52
Prof. Dra Gersina Nobre da R.C.Junior O Balanço de Oxigênio O Balanço de Oxigênio Dissolvido Dissolvido

O Balanço de Oxigênio Dissolvido

  • Upload
    dinh

  • View
    67

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

O Balanço de Oxigênio Dissolvido. Prof. Dra Gersina Nobre da R.C.Junior. 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. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

Prof. Dra Gersina Nobre da R.C.Junior

O Balanço de Oxigênio DissolvidoO Balanço de Oxigênio Dissolvido

Page 2: O 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.

Page 3: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 4: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 5: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 6: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 7: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 8: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 9: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 10: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 11: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

Cinética da desoxigenação

Coeficiente de desoxigenação KCoeficiente de desoxigenação K1 1 depende:depende:

Características da matéria orgânica;

Temperatura; e da

Presença de substâncias inibidoras.

Page 12: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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)

Page 13: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 14: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 15: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

•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.

Page 16: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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)

Page 17: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 18: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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)

Page 19: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 20: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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)

Page 21: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 22: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 23: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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)

Page 24: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 25: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 26: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 27: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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)

Page 28: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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)

Page 29: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 30: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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).”

Page 31: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 32: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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)

Page 33: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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)

Page 34: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 35: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 36: O Balanço 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

Page 37: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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)

Page 38: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 39: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 40: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.”

Page 41: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 42: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 43: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 44: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 45: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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)

Page 46: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 47: O Balanço de Oxigênio Dissolvido
Page 48: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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).

Page 49: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 50: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.

Page 51: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

Page 52: O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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.