura em º K
θ = 0,000975 – (1,426 x 10-5 t) + 6,436 x 10-8 t2)
t – temperatura em º C
Aplicando as expressões anteriores verifica-se que a:
− 1500 m de altitude CS é 82,5% da CS ao nível do mar;
− 2700 m de altitude CS é 68% da CS ao nível do mar.
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DUCP 38
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AREJAMENTO (aeration):
DKdt
dDa−=
Algumas expressões para estimar Ka:
ÔConnors, 1985 23
21933/
/
aH
U,K =
com Ka (d-1); U (m/s); H (m)
Owens et al., 1964 851
670325,
,
aH
U,K =
com Ka (d-1); U (m/s); H (m)
Churchill, 1962 671
0265,a
H
U,K =
com Ka (d-1); U (m/s); H (m)
Tsivoglu e Wallace, 1972 Ka = 0,88 US
para 10<Q<300 cfs
Grant e Savroneak, 1980 Ka = 1,8 US
para 1<Q<10 cfs
com Ka (d-1); S inclinação (ft/mi); U(ft/s)
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Algumas expressões para estimar Ka (Lagos) (lakes):
Como em algumas equações Ka tende para zero quando o H aumenta, Hydroscience, 1971 sugere um valor mínimo para o coeficiente de transferência:
(KL)min ≈ 2 a 3 ft/dia (0,6 a 1m/d)
e assim que se deve considerar em
( )( ) ( )
∀
Α=≈
minK
H
minKK LL
mina
DUCP 40
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Efeito da temperatura no Ka (temperature effect in Ka):
O efeito da temperatura pode ser modelado por (Arrhenius equation)
(Ka)T = (Ka)20 (θ)T-20
com o valor de θ a variar entre 1,005 a 1,030.
Em geral, utiliza-se 1,024.
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Efeito do Vento no Ka (wind effect in Ka):
O efeito do vento é importante em lagos ou albufeiras e neste caso o cálculo do coeficiente de transferência é dado por
22/1 0372,0317,0728,0WWWL UUUK +−=
Com UW velocidade do vento (m/s), 10 m acima do nível da água.
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Efeito da Maré no Ka (tide effect in Ka):
DUCP 43
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+6(sugar)
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DUCP 45
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DUCP 46
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PROBLEMA 2.3:
Duas garrafas de teste, uma transparente e outra negra foram instaladas numa linha de água de acordo com a figura.
Uma leitura inicial foi efectuada às 10h00 da manhã e posteriormente foram efectuadas leituras de 2 em 2h até às 4h da tarde.
O nascer do Sol foi às 6h da manhã e o pôr-do-sol às 7 h da tarde.
Estime as taxas médias diárias de respiração e de fotossíntese. Considere que a respiração das bactérias não é significativa (CBO).
Single light and dark bottles are setup in the shallow, clear stream with DO probes attached to record the DO concentrations during the day.
Initial reading are made at 10 A.M. and the 2-hr intervals until 4 P.M. Daylight began at 6 A.M., darkness fell at 7 P.M..
Estimate the daily averaged photosynthetic and respiration rates. Assume the bacterial respiration (BOD) is not significant.
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Resolução:
Representando graficamente os dados observados tem-se:
Da garrafa transparente tem-se:
mg/(l.d)422d1h24
h6mg/l65
,x,
R'ppnet ==−= (Eq. 6.36)
Da garrafa preta tem-se:
mg/(l.d)82d1h24
h6mg/l70
,x,
R == (Eq. 6.37)
mg/(l.d)22582422 ,,,'p =+=∴ (Eq. 6.38)
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Taxas Médias Diárias: R assume-se constante ao longo das 24 horas e como tal
mg/(l.d)82,R =∴
Assumindo-se que a produção de oxigénio devido à fotossíntese se comporta como uma sinusoidal ao longo do
fotoperíodo ( f ) desde o Nascer do Sol (6h da manhã) até ao pôr-do-sol (7h da tarde), (f = 13 h) de acordo com a figura,
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a integração da área do seno no período de recolha de dados, entre
t1 e t2, tem um valor médio igual ao p’ observado, isto é:
2
1
P12
t
tm )
fsin(.p)tt('p
χ
π=−
2
1
12
t
tm )
fcos(
fp)tt('p
χ
π
π−=−
π−
π
π=− )
f
tcos()
f
tcos(
fp)tt('p m
2112
donde se pode tirar o valor de pm.
[ ])f/tcos()f/tcos(.f)tt('ppm
2112
π−π
π−=
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fazendo a área limitada pela curva do semi-seno (2.pm.f /π) igual à
área correspondente à taxa média diária (pa.T) e atendendo a pm
dado pela expressão anterior tem-se:
π=
f.p.Tp m
a2
)f/tcos()f/tcos(
T/)tt('ppa
21
122π−π
−=
)/xcos()/xcos(
/x,pa 1310134
h24h62mg/(l.d)225
π−π=
mg/(l.d)69,pa =
Em termos médios diários, a taxa pnet é dada por:
mg/(l.d)868269 ,,,Rpp anet =−=−=
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Qmont = 8,4 m3/s CBO5 = 1 mg/l OD = 90% Cs
Qdesc = 1,3 m3/s CBO5 = 200 mg/l OD = 0 mg/l
PROBLEMA 3: Uma cidade lança 1,3 m3/s para um rio com um caudal mínimo a montante da descarga de 8,4 m3/s. A velocidade no rio é de 0,02 m/s e a altura média do escoamento é de 4 m. As características das águas residuais descarregadas e do meio receptor a montante da descarga são as seguintes: (A city has a wastewater discharge of 1,3 m3/s to a river, which has an upstream flow of 8,4 m3/s. The river velocity is 0,02 m/s and it has a mean height of 4 m. The wastewater and river characteristics are presented in Figure 1.) Águas residuais CBO5 a 20ºC = 200 mg/l Temperatura = 20 ºC OD = 0 mg/l Meio Receptor CBO5 a 20ºC = 1 mg/l Temperatura = 15 ºC OD = 90% da saturação Considere nula a componente de CBO5 azotada e o Ks e que os coeficientes de temperatura θ são para Kd de 1,047 e para Ka de 1,024. Determine o OD crítico e a sua localização a jusante da descarga. (Consider null the BOD nitrogenous component, as well as Ks and assume temperature coefficients θ for Kd of 1,047 and for Ka of 1,024. Determine the critical OD concentration and its location downstream the discharge.)
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Qmont = 8,4 m3/s CBO5 = 1 mg/l OD = 90% Cs
Qdesc = 1,3 m3/s CBO5 = 200 mg/l OD = 0 mg/l
Resolução:
1) Determinar as características no meio receptor a jusante após a diluição inicial.
Q jusante = Q montante + Q descarga = 8,4 + 1,3= 9,7 m3/s
CBO5 = (200 x 1,3 + 1 x 8,4) / 9,7= 27,67 mg/l
T = (20 x 1,3 + 15 x 8,4) / 9,7= 15,7 ºC
Cs15 = 10,07 mg/l90% x Cs15 = 9,06 mg/l
OD = (0 x 1,3 + 9,06 x 8,4) / 9,7= 7,8 mg/l
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2) Determinar a taxa de rearejamento Ka
O'Connors, 1985 3,93 U1/2 / H3/2 = 0,069473 d-1
Churchil, 1962 5,026 U / H1,67 = 0,009927 d-1
Owens et al., 1964 5,32 U0,67 / H1,85 = 0,029771 d-1
KL min = 0,6 m/d= 1 m/d
Ka min = 0,15 d-1 a 0,25 d-1
Ka = 0,20 d-1
Ka 15,7 = Ka 20 x θ(T-20) = 0,20 x 1,024 (15,7 -20) == 0,180 d-1
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3) Determinar o coeficiente de decaimento Kd
Hydroscience, 1971
Kd = 0,3 d-1
Wrigth e McDonnell, 1979
Kd = 10,3 Q -0,49 (Kd em /d e Q em cfs)
Q = 9,7/(0,30483) == 342,6 cfs
Kd = 10,3 x 342,6 -0,49
0,590 d-1
Kd = 0,445 d-1
Kd 15,7 = Kd 20 x θ(T-20) = 0,445 x 1,047 (15,7 -20) == 0,365 d-1
4) Determinar o CBO ultimo após a mistura.
CBO5 = CBOu (1-e-5Kd)
CBOu = CBO5 /(1-e-5Kd)
= 27,67/ (1-e-(5 x 0,445))= 31,02 mg/l
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5) Determinar o t crítico e D crítico.
Kr = Kd
Cs 15,7 = 9,86+(10,07 -9,86) x (16-15,7) == 9,92 mg/l
D0 = Cs - C= 9,92 - 7,8= 2,1 mg/l
tcritico = 3,64 d
xcritico = 3,64d x 24h x 3600 s x 0,02 m/s= 6.287 m
Dc = 16,6 mg/l
O deficite crítico Dc é maior que a concentração Cs (impossível).
Dc = Cs - ODc Logo
ODc = Cs - Dc =-6,7 mg/l impossível. Logo o rio tem um trecho anaeróbio.
( )
−−
−= KrKa
CBO.Kd
D
Kr
KaLn
KrKat
u
*
C01
1
( )*tKexpCBOKa
KdD ruC −=
−+
−−
−
−= x
U
Kaexp.DL
U
xKaexp
U
xKexp
KKa
KD r
r
d00
Deficite de OD
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
Tempo de percurso (dias)
Def
icite
(mg
/l)
CBO (mg/l) Deficite OD (mg/l)
Deficite do D0 Deficite do CBO
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6) Determinar o ponto em que se inicia o trecho anaeróbio.
Dc = Cs= 9,92 mg/l
t (dia) x (m)CBO (mg/l)
Deficite OD (mg/l)
0,000 0,000 31,02 2,070,200 0,346 28,84 4,140,400 0,691 26,81 5,990,600 1,037 24,93 7,630,800 1,382 23,17 9,080,900 1,555 22,34 9,740,910 1,572 22,26 9,800,920 1,590 22,18 9,870,925 1,598 22,14 9,900,929 1,605 22,11 9,921,000 1,728 21,54 10,361,200 2,074 20,03 11,48
−+
−−
−
−= x
U
Kaexp.DL
U
xKaexp
U
xKexp
KKa
KD r
r
d00
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Deficite de OD
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
Tempo de percurso (dias)
Def
icite
(mg
/l)
CBO Aeróbio Deficite OD (mg/l) CBO real Defice OD Real
7) Determinar extensão do trecho anaeróbio.
Linicial = 22,11 mg/l
Xfinal = 1605+(0,02m/s*86400s/d / 0,365/d)(0,365 x 22,11 - 0,180 x 9,92)/(0,180x9,92)= 18.207 m
Lfinal = 22,11-0,18*9,92*(18207-1605)/(0,02*86400)4,96 mg/l
−+=
Cs.Ka
Cs.KaLi.Kd
K
UXX
d
inicialfinal
−−=
U
XXCs.KaLL inicial
inicial
