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EDSON BARBOSA ANDRADE
ESTUDO DA AUTODEPURAO DO RIO VIEIRA ATRAVS DA
MODELAGEM MATEMTICA
Monografia apresentada Universidade Federal
de Minas Gerais Instituto de Cincias Agrrias,
como requisito parcial para ttulo de ps
graduao lattus sensus em Recursos Hdricos e
Ambientais.
Orientador: Prof. Lnio Marques de Miranda
Montes Claros
2014
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A553c
2014
Andrade, Edson Barbosa.
Estudo da autodepurao do Rio Vieira atravs da
modelagem matemtica / Edson Barbosa Andrade.
Montes Claros, MG: ICA/UFMG, 2014.
199 f.: il.
Monografia apresentada ao curso de
Especializao em Recursos Hdricos e Ambientais do
Instituto de Cincias Agrrias pela Universidade
Federal de Minas Gerais, 2014.
Orientador: prof. Lnio Marques de Miranda.
Banca examinadora: Edson de Oliveira Vieira,
Mnica Maria Ladeia e Lnio Marques de Miranda.
Inclui bibliografia: f. 135-141.
1. Tratamento de efluentes Rio Vieira. 2. Autodepurao. 3.
Recursos hdricos. I. Miranda,
Lnio Marques de. II. Universidade Federal de Minas
Gerais, Instituto de Cincias Agrrias. III. Titulo.
CDU: 628
Elaborada pela BIBLIOTECA COMUNITRIA DO ICA/UFMG
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ESTUDO DA AUTODEPURAO DO RIO VIEIRA ATRAVS DA
MODELAGEM MATEMTICA
Aprovada em 31 de maro de 2014.
________________________________________
Prof. Edson de Oliveira Vieira
(ICA/UFMG)
________________________________________
Prof. Mnica Maria Ladeia
(COPASA-MG)
________________________________________
Prof. Lnio Marques de Miranda
Orientador (ICA/UFMG)
Montes Claros
2014
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DEDICO
Este trabalho minha filha, princesa que me
agracia todos os dias com seu amor
incomensurvel. minha Esposa, pelo amor
e apoio sempre. A minha me, pai e irmos.
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AGRADECIMENTOS
A Deus, por tudo.
Agradeo imensamente ao meu orientador, Prof. Lnio Marques de
Miranda,
os conhecimentos, a experincia e por ter contribudo sobremaneira
para a
minha formao.
Ao professor Edson de Oliveira Vieira, do Departamento de
Hidrulica da
UFMG, a disponibilizao de material essencial para o projeto e o
seu apoio
nesse.
funcionria da COPASA, Mnica M. Ladeia, responsvel pelo
laboratrio
da companhia, a sua contribuio no projeto.
COPASA o apoio, o treinamento e a anlise das amostras
coletadas.
Aos funcionrios da COPASA o suporte e a contribuio nas coletas
dos
dados: Marcelo Marques Costa e Elinio A. Barroso Souza.
Aos proprietrios das fazendas onde se encontram a nascente e a
foz do rio
Vieira, o acesso facilitado: Vicente Ribeiro Rocha e Dr. Antnio
Adilson
Batista.
Ao professor Marcos Von Sperling, a por sua ateno e o envio de
planilhas
eletrnicas de modelagem.
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RESUMO
Esta pesquisa apresenta a anlise de autodepurao real do rio
Vieira,
Montes Claros MG e o desenvolvimento de um modelo matemtico
de
otimizao, que busca simular cenrios e entender o comportamento
do
mesmo. O conhecimento da autodepurao importante, pois estuda
a
capacidade de resilincia de rios s atividades antrpicas. O
modelo capaz
de integrar diferentes objetivos e tem como ideia central
minimizar o custo
para a manuteno da qualidade do corpo receptor, sem deixar de
buscar a
maximizao da melhoria, em termos dos parmetros oxignio
dissolvido e
demanda bioqumica de oxignio. A validao do modelo reduz custos
e
tempo no estudo e controle da qualidade de corpos hdricos, j
que, para
esse fim, no seriam necessrias coletas em trechos diversos. O
modelo
permite variar tanto eficincias de tratamento, quanto vazes de
lanamento,
o que permite auxiliar o planejamento de sistemas de coleta e o
tratamento
de esgotos e buscar maior equidade entre os usurios. Com isso,
permite
encontrar solues que estabelecem melhor compromisso no
atendimento
aos propsitos existentes. O modelo proposto tem validade para as
situaes
testadas, podendo servir aos administradores pblicos na tomada
de
decises e no gerenciamento da bacia hidrogrfica e dos recursos
hdricos
como foco. Importante na comparao com as normas vigentes, os
dados
reais, o modelo foi suficiente para verificar se os despejos de
efluentes no rio
esto cumprindo a legislao. A utilizao de modelagem matemtica
se
mostrou satisfatria na avaliao de diferentes estratgias de
gesto,
relacionadas ao enquadramento dos corpos dgua, considerando
aspectos
relacionados s alternadas eficincias de tratamento de efluentes,
reduo
de custos e manuteno de qualidade hdrica adequada no corpo
receptor.
Palavras-chave: Rio Vieira. Autodepurao. Tratamento de
efluentes.
Recursos hdricos.
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ABSTRACT
This research presents the analysis of real auto-depuration of
River
Vieira, Montes Claros, Minas Gerais, and development of a
mathematical
optimization model that seeks to simulate scenarios and
understand the
behavior of it. Knowledge of the self-depuration is important
because studies
the resilience capacity of rivers to anthropogenic activities.
The model is able
to integrate different objectives and it has as central idea to
minimize the cost
for maintenance of the quality of the receiving body, without
ceasing to seek
maximizing of the improvement in terms of the parameters
dissolved oxygen
and biochemical oxygen demand. Model validation reduces costs
and time in
study and control of the quality of water bodies, since for this
purpose would
not be necessary collect in several stretches. The model allows
to vary, as
treatment efficiencies as flows of launch, what allow help the
planning of
collection and sewage treatment systems and seek greater
fairness among
users. With that, it lets find solutions that establish better
compromise in
attendance to existing purposes. The proposed model is valid for
the
situations tested, might serve to public administrators in
decisions making and
management of the river basin and of the water resources in
focus. Important
the comparison with current regulations, the actual data and the
model was
sufficient to verify if the effluent ejectment into the river
are complying with the
legislation. The use of mathematical modeling proved
satisfactory in the
evaluation of different management strategies, related to the
classification of
water bodies, considering aspects related to alternate
efficiencies of effluent
treatment, reducing costs and maintaining of adequate water
quality in the
receiving body.
Keywords: Rio Vieira. Depuration. Effluent treatment. Water
resources.
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LISTA DE ILUSTRAES
FIGURA 1 Consequncias do lanamento de carga
orgnica em um curso dgua.................................
26
FIGURA 2 Fenmenos interagentes no balano de OD......... 27
FIGURA 3 Etapas da
autodepurao........................................ 28
FIGURA 4 Metabolismo de microrganismos heterotrficos.. 31
FIGURA 5 Perfil de velocidades, pontos de medio e rea
de
influncia..............................................................
36
FIGURA 6 Eixos de ocorrncia das mudanas espaciais e
temporais nos constituintes das guas de rios...
38
FIGURA 7 DBO exercida (oxignio consumido) e DBO
remanescente (matria orgnica remanescente)
ao longo do
tempo....................................................
42
FIGURA 8 Mecanismos relacionados ao balano de
oxignio
dissolvido..................................................
43
FIGURA 9 Localizao da Bacia do Rio Vieira, no Municpio
de Montes Claros
MG............................................
70
FIGURA 10 Trajeto do Rio Vieira desde a nascente at a foz..
71
FIGURA 11 Mapa de abrangncia da bacia hidrogrfica do
Rio
Vieira...................................................................
73
FIGURA 12 Imagem do Google Earth - Rota em destaque
azul - Trevo incio BR365 e ponto de coleta
prximo a nascente na Fazenda Vieira. Rio Vieira
destacado em
vermelho...........................................
76
FIGURA 13 Ponto de coleta prximo a
nascente...................... 76
FIGURA 14 Ponto de lanamento ETE-Vieiras no Rio Vieira.. 78
FIGURA 15 Ponto de coleta ETE-Vieiras no Rio Vieira (zona
de
degradao).........................................................
78
FIGURA 16 Ponto de coleta a jusante do lanamento de ETE 79
-
FIGURA 17 Imagem do Google Earth - Rota em destaque
verde - Trevo incio BR 251 e ponto de coleta
prximo a foz no Rio Verde Grande na Fazenda
Canaci. Rio Vieira destacado em vermelho...........
81
FIGURA 18 Ponto de coleta prximo a
foz................................ 81
FIGURA 19 Coleta de dados prximo a nascente.....................
85
FIGURA 20 Coleta de dados a montante da
ETE...................... 85
FIGURA 21 Caixa de suporte (isopor) com gelo, acondiciona-
mento
recomendado.................................................
86
FIGURA 22 Batimetria da seo do rio prximo a nascente... 87
FIGURA 23 Molinete hidrulico digital usado no projeto.........
88
FIGURA 24 Parte do Rio do cedro em destaque de amarelo e
identificao dos da Foz do Rio e bairro Cidade
Industrial (periferia de Montes Claros) Foz do Rio
do Cedro a jusante da
ETE......................................
106
FIGURA 25 Ilustrao do Modelo de Batimetria em Rios, com
Subdiviso das Sees, Chegando at 10
Subdivises...............................................................
142
FIGURA 26 Estrutura de lanamento de efluente tratado da
ETE-VIEIRAS Montes Claros MG......................
162
-
LISTA DE TABELAS
1 Concentraes e contribuies unitrias tpicas de
DBO5,20 de esgoto domstico e efluentes industriais.......
33
2 Valores tpicos de K1 e condies de laboratrio e de Kd
em condies de campo (base
20C).................................
44
3 Valores mdios de K2 considerando caractersticas do
corpo
dgua.........................................................................
49
4 Limites fixados na Resoluo COPAM 01/2008 para
guas doces de acordo com as
Classes...........................
51
5 Concentrao de saturao de oxignio (Cs) (mg/l)........ 61
6 Valores do coeficiente K2 (d-1
) segundo modelos
baseados em dados hidrulicos do curso dgua (base
e, 20C) (Sperling
2007)........................................................
67
7 Valores tpicos de K1 e condies de laboratrio e de Kd
em condies de campo (base
20C).................................
68
8 Dados georeferenciados dos quatro trechos de
depurao
estudados...........................................................
74
9 Dados climatolgicos da Cidade de Montes Claros......... 74
10 Dados de trecho prximo a nascente, referente aos
anexos A,B,C e
D..................................................................
90
11 Dados de trecho montante da ETE, referente aos
anexos A,B,C e
D..................................................................
91
12 Dados de trecho jusante da ETE, referente aos anexos
A,B,C e D
...............................................................................
93
13 Dados de trecho prximo foz do Rio Vieira, referente
aos anexos A,B,C e D
.........................................................
94
14 Dados de entrada Modelo sem aerobiose em tratamento
Streeter-Phelps setembro
2013...................................
108
15 Dados de entrada Modelo sem aerobiose com tratamen-
to Streeter-Phelps setembro
2013......................................
111
16 Trechos anaerbios para julho de
2013............................ 117
17 Trechos anaerbios para agosto de
2013.......................... 120
-
18 Trechos anaerbios para setembro de 2013.....................
122
19 Trechos anaerbios para outubro de
2013........................ 124
20 Trechos anaerbios para novembro de 2013....................
126
21 Resumo de respostas das modelagens aplicadas em
funo da distncia para oxignio dissolvido (OD)..........
128
22 Resumo de respostas das modelagens aplicadas em
funo da distncia para demanda bioqumica de
oxignio
(DBO)......................................................................
129
23 Roteiro de coleta das amostras das quatro zonas de
depurao..............................................................................
163
24 Relatrio referente modelagem do ms de julho de
2013........................................................................................
164
25 Relatrio referente modelagem do ms de agosto de
2013........................................................................................
171
26 Perfil de OD e DBO da modelagem do ms de setembro
2013 em sistemas aerbios sem tratamento de efluentes
175
27 Perfil de OD e DBO da modelagem do ms de setembro
2013 em sistemas aerbios com tratamento de efluen-
tes..........................................................................................
176
28 Dados de modelagem anaerbia tratamento de efluen-
tes
setembro.........................................................................
177
29 Dados de modelagem anaerbia tratamento de efluen-
tes
outubro...........................................................................
181
30 Dados de modelagem anaerbia tratamento de efluen-
tes
novembro.......................................................................
185
-
LISTA DE GRFICOS
1 OD e DBO5 real ms Julho de
2013...................................... 95
2 OD e DBO5 real ms agosto de
2013................................... 99
3 OD e DBO5 real ms setembro de
2013............................... 101
4 OD e DBO5 real ms outubro de
2013................................. 102
5 OD e DBO5 real ms novembro de
2013............................. 104
6 Modelo em Aerobiose sem Tratamento Streeter-Phelps
setembro 2013 para Perfil de
OD.........................................
110
7 Modelo em Aerobiose sem Tratamento Streeter-Phelps
setembro 2013 para Perfil de
DBO.......................................
110
8 Modelo em Aerobiose com Tratamento Streeter-Phelps
setembro 2013 para Perfil de
OD.........................................
113
9 Modelo em Aerobiose com Tratamento Streeter-Phelps
setembro 2013 para Perfil de
DBO.......................................
113
10 Modelo em Anaerobiose Streeter-Phelps julho 2013 para
Perfil de
OD............................................................................
115
11 Modelo em Anaerobiose Streeter-Phelps julho 2013 para
Perfil de
DBO.........................................................................
115
12 Modelo em Anaerobiose Streeter-Phelps agosto de 2013
para Perfil de
OD...................................................................
118
13 Modelo em Anaerobiose Streeter-Phelps agosto de 2013
para Perfil de
DBO................................................................
119
14 Modelo em Anaerobiose Streeter-Phelps setembro de
2013 para Perfil de
OD.......................................................
120
15 Modelo em Anaerobiose Streeter-Phelps setembro de
2013 para Perfil de
DBO.....................................................
121
16 Modelo em Anaerobiose Streeter-Phelps outubro de
2013 para Perfil de
OD.......................................................
122
17 Modelo em Anaerobiose Streeter-Phelps outubro de
2013 para Perfil de
DBO.....................................................
123
-
18 Modelo em Anaerobiose Streeter-Phelps novembro de
2013 para Perfil de
OD.......................................................
125
19 Modelo em Anaerobiose Streeter-Phelps novembro de
2013 para Perfil de
DBO....................................................
125
20 Resumo de Respostas das Modelagens Aplicadas em
Funo da Distncia para OD e
DBO.................................
129
-
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A rea BR Rodovia Federal CH4 Metano CO2 Dixido de carbono CONAMA
Conselho Nacional do Meio Ambiente COPAM Conselho Estadual de
Poltica Ambiental COPASA Companhia de Saneamento de Minas Gerais D
Declividade do Rio DBO Demanda bioqumica de oxignio Dd Densidade de
drenagem DQO Demanda qumica de oxignio ETE Estao de tratamento de
efluentes H Profundidade do rio H2S Gs sulfdrico HAB Habitantes
HAB/KM2 Habitantes/quilmetro quadrado K1 Coeficiente de desoxigenao
K2 Coeficiente de oxigenao KC Coeficiente de compacidade KD
Coeficiente de remoo efetiva de DBO KF Coeficiente de forma Km
Quilmetro KM2 Quilmetro quadrado L Largura do rio MO Matria Orgnica
Mg/L Miligrama/litro C Grau celsius OD Oxignio dissolvido Q Vazo S
Sul T Temperatura do rio, esgoto ou efluente V Velocidade W
Oeste
-
SUMRIO
1
INTRODUO.............................................................................
17
1.1 Importncia do Estudo de
Rios.................................................... 17
2
OBJETIVOS................................................................................
21
3 REFERENCIAL
TERICO..........................................................
22
3.1 Autodepurao de Corpos d
gua.............................................. 22
3.2 Oxignio
dissolvido......................................................................
29
3.3 Demanda Bioqumica de Orixignio
DBO).................................. 30
3.4 Vazo do Curso Dgua e
Efluente............................................. 33
3.5 Coeficiente de
Desoxigenao....................................................
36
3.6 Cintica e Coeficiente da
Oxigenao........................................ 46
3.7 Legislao de Lanamento de
Efluentes.................................... 50
3.8 Modelagem Matemtica da Qualidade da
gua......................... 53
3.8.1 Modelo Aerbio de STREETER &
PHELPS............................... 55
3.8.2 Modelo Anaerbio de STREETER &
PHELPS........................... 63
3.8.3 Clculo dos Coeficientes de Desoxigenao (K1), de
Reaerao (K2) e de Remoo Efetiva de DBO
(Kd)...................
66
4 MATERIAL E
MTODOS............................................................
69
4.1 Caracterizao da rea de Estudo Bacia do Rio Vieira...........
69
4.2 Descrio dos Pontos de
Amostragens....................................... 74
4.3
Metodologia..................................................................................
82
4.3.1 Coleta de Dados para clculo de rea de
Seo....................... 87
4.3.2 Mensurao da
Velocidade.........................................................
88
5 RESULTADOS E
DISCUSSO.................................................. 90
5.1 Anlise da Depurao Real do Rio
Vieira................................... 95
5.2 Anlise de Dados
Modelados......................................................
107
5.2.1 Modelagem para Sistemas em Decomposio Aerbia sem
Tratamento...................................................................................
108
5.2.2 Modelagem para Sistemas em Decomposio Aerbia com
Tratamento...................................................................................
111
5.2.3 Modelagem para Decomposio
Anaerbia................................ 114
5.2.4 Modelagem para Decomposio Anaerbia julho de 2013.....
115
-
5.2.5 Modelagem para Decomposio Anaerbia agosto de 2013..
118
5.2.6 Modelagem para Decomposio Anaerbia setembro de
2013.............................................................................................
120
5.2.7 Modelagem para Decomposio Anaerbia outubro de 2013.
122
5.2.8 Modelagem para Decomposio Anaerbia novembro de
2013.............................................................................................
125
5.3 Resumo das Modelagens de Julho a novembro de 2013, para
Processos
Anaerbios.................................................................
128
5.4 Anlise da Poluio no Rio Vieira e Medidas
Corretivas............ 130
6
CONCLUSO..............................................................................
133
REFERNCIAS...........................................................................
135
ANEXO A CLCULO DE VAZO DO RIO 4 TRECHOS......... 142
ANEXO B DETERMINAO DOS VALORES DE k1, K2 e Kd... 155
ANEXO C CLCULO DE VAZO DE EFLUENTE TRATADO.. 159
ANEXO D ROTEIRO DE COLETAS DAS AMOSTRAS............. 163
ANEXO E RELATRIO DA MODELAGEM ANAERBIO DO
MS DE
JULHO..........................................................................
164
ANEXO F RELATRIO DA MODELAGEM ANAERBIO DO
MS DE
AGOSTO.......................................................................
171
ANEXO G PERFIL DE OD E DBO MODELAGEM
SETEMBRO SISTEMA AERBIO SEM TRATAMENTO DE
EFLUENTES................................................................................
175
ANEXO H PERFIL DE OD E DBO MODELAGEM
SETEMBRO SISTEMA AERBIO COM TRATAMENTO DE
EFLUENTES................................................................................
176
ANEXO I RELATRIO DA MODELAGEM ANAERBIO DO
MS DE
SETEMBRO..................................................................
177
ANEXO J RELATRIO DA MODELAGEM ANAERBIO DO
MS DE
OUTUBRO....................................................................
181
-
ANEXO K TABELA
30................................................................
185
ANEXO L RELATRIOS DE ENSAIO DA COPASA
REFERENTES AMOSTRAS
COLETADAS................................
189
-
17
1 INTRODUO
Montes Claros a cidade-polo do norte de Minas, georreferenciada
no
ponto-sede Latitude 164341S, Longitude 435154W e altitude de
638
metros acima do nvel do mar. Com forte influncia econmica e
social nas
regies circunvizinhas, como Vale do Jequitinhonha, noroeste de
Minas e at
mesmo sul da Bahia, influenciada pela logstica facilitada, j que
um dos
principais entroncamentos rodovirios do Brasil, cortada pelas
estradas
federais BR 135, que interliga a BR 040 a BR 116, chamada BR
Minas-
Bahia, BR 365, BR 122 e BR 251. Com rea de 3.568,941 Km2 e
populao
estimada, em 1 de Julho de 2013, de 385.898 habitantes (IBGE,
2013).
Registra, ento, com essa atualizao, uma densidade demogrfica
de
108,12 habitantes por Km2, acima da mdia do estado de Minas
Gerais,
33,41 Hab/Km2.
Atualmente, vive um crescimento no seu parque tecnolgico
industrial,
com instalao de indstrias de mdio e grande porte, demonstrando
uma
economia estvel e em franca ascenso. Os benefcios desse momento
so
indiscutveis para a economia regional e para a vida em geral dos
habitantes
e at mesmo da prpria regio que beneficia indiretamente.
Avaliando a
presso sobre o meio ambiente desse crescimento demogrfico e
da
economia, os impactos gerados sobre a Bacia do rio Vieira, que,
nesse caso,
a bacia hidrogrfica principal e recebe quase que toda
contribuio
poluidora da cidade, pode-se afirmar que acentuar o desequilbrio
dos
ecossistemas devido a uma elevao da poluio das guas, do solo e
ar,
com reduo da disponibilidade e da qualidade dos recursos
naturais.
1.1 Importncia do Estudo de Rios
Os rios transportam um dos recursos naturais indispensveis
aos
seres vivos: a gua. Alm disso, tm grande importncia cultural,
social,
econmica e histrica.
A vazo do rio, em termos de representatividade na renovao
dos
recursos hdricos, o componente mais importante do ciclo
hidrolgico.
-
18
Exerce um efeito pronunciado sobre a ecologia da superfcie da
terra e sobre
o desenvolvimento econmico humano. a vazo do rio que mais
amplamente distribuda sobre a superfcie da terra e fornece o
maior volume
de gua para consumo no mundo (SHIKLOMANOV, 1998).
A gua de rio de grande importncia no ciclo hidrolgico global
e
para o suprimento de gua para a humanidade. Isto porque o
comportamento
de componentes individuais no retorno da gua na Terra depende
tanto do
tamanho do reservatrio quanto da dinmica do movimento da gua.
As
diferentes formas de gua na hidrosfera so inteiramente
reabastecidas
durante o ciclo hidrolgico, mas com taxas muito diferentes. Os
tempos
aproximados de recarga completa de guas so os seguintes
(SHIKLOMANOV, 1998):
de pergelissolo e gelo: 10.000 anos,
ocenicas: 2.500 anos,
subterrneas e glaciares montanhosas: 1.500 anos,
de lagos: 17 anos,
de rios: 16 dias.
A quantidade de gua efetivamente disponvel para uso humano
corresponde a aproximadamente 0,007%, uma parcela
relativamente
pequena (LIMA, 2001). Essa pequena poro de gua que dessedenta
toda
raa humana realmente nfima, uma vez que os processos de
depurao
natural dos rios que cortam uma imensa quantidade de cidades
esto
bastante comprometidos. Logo o tratamento de guas para a
padronizao
ao consumo onera o custo, tornando esse bem mais valoroso.
Com a ocupao dos solos devido a um elevado crescimento
demogrfico e adensamento das populaes em determinados lugares,
a
gerao de elementos poluentes inevitvel. At pouco tempo, quase
a
totalidade dos esgotos domsticos e industriais era despejada in
natura nos
corpos receptores.
-
19
Essa poluio afetou, diretamente, a capacidade que os corpos
tinham
de se autorregenerar, sem afetar sua qualidade e,
consequentemente, os
seres vivos que deles dependiam. Essa carga orgnica e inorgnica
que
chega aos rios requer certa quantidade de oxignio, para que as
pores
orgnicas e inorgnicas sejam depuradas, ou seja, digeridas. Essa
demanda
de oxignio sempre existiu, mas, com as altas cargas poluentes
sendo
despejadas, a depurao dos mesmos ficou comprometida.
Consequente
diminuio dos nveis de oxignio dissolvido altera o comportamento
dos
cursos dgua, tornando-os imprprios para abrigar a maioria da
vida
aqutica, consumo humano, animal e at mesmo lazer.
Com o despejo de esgoto nas guas, a quantidade de matria
orgnica
aumenta intensamente. Matria orgnica simplificada considerada
alimento
para muitas formas de seres vivos. O grande problema que a taxa
de
reproduo de algumas espcies maior que a das outras. O
crescimento
acelerado de algumas bactrias e microrganismos leva mudana
brusca de
pH e diminuio do nvel de oxignio no rio, com limitao vida
aqutica,
j que uma boa parcela de seres depende do oxignio dissolvido nas
guas
dos rios. Com o despejo de esgotos tanto domsticos quanto
industriais, h
um aumento da turbidez da gua, impedindo que a luz chegue
flora
aqutica, portanto, impedindo a fotossntese, a sobrevivncia e
a
continuidade de algumas comunidades aquticas. Com nveis de
oxignio
dissolvido menores que 2 mg/l, o rio considerado morto, j que
pode
considerar esse corpo praticamente em estado de anaerobiose (0
mg/L OD),
logo bactrias aerbias e espcies que dependem do oxignio para
sobreviver morrem ou deixam de habitar esses trechos dos rios,
que passam
a ser habitados por seres anaerbios, j que no precisam de
oxignio para
sobreviver. O rio morto fica negro com o aborbulhamento de
gases. Nesse
caso, pode-se considerar um desequilbrio ecolgico instalado.
Os rios tambm fornecem alimentos aos seres humanos, com
especial
destaque aos peixes, de variadas espcies e valores nutricionais.
No
entanto, segundo (ARTHURTON et al., 2007) redues drsticas
nos
estoques de peixes esto criando tanto perdas econmicas quanto
uma
-
20
perda de suprimento de comida. A poluio das guas uma das
principais
causas da contaminao e morte de seres aquticos, o que tem
acarretado
tambm a reduo de estoques de peixes para o consumo humano.
Adiante vai ser estudado o fenmeno do consumo do oxignio
dissolvido pela matria orgnica lanada no rio Vieira, a
autodepurao, por
meio da qual o curso dgua se recupera, por meio de
mecanismos
puramente naturais. Ambos os fenmenos so analisados do ponto de
vista
ecolgico e, posteriormente, mais especificamente, por meio
da
representao matemtica da trajetria do oxignio dissolvido no
curso
dgua.
O conhecimento da autodepurao do rio Vieira h de demonstrar
o
comportamento ambiental do seu entorno, incluindo interferncias
como a
ETE (Estao de Tratamento de Efluentes), que visa amenizar os
efeitos da
poluio no objeto de estudo. Mostrar como o controle da poluio
est
sendo importante e como os dados dessa pesquisa podero ajudar
os
gestores da cidade nas tomadas de deciso no mbito ambiental.
-
21
2 OBJETIVOS
O objetivo geral foi realizar estudo de autodepurao real do rio
Vieira,
e modelar os dados, para avaliar cenrios provveis com
comparao
autodepurao real.
Os objetivos especficos desse projeto foram:
1) analisar o comportamento real do rio Vieira em
resposta carga orgnica recebida.
2) Avaliar, por meio do estudo de autodepurao do rio
Vieira, o comportamento de sua capacidade de resilincia
carga
orgnica recebida, da nascente foz.
3) Comparar os indicadores de OD (oxignio dissolvido)
e DBO (demanda bioqumica de oxignio) nos trechos
estabelecidos
deste estudo, analisando a sua conformidade legislao
ambiental
vigente: (COPAM, 2008) e (CONAMA, 2005).
4) Modelar o rio Vieira pelo estudo de autodepurao,
por trechos representativos, para simular aes de gesto da
bacia
hidrogrfica, bem como futuros estudos de impactos ambientais
em
sua regio de influncia.
5) Comparar os modelos com os dados reais de
autodepurao do rio Vieira e comprovar a sua eficcia na
anlise
desse corpo dgua.
6) Embasar prioridades de investimento e gesto da
bacia hidrogrfica estudada.
-
22
3 REFERENCIAL TERICO
3.1 Autodepurao de Corpos Dgua
Deve ser entendido que o conceito de autodepurao apresenta a
mesma relatividade que o conceito de poluio. Uma gua pode
ser
considerada depurada, sob um ponto de vista, mesmo que no
esteja
totalmente purificada em termos higinicos (potabilidade),
apresentando, por
exemplo, organismos patognicos. Dentro de um enfoque prtico,
deve-se
considerar que a gua esteja depurada quando as suas
caractersticas no
mais estejam conflitantes com a sua utilizao prevista em cada
trecho do
curso dgua. Isso porque no existe uma depurao absoluta: o
ecossistema
atinge novamente o equilbrio, mas em condies diferentes das
anteriores,
devido ao incremento da concentrao de certos produtos e
subprodutos da
deposio. Em decorrncia desses produtos, a comunidade aqutica
se
apresenta de uma forma diferente, ainda que em novo
equilbrio.
O processo de autodepurao se desenvolve ao longo do tempo e
da
direo longitudinal do curso dgua. Segundo (BRAGA et al., 2005),
os
estgios de sucesso ecolgica presentes nesse processo so
fisicamente
identificados por trechos, que so definidos como zonas de
autodepurao,
conforme indica FIG. 1, e divide-se em:
1) Zona de Degradao.
Caractersticas:
Tem incio logo aps o lanamento de guas residurias;
alta concentrao de matria orgnica, ainda em estgio
complexo a ser decomponvel;
no ponto de lanamento, turva, devido aos slidos presentes.
A sedimentao desses resulta na formao de lodo;
-
23
o incio da decomposio da matria orgnica pelos
microrganismos lento dependendo da adaptao dos seres
decompositores ao despejo;
o consumo de OD (oxignio dissolvido) para atividades
respiratrias pode ser reduzido, aps adaptao dos
microrganismos. A taxa de oxignio para a decomposio
atinge o seu mximo, implicando num mximo consumo de
OD;
a predominncia de bactrias aerbias;
aumento do teor de CO2 (dixido de carbono) na gua.
Converte-se em cido carbnico, podendo haver queda de pH;
o lodo do fundo prevalece em condies anaerbias,
consequentemente, h a produo de H2S (Gs Sulfdrico),
potencial gerador de mau odor;
sensvel diminuio da quantidade de seres vivos. H o
desaparecimento de espcies menos adaptadas e
desenvolvimento de espcies que melhor resistem s novas
condies;
quantidade grande de bactrias coliformes, se a contaminao
for de origem humana;
protozorios, bactrias e fungos;
a presena de algas rara devido alta turbidez.
2) Zona de Decomposio Ativa (incio da organizao
do ecossistema)
O ecossistema tende a se organizar, com o predomnio de
microrganismos decompositores. Como consequncia, os reflexos no
corpo
dgua atingem o seu ponto mximo. A qualidade da gua est no seu
estado
mais deteriorado. Verificam-se:
colorao acentuada na gua;
depsito de lodo escuro no fundo;
-
24
nesta zona, o OD atinge a sua menor concentrao.
Desaparece, portanto, a vida aerbia, dando lugar a
organismos anaerbios;
bactrias decompositoras iniciam a sua reduo, devido
diminuio de material orgnico, luz, floculao,
adsoro e precipitao;
caso haja reao anaerbia, os subprodutos so CO2, gua,
metano, gs sulfdrico, mercaptanas e outros, responsveis
pelo mau odor;
diminuio do nmero de bactrias e aumento na populao
de protozorios. Presena de algumas larvas de insetos e, no
entanto a macrofauna restrita em espcie.
3) Zonas de Recuperao.
Aps fase de intenso consumo de material orgnico e de
degradao
do ambiente aqutico, inicia-se a etapa de recuperao:
a gua mais clara;
os depsitos de lodo sedimentados no fundo apresentam
textura granulada, no havendo desprendimento de gases ou
mau cheiro;
matria orgnica se encontra mais estabilizada, j est
convertida em compostos inertes, implicando na reduo do
consumo de OD;
introduo de oxignio atmosfrico. Aumentam-se os teores de
OD;
a amnia convertida em nitritos e nitratos e os compostos de
fsforos so convertidos em fosfatos;
devido presena de nutrientes e de gua mais claras, h
condies para o desenvolvimento de algas, elevando mais a
concentrao de OD;
-
25
diversificao da cadeia alimentar, devido ao aparecimento de
seres heterotrficos;
nmero de bactrias reduzido. Protozorios bacterifagos.
Aparecem algas azuis na superfcie e margens, e depois,
flagelados e algas verdes e, finalmente diatomceas;
aparecimento de microcrustceos, de moluscos, de vermes, de
dinoflagelados, de esponjas, de musgos, de larvas de insetos
e
de peixes mais tolerantes.
4) Zona de guas Limpas
guas so limpas, voltando s condies iniciais;
formas completamente oxidadas e estveis dos compostos
minerais;
concentrao de OD. prximo de saturao;
devido mineralizao, as guas esto ricas em algas;
restabelecimento da cadeia alimentar;
comunidade atinge seu clmax diversidade de espcies.
No corpo dgua que recebe um lanamento de esgoto, ocorre o
fenmeno do desequilbrio ecolgico, que o aumento do nmero de
indivduos de uma nica espcie, com consequente desaparecimento
de
outras espcies. A autodepurao acontece em etapas, conforme
mostra a
(FIG. 1) abaixo:
-
26
FIGURA 1 - Consequncias do lanamento de carga orgnica em um
curso
dgua
Fonte: (MOTA, 1995).
Com o passar da distncia, o rio adquire novamente um
determinado
teor de oxignio dissolvido, no com nveis anteriores, mas com um
novo
equilbrio. Esse trecho de degradao e depurao ativa limita alguns
tipos
de vida em quase a sua totalidade, impedindo a subida dos peixes
no rio para
a desova (piracema) tambm limitando a existncia de algumas
espcies em
alguns trechos do rio.
-
27
De acordo com (VON SPERLING, 1996), a autodepurao pode ser
entendida como um fenmeno de sucesso ecolgica, em que o
restabelecimento do equilbrio no meio aqutico, ou seja, a busca
pelo
estgio inicial encontrado antes do lanamento de efluentes
realizada por
mecanismos essencialmente naturais, conforme (FIG. 2).
A autodepurao decorrente da associao de vrios processos de
natureza fsica (diluio, sedimentao e reaerao atmosfrica), qumica
e
biolgica (oxidao e decomposio) Hynes (1960) apud Von
Sperling
(1996). No processo de autodepurao, h um balano entre as fontes
de
consumo e de produo de oxignio, conforme ilustrado na (FIG. 3).
Os
principais fenmenos interagentes no consumo de oxignio so:
a oxidao da matria orgnica;
a nitrificao;
a demanda bentnica.
Na produo de oxignio so:
a reaerao atmosfrica;
a fotossntese.
FIGURA 2 - Fenmenos interagentes no balano de OD
Fonte: Von Sperling, 2007.
-
28
FIGURA 3 - Etapas da autodepurao diluio, sedimentao e
estabilizao
bioqumica
Fonte: (BRAGA et al., 2005).
A oxidao total da matria orgnica, tambm conhecida como
mineralizao, gera produtos finais, simples e estveis (por
exemplo, CO2,
H2O, NO3-
). Os organismos decompositores, principalmente as bactrias
heterotrficas aerbias, so capazes de oxidar a MO (Matria
Orgnica).
Para o estudo de autodepurao dos corpos dgua so utilizados
modelos matemticos (demonstrado num captulo posterior), onde
nesse
estudo especfico sero incorporados os conceitos de Streeter-
Phelps,
modelo que aborda o consumo de oxignio pela oxidao da matria
orgnica e produo de oxignio pela reaerao atmosfrica. Para a
alimentao do modelo, sa necessrios os seguintes dados:
a vazo do rio, a montante do lanamento;
a vazo de esgotos (Qe);
o oxignio dissolvido no rio, montante do lanamento (ODr);
o oxignio dissolvido no esgoto (ODe);
a DBO5 no rio, a montante do lanamento (DBOr);
a DBO5 do esgoto (DBOe);
-
29
o coeficiente de desoxigenao (K1);
o coeficiente de reaerao (K2);
a velocidade de percurso do rio (v);
o tempo de percurso (t);
a concentrao de saturao de OD (Cs);
o oxignio dissolvido mnimo permissvel (ODmin).
3.2 Oxignio Dissolvido
O oxignio dissolvido (OD) tem fundamental importncia no tratar
da
vida aqutica aerbia (depende do oxignio para sobrevier e
reproduzir). Os
organismos que utilizam a matria orgnica como fonte de
alimentao
necessitam do OD no processo de respirao. A consequncia do
aumento
da matria orgnica nos rios naturalmente ser a reduo dos nveis de
OD,
que ser retirado numa maior quantidade no processo de
estabilizao da
matria orgnica lanada nos corpos receptores. Menor quantidade
de
oxignio resulta numa vida dentro dos rios reduzida.
A solubilidade do oxignio dissolvido varia com altitude e
a temperatura, ao nvel do mar na temperatura de 20C, a
concentrao de saturao igual a 9,2 mg/L, quando
esse nvel supera o de saturao indicativo de presena
de algas (fotossntese, com gerao de oxignio puro) e
quando inferiores a 9,2 mg/L indicativo de matria
orgnica, provavelmente esgotos sendo depurados. Na
anlise da vida aqutica superior (peixes mais exigentes
em O2) concentraes em torno de 4 a 5 mg/L no
sobrevivem nessas condies e com 2 mg/L praticamente
todos peixes esto mortos e 0 mg/L temos uma situao
de anaerobiose (VON SPERLING, 2007).
-
30
A solubilidade de oxignio dissolvido atmosfrico varia de 14,6 mg
L-1
,
sob temperatura de 0 C, a at 7 mg L-1
, a 35 C, em gua doce e presso de
1 atm. Os maiores problemas ambientais ocorrem quando o meio
lquido
encontra-se sob maiores temperaturas, j que as taxas de oxidao
biolgica
e a presso de vapor do gs O2 aumentam com a temperatura
(NUNES,
2008 apud ALMEIDA, 2013).
Diversas variveis podem ser utilizadas na avaliao do processo
de
autodepurao, entretanto, a quantificao da concentrao de
oxignio
dissolvido (OD) a mais importante para definir a condio do curso
de gua
e avaliar se o mesmo encontra-se dentro ou fora dos limites da
classe de seu
enquadramento (SANTOS, 2001 apud NUNES, 2008).
3.3 Demanda Bioqumica de Oxignio (DBO)
A DBO de uma gua a quantidade de oxignio necessria para
oxidar a matria orgnica por decomposio microbiana aerbia para
uma
forma inorgnica estvel. A DBO normalmente considerada como a
quantidade de oxignio consumido durante um determinado perodo
de
tempo, numa temperatura de incubao especfica. Um perodo de tempo
de
5 dias numa temperatura de incubao de 20C frequentemente usado
e
referido como DBO5,20 (CETESB, 2009).
Uma miscelnea de compostos orgnicos causadora da poluio dos
rios, como, por exemplo, as protenas, carboidratos, gorduras,
leos, uria,
surfactantes, fenis e pesticidas. Mtodos indiretos so usados
para
quantificar a matria orgnica, que so a demanda bioqumica de
oxignio
(DBO), por meio da mensurao do consumo de oxignio pela
matria
orgnica e demanda qumica de oxignio (DQO), com a medio do
carbono
orgnico, que indicam o potencial do consumo de oxignio
dissolvido. A DBO
dos esgotos domsticos est em torno de 300 mg/L e a DQO de 600
mg/L.
Em caso de esgotos industriais, esses indicativos tm ampla
variao,
dependendo do tipo do processo industrial (VON SPERLING,
2007).
-
31
Essa rota metablica, do consumo de oxignio pelos
microrganismos
no processo de assimilao da matria orgnica, segue descrita na
(FIG. 4).
FIGURA 4 - Metabolismo de Microrganismos Heterotrficos
Na (FIG. 4) apresenta-se o metabolismo dos
microrganismos heterotrficos, em que os compostos
orgnicos biodegradveis so transformados em produtos
finais estveis ou mineralizados, tais como gua, gs
carbnico, sulfatos, fosfatos, amnia, nitratos, etc. Nesse
processo h consumo de oxignio da gua e liberao da
energia contida nas ligaes qumicas das molculas
decompostas. Os microrganismos desempenham este
importante papel no tratamento de esgotos, pois
necessitam desta energia liberada, alm de outros
nutrientes para exercer suas funes celulares, tais como
reproduo e locomoo, o que genericamente se
denomina quimiossntese. Quando passa a ocorrer
insuficincia de nutrientes no meio, os microrganismos
sobreviventes passam a se alimentar do material das
clulas que tm a membrana celular rompida. Este
processo se denomina respirao endgena. Finalmente,
h, neste circuito, compostos que os microrganismos so
-
32
incapazes de produzir enzimas que possam romper suas
ligaes qumicas, permanecendo inalterados. Ao
conjunto destes compostos d-se o nome de resduo no
biodegradvel ou recalcitrante. Pelo fato de a DBO5,20
somente medir a quantidade de oxignio consumido num
teste padronizado, no indica a presena de matria no
biodegradvel, nem leva em considerao o efeito txico
ou inibidor de materiais sobre a atividade microbiana
(CETESB, 2009).
As altas concentraes de matria orgnica, oriundas de
esgotamentos domsticos e industriais, so responsveis pela elevao
da
DBO no meio e consequente inutilizao dos corpos hdricos para
fins de
recreao e abastecimento humano em alguns casos extremos, que
no
necessariamente so excees, j que uma grande maioria das
cidades
lana os seus efluentes diretamente nos rios, ou quando realiza o
tratamento,
no consegue interceptar todo o efluente gerado pela populao,
devido aos
esgotamentos clandestinos. Essa elevao da DBO eleva,
consequentemente a eutrofizao, j que essa carga orgnica traz
tambm
altas concentraes de nutrientes, que por sua vez, servem de
alimento para
algas. Com aumento da populao das algas, aumenta-se a concentrao
de
toxinas produzidas pelas mesmas. Essas toxinas podem ser
prejudiciais
quando consumidas pela populao.
A DBO um dos principais critrios a serem analisados no projeto
de
construo de estaes de tratamento de efluentes, expressa em carga
por
dia (Kg/dia), como dimensionamento de volume de reatores, rea e
volume
de tanques, filtros, potncia dos aeradores. A carga de DBO
produto da
vazo dos efluentes pela concentrao de DBO.
A contribuio de DBO per capita comumente utilizada no Brasil
54g/hab/dia, no caso de esgotamentos sanitrios. Na TAB. 1,
so
apresentados os valores tpicos de concentrao e contribuio
unitria de
DBO 5,20 para diferentes tipos de efluentes.
-
33
TABELA 1
Concentraes e contribuies unitrias tpicas de DBO5,20 de
esgoto
domstico e efluentes industriais
A matria orgnica um dos principais poluentes dos cursos
dguas,
j que responde por maior perda de oxignio dissolvido desses
cursos,
devido ao processo de oxidao para estabilizao dessa matria
orgnica,
com prejuzos para a biota aqutica e at mesmo ao aspecto
paisagstico,
devido turbidez das guas, descaracterizando os cursos
originais.
So compostas principalmente por carboidratos, protena,
gordura,
leos, surfactantes, fenis e pesticidas.
3.4 Vazo do Curso Dgua Afluente
No planejamento e no gerenciamento do uso dos recursos hdricos,
o
conhecimento das vazes necessrio para realizar um balano de
disponibilidades e demandas ao longo do tempo. Em projetos de
obras
hidrulicas, as vazes mnimas so importantes para se avaliar, por
exemplo,
calado para navegao, capacidade de recebimento de efluentes
urbanos e
-
34
industriais e estimativas de necessidades de irrigao. As vazes
mdias so
aplicveis a dimensionamentos de sistemas de abastecimento de
guas e de
usinas hidreltricas. As vazes mximas, como base para
dimensionamento
de sistemas de drenagem e rgos de segurana de barragens, entre
outras
tantas aplicaes.
As medies de vazo so realizadas periodicamente em
determinadas sees dos cursos dgua (as estaes ou postos
fluviomtricos). Diariamente ou de forma contnua, medem-se os
nveis
dgua nos rios e esses valores so transformados em vazo, por meio
de
uma equao, chamada de curvachave.
Curva-chave uma relao nvel-vazo numa determinada seo do
rio. Dado o nvel do rio na seo para a qual a expresso foi
desenvolvida,
obtm-se a vazo. No apenas o nvel da gua que influencia a vazo:
a
declividade do rio, a forma da seo (mais estreita ou mais larga)
tambm
alteram a vazo, ainda que o nvel seja o mesmo.
Entretanto, tais variveis so razoavelmente constantes ao longo
do
tempo para uma determinada seo. A nica varivel temporal o
nvel.
Dessa forma, uma vez calibrada tal expresso, a monitorao da vazo
do rio
no tempo fica muito mais simples e com um custo muito menor
(PORTO,
2001).
Para essa modelagem especfica, foi utilizada a vazo mnima de
referncia, que comum ser utilizada no planejamento dos recursos
hdricos,
acontecendo no perodo de estiagem e tambm uma vazo pontual
em
meados do incio das chuvas.
A vazo mnima utilizada para o planejamento dos
recursos hdricos da bacia hidrogrfica, para a avaliao
do atendimento aos padres ambientais do corpo
receptor, para a alocao de cargas poluidoras e para a
concesso de outorgas de captao e de lanamento. A
determinao das eficincias requeridas para os
tratamentos dos esgotos nos diversos lanamentos deve
ser determinada em condies crticas. Estas condies
crticas no corpo receptor refletem perodos de estiagem
-
35
e ocorrem exatamente no perodo de vazo mnima, em
que a capacidade de diluio do rio menor. (VON
SPERLING, 2007).
A vazo Q7,10, valor anual da menor mdia de 7 vazes dirias
consecutivas que pode se repetir, em mdia, uma vez a cada 10
anos
(perodo de retorno de 10 anos) frequentemente utilizada nas
modelagens
da qualidade da gua, j que os clculos tendem a uma preciso
maior, pois
os histricos de coletas longos visualizam ciclos e no vazes
pontuais.
Contudo esse dado de difcil mensurao, j que, nesses corpos
dgua
necessitariam de implantao de estaes fluviomtricas, estaes
onerosas,
que, nesse caso, se encontram em poucas bacias hidrogrficas,
comprometendo, assim, a preciso dos estudos dessas bacias.
As medies de vazo podem ser feitas de diversas formas, que
utilizam princpios distintos: Volumtrico, colorimtrico,
estruturas hidrulicas
(calhas e vertedores), velocimtrico (molinetes hidrulicos),
acstico e
eletromagntico. A escolha do mtodo depender das condies
disponveis
em cada caso.
A descarga lquida ou vazo de um rio definida como sendo o
volume
de gua que atravessa uma determinada seo num certo intervalo
de
tempo. Ou ainda, pode ser expressa como:
Q =V S
Onde:
Q: vazo em m3/s;
V: velocidade do escoamento em m/s;
S: rea da seo em m2.
Como a seo do rio irregular e as medies de velocidades so
feitas em alguns pontos representativos, a vazo total calculada
como
sendo a soma de parcelas de vazo de faixas verticais. Para se
calcular a
vazo de tais parcelas utiliza-se a velocidade mdia no perfil e a
sua rea de
influncia, conforme ilustra a (FIG. 5).
-
36
FIGURA 5 - Perfil de velocidades, pontos de medio e rea de
influncia
3.5 Cintica e Coeficiente da Desoxigenao
A queda nos nveis de oxignio dissolvido em um corpo d'gua
est
associada respirao de microrganismos envolvidos no processo
de
depurao de esgotos. Estudos de (GIANSANTE, 1998), (BRANDELERO
et
al. 2010) e (SIQUEIRA, 1998) evidenciaram que massas lticas ou
guas
correntes possuem a capacidade de autodepurao e tal fenmeno pode
ser
avaliado pelos valores da (DBO) demanda bioqumica de oxignio no
corpo
hdrico. A matria orgnica, ao ser lanada no rio por uma fonte
poluidora,
oxidada por bactrias aerbicas de vida livre, pertencentes ao
ecossistema
aqutico. O percebido que o processo de degradao da matria
orgnica
citado consome parte do oxignio dissolvido que est na gua e
diminui o
mesmo (VON SPERLING, 2007 apud ALMEIDA, 2013).
O consumo da matria orgnica (DBO) nos corpos dgua provoca um
dos maiores prejuzos da contaminao desses cursos, que a
desoxigenao (decrscimo dos teores de oxignio dissolvido), com
variao
ao longo de tempo e espao, ou seja, os teores de DBO so
diferentes em
dias diferentes e em mensuraes ao longo de trechos. Verificam-se
tambm
essas divergncias de valores. A DBO Padro a DBO5, 20, que
usada
como referncia.
-
37
Para entender melhor o fenmeno de desoxigenao e oxigenao,
no seria possvel desvincular da cintica de reatores, j que a
modelagem
de Streeter-Phelps simula os rios como reatores biolgicos.
Processos fsicos
de adveco, de difuso e processos bioqumicos e fsicos de
converso
provocam, nos corpos dgua, alteraes nas suas composies de
matria
orgnica e oxignio dissolvido.
Esses processos predominam no eixo longitudinal (x), como
ilustra a
(FIG. 6) abaixo.
Mudanas na =
Devido a
Adveco: +
Devido a
Difuso: +
Devido aos processos de
Converso:
concentrao
transporte do
espalhamento
das
fatores biolgicos, fsicos e
qumicos
do
contituinte
constituinte no
partculas do
com o tempo
campo de
velocidades
constituinte
devido
do meio fluido
a agitao
trmica
-
38
FIGURA 6 - Eixos de Ocorrncia das Mudanas Espaciais e Temporais
nos
Constituintes das guas de Rios
Fonte: Introduo qualidade das guas e ao tratamento de esgotos,
(VON
SPERLING, 2009).
O consumo de OD, devido a tais oxidaes, pode ser obtido
utilizando-
se a medio da demanda bioqumica de oxignio (DBO), sendo
basicamente governado pelo coeficiente de desoxigenao, K1, que
varia de
valor de acordo com a temperatura, a composio e a concentrao
de
material orgnico na gua. A estimativa do consumo de oxignio pode
ser
obtida com a utilizao de equaes diferenciais, que expressam uma
reao
cintica de primeira ordem (VON SPERLING, 1996 apud NUNES,
2008).
Para (VON SPERLING, 2007), grande parte das reaes que
ocorrem
em um curso dgua lenta, sendo a considerao da sua cintica,
portanto,
importante. A taxa de reao r o termo usado para descrever o
desaparecimento ou formao de um composto ou espcie qumica. A
relao entre a taxa de reao, a concentrao do reagente e a ordem
da
reao so dadas pela expresso:
-
39
r = KCn
Onde:
r = taxa de reao (ML-3
T-1
),
K = constante de reao (T-1
),
C = concentrao do reagente (ML-3
),
n = ordem da reao,
n = 0 reao de ordem zero,
n = 1 reao de primeira ordem,
n = 2 reao de segunda ordem.
Quando mais de um reagente est envolvido, o cmputo da taxa
de
reao deve levar em considerao as concentraes dos reagentes.
No
caso de dois reagentes, com concentrao A e B com ordem global
da
reao definida (m+n), tem-se:
r = K A
n B
m.
Na modelagem da qualidade das guas, h vrias reaes que so
representadas segundo a cintica de primeira ordem. A introduo
de
oxignio pela reaerao um exemplo. Outros exemplos so a reduo
da
matria orgnica e o decaimento de organismos patognicos (VON
SPERLING, 2007).
Um conceito importante relativo s demandas de oxignio: DBO
remanescente, que a concentrao de matria orgnica remanescente
na
massa lquida num determinado tempo, e a DBO exercida, que
representa o
oxignio consumido na estabilizao da matria orgnica at esse
instante.
Nessas reaes, a taxa de reao proporcional concentrao do
reagente, ou seja, ao longo do rio a taxa de mudana da
concentrao C do
reagente proporcional concentrao desse reagente no dado
instante.
-
40
Para um reagente que esteja sendo consumido (removido), tem-se a
seguinte
equao: (VON SPERLING, 2007).
1.CKdt
dC
ou
CKdt
dC.
Integrando essa taxa de mudana (dC/dt) ao longo do tempo de
percurso tem C = C0 em t=0, j que ainda no houve consumo dos
reagentes.
tKeCC .0
Reaes de primeira ordem. Mudana da taxa de reao dC/dt com o
tempo. Mudana da concentrao C com o tempo.
Logo a cintica de desoxigenao da matria orgnica remanescente
ou DBO remanescente se d por meio de uma reao de primeira ordem,
na
qual a taxa de mudana da concentrao de uma substncia
simtrica
primeira potncia da concentrao, sendo a equao de progresso
expressa
na forma diferencial:
LKdt
dL.1
sendo:
L = concentrao de DBO remanescente (mg/L),
t = tempo (dia),
k1 = coeficiente de desoxigenao (dia-1
).
-
41
Por meio da Equao acima, nota-se que a taxa de oxidao da
matria orgnica (dL/dt) proporcional matria orgnica ainda
remanescente (L), em um tempo t qualquer. Logo, quanto maior
a
concentrao de DBO, mais rpido ocorrer o processo de
desoxigenao.
Posteriormente, aps a estabilizao da DBO, em certo tempo, a taxa
de
reao ser menor em funo da menor quantidade de matria orgnica
presente em determinada substncia.
Nesse sentido, (VON SPERLING, 2007), afirma que integrando a
equao anterior, entre os limites de L = L0 e L = Lt, e t = 0 e t
= t, obtm-se a
equao abaixo:
tk
t eLL1
0
Em que:
Lt = DBO remanescente num tempo t qualquer (mg/L),
L0 = DBO remanescente em t = 0 (mg/L).
Para obter a DBO exercida em termos de consumo de oxignio
dissolvido, utiliza-se a prxima equao:
)1( 10tk
eLy
Em que:
y = DBO exercida em um tempo t (mg/L), nota-se que: y = L0
L,
L0 = DBO remanescente, em t = 0, ou comumente conhecida como
DBO ltima.
-
42
A (FIG. 7) expressa a progresso da DBO ao longo do tempo:
FIGURA 7 - DBO exercida (oxignio consumido) e DBO remanescente
(matria
orgnica remanescente) ao longo do tempo
Fonte: (VON SPERLING, 2007).
O consumo de matria orgnica, desoxigenao, basicamente
acontece nos vrios tipos de oxidao da matria orgnica suspensa
(tanto a
carboncea quanto a nitrogenada) e decantada (camada de
sedimentos
decantados, que responsvel pela demanda bentnica de oxignio) e o
uso
de oxignio na respirao, principalmente dos vegetais (algas),
quando da
ausncia de luz (NUNES, 2008).
Alm dos processos citados, relacionados ao consumo de oxignio,
h
tambm os referentes estabilizao dos compostos nitrogenados, esse
a
amnia em nitrito e esses, por sua vez, em nitrato. Este consumo
referido
como demanda nitrogenada ou demanda de segundo estgio.
-
43
Os principais fenmenos responsveis pelo balano de oxignio
dissolvido em um curso dgua encontram-se apresentados na (FIG.
8).
FIGURA 8 - Mecanismos relacionados ao balano de oxignio
dissolvido
Fonte: Santos (2001).
O coeficiente de desoxigenao K1 depende das caractersticas
da
matria orgnica, alm da temperatura e da presena de
substncias
inibidoras (VON SPERLING, 2005). obtido em condies controladas
em
laboratrio. A (TAB. 2) apresenta valores mdios de K1, obtidos
em
condies de laboratrio. O coeficiente de decomposio da DBO no
rio, Kd,
incorpora os efeitos na decomposio da matria orgnica pela
biomassa
suspensa na massa lquida e pela biomassa no lodo de fundo. Os
valores de
Kd para oxidao da DBO no rio so superiores a valores de K1
obtidos em
laboratrio. Isso se explica pelo fato da biomassa que cresce
aderida a um
meio suporte, como, por exemplo, o lodo de fundo, ser mais
efetiva na
decomposio de matrias orgnicas que a biomassa dispersa na
massa
lquida (CHAPRA, 1997 apud VON SPERLING, 2007).
A (TAB. 2) apresenta os valores mdios de K1 e Kd.
-
44
TABELA 2
Valores tpicos de K1 e condies de laboratrio e de Kd em condies
de
campo (base 20C)
Fonte: (VON SPERLING, 2005)
Nota: Rio raso: profundidade inferior a cerca de 1,0 ou 1,5
m;
Rio profundo: profundidade superior a cerca de 1,0 ou 1,5 m.
Segundo (EPA, 1985 apud VON SPERLING, 2005), e (THOMANN;
MUELLER, 1987), o valor de Kd pode ser obtido em funo de
caractersticas
hidrulicas no corpo dgua, conforme as equaes descritas a
seguir:
Kd em funo da profundidade
Para H2,5:
434,0
5,230,0
HKd
-
45
Para H>2,5:
130,0 dKd
Kd em funo da vazo
49,080,1 xQKd
Onde:
H entre 0,3 e 10 m;
Q entre 0,15 e 250 m3/s.
A temperatura tem influncia direta no metabolismo bacteriano
e,
consequentemente, nas taxas de estabilizao da matria orgnica.
A
relao emprica entre a temperatura e a taxa de desoxigenao dada
pela
equao abaixo, que pode ser utilizada tanto para K1, quanto para
Kd (VON
SPERLING, 2005):
)20(
1 .201 TKK
T
Onde:
T
K1
= K1 a uma temperatura T qualquer (d-1
);
201K = K1 a uma temperatura T = 20C (d
-1);
T = temperatura do meio lquido (C);
= coeficiente de temperatura (-).
O valor de usualmente utilizado para K1 e Kd 1,047 (EPA,
1987).
-
46
3.6 Cintica da oxigenao
O processo natural de reaerao de corpos de gua receptores de
despejos de esgotos envolve a transferncia de massa superficial,
por meio
da qual a demanda por oxignio, resultante da ao bacteriolgica
sobre a
matria orgnica biodegradvel, pode ser suprida, ou no, dependendo
da
intensidade com que o fenmeno da transferncia de oxignio ocorre
por
meio da superfcie do corpo receptor (SZLIGA; ROMA, 2003 apud
NUNES,
2008).
Para (VON SPERLING, 1996), molcula de gases atmosfricos
intercambiados na interface do meio lquido o principal meio de
introduo
de oxignio em lagos, em rios e em outros corpos dgua. Esse
processo
um fenmeno fsico que eleva a concentrao de gases na fase lquida,
caso
essa fase no esteja saturada com gs.
Quando a gua exposta a um gs, ocorre um contnuo intercmbio
de molculas da fase lquida para a gasosa e vice-versa. To logo
a
concentrao de solubilidade na fase lquida seja atingida, ambos
os fluxos
passam a ser de igual magnitude, de modo a no ocorrer uma
mudana
global das concentraes do gs em ambas as fases. Esse
equilbrio
dinmico define a concentrao de saturao (Cs) do gs na fase
lquida
(VON SPERLING, 2007).
Como h no processo de autodepurao natural dos corpos dgua o
consumo de oxignio dissolvido na fase lquida, que ocorre nos
processos de
estabilizao da matria orgnica, as concentraes de gases desse
meio
ficam abaixo da saturao, aumentando o fluxo de reaerao desse
meio.
O mecanismo de reaerao pode acontecer por meio da difuso
molecular ou turbulncia. A difuso molecular acontece em
ambientes
tranqilos, sem correntezas, em que h um incessante movimento
aleatrio
(movimento trmico) das molculas de O2, do meio concentrado para
o de
menor concentrao. Pelos estudos de (HEMOND; FECHENER-LEVY,
-
47
1994), esse tipo de mistura denominado de difuso molecular,
como
descreve a primeira lei de Fick. Como lei, ela distingue o
processo pelo qual a
matria conduzida de uma parte a outra do sistema em funo dos
movimentos moleculares randmicos. O observado que a difuso
no
demonstra grande importncia em termos ambientais, com exceo
escala
microscpica das reaes qumicas e biolgicas. No entanto,
problemas
ambientais ligados disperso de poluentes podem ser descritos por
aes
fortemente anlogas difuso molecular, segundo as descries de
(FISCHER et al., 1979) e (ALMEIDA, 2013).
Nesse sentido, para (NUNES, 2008), os principais fatores que
afetam a
difuso molecular so: a temperatura, o gradiente de concentrao e
a rea
da seo transversal onde ocorre a difuso.
Quanto difuso turbulenta, ela mais rpida que a molecular,
pois
envolve a criao de interfaces e a renovao dessas interfaces.
Para (VON
SPERLING, 1996), a criao de interfaces de extrema importncia,
pois
onde ocorrem os intercmbios gasosos. Assim, o segundo fator
permite que
no haja a formao de pontos de saturao, conduzindo o gs a
vrias
profundidades do curso dgua, em funo da maior mistura.
Segundo (GIANSANTE, 2000), as fontes de oxignio so: a
atmosfera
e as algas. Quanto a primeira fonte, h transferncia de oxignio
atmosfrico,
que abundante, para a gua, de forma que essa o tem na
quantidade
mxima, quando no poluda. A concentrao mxima de OD na gua
funo da temperatura e presso atmosfrica local, que, por sua
vez,
funo da altitude. As algas constituem a segunda fonte de OD, em
funo
da reao de fotossntese.
Referenciado no ndice de Variveis Mnimas para a Preservao da
Vida Aqutica, IPMCA, (CETESB, 2007), valores de oxignio
dissolvido entre
3,0 e 5,0 (mg/L) apresentam caractersticas desejveis para a
sobrevivncia
dos organismos aquticos, porm a reproduo dos mesmo pode ser
afetada
a longo prazo.
-
48
A fotossntese proporcionada pelo fitoplncton, particularmente
algas,
a maior fonte de OD em lagos e em rios de movimento lento. A
produo
fotossinttica de oxignio funo da temperatura e a profundidade da
gua,
intensidade e durao da presena de luz e quantidade de algas,
comumente
medida como concentrao de clorofila-a (RIBEIRO, 2001). A
fotossntese
o principal processo utilizado pelos seres vivos para a sntese
da matria
orgnica, sendo caracterstica dos organismos clorofilados (NUNES,
2008).
O K2 o coeficiente relacionado taxa de reaerao atmosfrica,
que
representa a difuso de oxignio atmosfrico do ar para o lquido.
K2,
depende da mistura e da turbulncia responsveis pelo gradiente
de
velocidade, da temperatura, da mistura pelo vento, da existncia
de quedas
dgua e de barragens (THOMANN; MUELLER, 1987).
O valor do coeficiente K2 tem maior influncia nos resultados
do
balano do oxignio dissolvido do que o coeficiente Kd, ou seja, o
modelo de
Streeter-Phelps normalmente mais sensvel a K2 do que a Kd. A
determinao do K2 pode ser efetuada por mtodos estatsticos,
fundamentados na anlise de regresso (VON SPERLING, 2005).
O valor estimado do coeficiente K2, para a simulao do
oxignio
dissolvido em um corpo de gua, pode ser encontrado tabelado, em
funo
das caractersticas do corpo dgua. Um exemplo a (TAB. 3),
publicada por
(FAIR et al., 1973; ARCEIVALA, 1981) e (ALMEIDA, 2013).
-
49
TABELA 3
Valores Mdios de K2 Considerando Caractersticas do Corpo
Dgua
Fonte: (VON SPERLING, 2005)
H ainda outros autores que buscam correlacionar os valores de
K2
com as caractersticas hidrulicas do corpo dgua e com sua
vazo,
conforme (TAB. 4).
Outro fato que o aumento da temperatura reduz a solubilidade
do
oxignio no meio lquido, ou seja, reduz a concentrao de saturao
e
acelera os processos de absoro de oxignio. A influncia da
temperatura
no K2 se d em dois sentidos opostos.
A representao do efeito da temperatura no coeficiente K2 pode
ser
expressa conforme equao:
)20(
2 .202 TKK
T
Onde:
T
K2
= K2 a uma temperatura T qualquer (d-1
);
202K = K2 a uma temperatura T = 20C (d
-1);
T = temperatura do meio lquido (C);
= coeficiente de temperatura (-).
-
50
Segundo (VON SPERLING, 2005), um valor muito utilizado para
o
coeficiente de temperatura 1,024 (EPA, 1987).
O modelo de Streeter-Phelps normalmente mais sensvel a K2, que
a
Kd (VON SPERLING, 2007).
Outros meios podem ser utilizados para obter valores de K2,
como
valores em funo das caractersticas hidrulicas do corpo dgua e
valores
relacionados com a vazo do curso dgua, mas que necessitam de
dados
adicionais na composio de suas frmulas que o rio Vieira no
possui. Logo
o valor de K2 sob influncia da temperatura foi adotado.
3.7 Legislao de lanamento de efluentes
Um dos pilares que sustentam o sucesso ambiental de um pas a
legislao especfica, que regulariza o uso do meio, assim bem como
uma
fiscalizao eficaz, para que o rigor da lei seja obedecido.
Em 08 de janeiro de 1997, foi instituda a Poltica Nacional
de
Recursos Hdricos e o Sistema Nacional de Gerenciamento de
Recursos
Hdricos, sob a forma de Lei 9.433, que tem como objetivo
assegurar a
disponibilidade e a qualidade da gua para presentes e futuras
geraes,
otimizao do uso desses recursos e a preveno de eventos
hidrolgicos.
Ou seja, todo esse objetivo se encontra com o material desta
pesquisa, haja
visto que esses objetivos devem ser aplicados para garantir a
preservao
desse corpo dgua.
Por no haver at o presente estudo classificao do rio Vieira,
foi
considerado Classe 2, pois a Resoluo do (CONAMA, 2005),
estabelece
que, enquanto no aprovados os respectivos enquadramentos, as
guas
doces sero consideradas de classe 2, exceto se as condies de
qualidade
atuais forem melhores, o que determinar a aplicao da classe
mais
rigorosa correspondente conforme citado no Cap.VI, art. 42 da
Resoluo.
A (CONAMA, 2005) embasou a legislao estadual, que rege o
lanamento de efluentes em corpos dgua, (COPAM, 2008).
-
51
Em termos de Legislao Estadual, embasar esse estudo a
Deliberao Normativa Conjunta COPAM n01, do Conselho Estadual
de
Recursos Hdricos de Minas Gerais, de 05 de Maio de 2008. Por ser
mais
restritiva quanto aos padres de lanamento de efluentes do que
a
(CONAMA, 2005), ser utilizada como referncia nesta pesquisa.
Os padres de lanamento das guas doces 2, objeto de estudo
desta
investigao, esto descritos na (TAB. 8), segundo (COPAM,
2008).
TABELA 4
Limites Fixados na Resoluo COPAM 01/2008 para guas Doces de
Acordo
com as Classes
Classe Mximo DBO 5,20 Mnimo OD
1 3mg.L-1 6mg.L-1
2 5mg.L-1 5mg.L-1
3 10mg.L-1 4mg.L-1
4 _ 2mg.L-1
Fonte: Adaptado da Deliberao Normativa Conjunta COPAM/CERH-MG N.
1, de
05 de maio de 2008
A (COPAM, 2008), no seu artigo 10, estabelece que:
1 Os limites de Demanda Bioqumica de Oxignio
(DBO), estabelecidos para as guas doces de classes 2 e
3, podero ser elevados, caso o estudo da capacidade de
autodepurao do corpo receptor demonstre que as
concentraes mnimas de oxignio dissolvido (OD)
previstas no sero desobedecidas, nas condies de
vazo de referncia, com exceo da zona de mistura,
conforme modelos internacionalmente reconhecidos.
-
52
Destacam-se aspectos relevantes quanto aos padres de
lanamento
de efluentes da (COPAM, 2008):
Art. 28. Na zona de mistura de efluentes, o rgo ambiental
competente poder autorizar, levando em conta o tipo de
substncia, valores
em desacordo com os estabelecidos para a respectiva classe
de
enquadramento, desde que no comprometam os usos previstos para
o
corpo de gua.
Art. 29. Os efluentes de qualquer fonte poluidora somente podero
ser
lanados, direta ou indiretamente, nos corpos de gua desde que
obedeam
as condies e padres previstos neste artigo, resguardadas
outras
exigncias cabveis:
1o O efluente no dever causar ou possuir potencial para
causar
efeitos txicos aos organismos aquticos no corpo receptor, de
acordo com
os critrios de toxicidade estabelecidos pelo rgo ambiental
competente.
2o Os critrios de toxicidade previstos no 1o devem se basear
em
resultados de ensaios ecotoxicolgicos padronizados, utilizando
organismos
aquticos, e realizados no efluente.
3o Nos corpos de gua em que as condies e padres de qualidade
previstos nesta deliberao Normativa no incluam restries de
toxicidade a
organismos aquticos, no se aplicam os pargrafos anteriores.
4o Condies de lanamento de efluentes:
I - pH entre 6,0 a 9,0;
II - temperatura: inferior a 40C, sendo que a variao de
temperatura
do corpo receptor no dever exceder a 3C no limite da zona de
mistura,
desde que no comprometa os usos previstos para o corpo dgua;
III - materiais sedimentveis: at 1 mL/L em teste de 1 hora em
cone
Imhoff. Para o lanamento em lagos e lagoas, cuja velocidade de
circulao
seja praticamente nula, os materiais sedimentveis devero
estar
virtualmente ausentes;
-
53
IV - regime de lanamento com vazo mxima de at 1,5 vezes a
vazo mdia do perodo de atividade diria do agente poluidor,
exceto nos
casos permitidos pela autoridade competente;
V - leos e graxas:
a) leos minerais: at 20mg/L;
b) leos vegetais e gorduras animais: at 50mg/L.
VI - ausncia de materiais flutuantes;
VII DBO: at 60 mg/L ou:
a) tratamento com eficincia de reduo de DBO em no mnimo 60%
e
mdia anual igual ou superior a 70% para sistemas de esgotos
sanitrios e
de percolados de aterros sanitrios municipais;
b) tratamento com eficincia de reduo de DBO em no mnimo 75%
e
mdia anual igual ou superior a 85% para os demais sistemas.
VIII - DQO - at 180 mg/L ou:
a) tratamento com eficincia de reduo de DQO em no mnimo 55%
e
mdia anual igual ou superior a 65% para sistemas de esgotos
sanitrios e
de percolados de aterros sanitrios municipais;
b) tratamento com eficincia de reduo de DQO em no mnimo 70%
e
mdia anual igual ou superior a 75% para os demais sistemas.
3.8 Modelagem Matemtica da Qualidade da gua
A modelagem computacional uma ferramenta importante para que
se
possa avaliar a qualidade atual, estimar as condies da qualidade
ao longo
do percurso e simular efeitos da aplicao ou diminuio da carga
poluente
em cursos d'gua.
O principal objetivo na modelagem determinar, baseado em
dados
conhecidos previamente, as variaes de concentrao de
determinada
carga poluente, em funo do espao e do tempo. Isso, obviamente,
passa
por conhecimentos bsicos de transporte de massa difusivo e
convectivo, e
de cintica das reaes biolgicas envolvidas no processo:
-
54
A disposio final de efluentes pode ser estudada
utilizando-se modelos computacionais de qualidade de
gua que contemplem fontes/sumidouros de DBO, ou de
outras substncias, o seu transporte ao longo do corpo de
gua e a sua reao com outras substncias. possvel,
ainda, desenvolver nveis de monitoramento especficos,
considerando que a modelagem computacional responde
mais rapidamente s variaes de concentraes dos
efluentes do que as medies analticas feitas em
laboratrios (CUNHA et al., 2003).
A aplicao de modelos matemticos, no gerenciamento de
recursos
hdricos, possibilita a determinao das alteraes provocadas
pelas
descargas nas guas dos rios, dos lagos, dos esturios e dos
oceanos. Para
construo dos modelos matemticos no estudo de autodepurao,
aplicam-
se os conceitos de balano de massa e modelos cinticos das
reaes.
Nesse caso, os corpos dgua so considerados os reatores para
efeito de
estudo, tornando possvel, dessa forma, prever a capacidade do
sistema de
receber efluente, alm de quantificar os impactos causados por
determinadas
aes.
Um dos modelos mais utilizados na anlise da qualidade da gua
que
recebe esgotamentos sanitrios domsticos o de H. S. Streeter e E.
B.
Phelps, em 1925, para o rio Ohio, que prev o dficit e a
reoxigenao de
oxignio num rio. O modelo de decaimento de oxignio de
Streeter-Phelps
correlaciona a taxa de variao do dficit de oxignio com distncia
e s
respectivas taxas espaciais de desoxigenao e reoxigenao.
Os pesquisadores Streeter e Phelps desenvolveram um modelo
em
1925, que propiciou grande impulso para o entendimento do
fenmeno de
autodepurao em guas receptoras de cargas poluentes (ANDRADE,
2012).
Verifica-se que, para avaliar a influncia de lanamento de
efluentes na
qualidade de determinado corpo hdrico, bem como propor medidas
de
controle, necessrio o uso de modelos, como o de Streeter -
Phelps, que
represente o comportamento de umas das caractersticas mais
importantes
-
55
de uma situao real, que a capacidade de autodepurao do corpo
dgua
(ANDRADE, 2012).
Em funo do comportamento do rio, aerbio ou anaerbio, podem
ser
utilizadas duas variaes dos modelos de Streeter-Phelps. Um
modelo que
simula processos totalmente aerbios, descrito no item 3.8.1 e
outro que
simula processo anaerbio, intercalando trechos aerbios quando
esses
ocorrem, descritos no item 3.8.2.
3.8.1 Modelo Aerbio de Streeter & Phelps
Os modelos de qualidade das guas de rios vm sendo utilizados
desde o desenvolvimento do modelo clssico de OD e DBO, de
Streeter &
Phelps, em 1925 (VON SPERLING, 2007). Segundo (TUCCI, 1998
apud
OPPA, 2007), esse modelo considera o escoamento permanente
uniforme e
simula os parmetros DBO e OD. O modelo Streeter-Phelps foi o
pioneiro
para os modelos atuais, estando esses, em crescente
aperfeioamento.
O modelo de Sreeter & Phelps segue algumas condicionantes
para ser
aplicado, como:
condies estacionrias: condies so permanentemente as
mesmas, e no simulando eventos transientes ou que variem
com o tempo.
caractersticas uniformes do trecho simulado: havendo
mudana na(s) caracterstica(s) do rio - declividade,
velocidade, profundidade e outras -, assim como entrada ou
sada de vazes descargas, tributrios, captaes de
importncia -, o trecho dever ser subdividido em sub-trechos,
buscando a uniformidade dessa subdiviso.
A hiptese bsica no modelo Streeter & Phelps que o processo
de
decomposio da matria orgnica no meio aqutico segue uma reao
de
primeira ordem. Assim, nesse tipo de reao, a taxa de reduo da
matria
-
56
orgnica proporcional concentrao de matria orgnica presente em
um
dado instante de tempo (BRAGA et al., 2005).
A equao descrita da seguinte forma:
tk
t eLDBO.1
0 .
Onde:
DBOt a quantidade de oxignio dissolvido consumido desde o
instante inicial at o Instante t;
L0 a DBO imediata aps o ponto de lanamento, ou seja, a
quantidade total de oxignio necessria para completa estabilizao
da
matria orgnica;
K1 a constante de desoxigenao que depende do tipo de
efluente;
t tempo em dias.
Para analisar o comportamento do dficit de oxignio dissolvido
a
jusante do despejo dos esgotos, utiliza-se o modelo de
Streeter-Phelps. O
equacionamento de Streeter & Phelps, para o clculo da
concentrao de
OD, combina os processos de reaerao e desoxigenao pelo
decaimento
da matria orgnica, conforme as equaes abaixo resumidas,
sabendo-se
que:
tst DCC
Tem-se a concentrao de OD em um instante de tempo t:
tk
s
tktk
st eCCeeKK
LKCC 221 ).().(
.0
..
12
01
Onde:
Ct dficit de oxignio dissolvido (mg.L-1
);
-
57
C0 concentrao inicial de oxignio, logo aps a mistura (mg.L-1
);
Cs concentrao de saturao de oxignio (mg.L-1
), vide Tabela 9;
K1 Coeficiente da taxa de desoxigenao (dia-1
);
K2 Coeficiente da taxa de reaerao (dia-1
);
L0 Concentrao de determinado poluente, no corpo receptor, aps
a
mistura com o despejo;
Dt Dficit inicial de oxignio dissolvido no ponto de mistura
(mg.L-1
).
Para anlise do processo de autodepurao, os dados foram
adequados em uma planilha eletrnica de modelo de simulao da
qualidade
da gua, o QUAL-UFMG, criado em 2007 por Marcos Von Sperling.
O
programa em Microsoft Office Excel QUAL-UFMG, desenvolvido
em
planilhas, tem como objetivo possibilitar a modelagem de rios
por meio da
utilizao de um modelo baseado no QUAL2-E, desenvolvido pela
US
Envionmental Protection Agency (USEPA). Todas essas planilhas
eletrnicas
foram embasadas no Modelo de Streeter & Phelps.
O QUAL-UFMG permite a modelagem dos seguintes constituintes
ao
longo do rio: demanda bioqumica de oxignio, oxignio dissolvido,
nitrognio
total e suas fraes (orgnico, amoniacal, nitrito e nitrato),
fsforo total e suas
fraes (orgnico e inorgnico), coliformes termotolerantes ou E.
coli.
Equao de Streeter - Phelps:
tk
a
tktk
t DLkk
kD a 221 10)1010(
..
12
1
Dt: dficit de oxignio dissolvido, em relao saturao, nos
diversos
instantes t, em mg/L;
k1: coeficiente de desoxigenao, em d-1
;
k2: coeficiente de reaerao, em d-1
;
La: DBO total de 1 estgio das guas do rio, imediatamente aps
a
mistura com os esgotos, em mg/L;
-
58
Da: dficit inicial de oxignio dissolvido, isto , dficit de
oxignio no
ponto de lanamento dos esgotos, em relao saturao, em mg/L;
t: tempo, em dias.
Clculo de La:
EsgotoRio
EsgotoEsgotoRioRio
QQ
xDBOQxDBOQLa
QRio: vazo do rio imediatamente montante do lanamento dos
esgotos;
DBORio: DBO total de 1 estgio das guas do rio, imediatamente
montante da mistura com os esgotos;
QEsgoto: Vazo de esgotos;
DBOEsgoto: DBO total de 1 estgio dos esgotos.
Clculo de Da:
MISTSATa ODODD
Da: dficit inicial de oxignio dissolvido nas guas do rio;
ODSAT: concentrao de oxignio dissolvido de saturao;
ODMIST: concentrao de oxignio dissolvido nas guas do rio,
imediatamente aps a mistura com os esgotos.
EsgotoRio
EsgotoEsgotoRioRio
MISTQQ
xODQxODQOD
QRio: vazo do rio imediatamente montante do lanamento dos
esgotos;
-
59
ODRio: concentrao de oxignio dissolvido nas guas do rio,
imediatamente montante da mistura com os esgotos;
QEsgoto: vazo de esgotos;
ODEsgoto: concentrao de oxignio dissolvido nos esgotos.
Coordenadas do Ponto Crtico:
Tempo Crtico:
Tempo onde ocorre a concentrao mnima de oxignio dissolvido
(concentrao crtica) no corpo dgua em estudo, ou seja, o dficit
de
oxignio mximo. Baseado na concentrao crtica que se determina
o
tratamento ou no dos esgotos:
da
da
dd
cKL
kkD
k
k
kkt
.1log
1 22
2
tc: tempo de percurso at o ponto crtico, em dias;
k1: coeficiente de desoxigenao, em d-1
;
kd: coeficiente de remoo efetiva da matria orgnica, em d-1
;
La: DBO total de 1 estgio das guas do rio, imediatamente aps
a
mistura com os esgotos, em mg/L;
Da: dficit inicial de oxignio dissolvido, isto , dficit de
oxignio no
ponto de lanamento dos esgotos, em relao saturao, em mg/L.
As relaes de (La/Da) e (K2/Kd) trazem as seguintes
interpretaes:
La/Da > K2/Kd - o tempo crtico positivo. Haver uma queda de
OD a
partir do ponto de lanamento, com dficit crtico superior ao
inicial;
La/Da = K2/Kd - o tempo crtico igual a zero. Ocorre no exato
local do
lanamento. O dficit inicial igual ao dficit crtico. O curso
dgua
apresenta uma boa capacidade de regenerao, no vindo a sofrer
queda
nos nveis de OD;
-
60
La/Da < K2/Kd - o tempo crtico negativo. Desde o lanamento,
a
concentrao de OD tende a se elevar. O dficit inicial maior que
o
observado. O curso dgua apresenta uma capacidade de
autodepurao
maior que a de degenerao dos esgotos.
Dficit Crtico:
Antes do tempo crtico, a taxa de desoxigenao maior do que a
de
reaerao, ocorrendo o inverso aps o tc. No tempo crtico, ambas as
taxas
de reao so iguais.
Trecho onde ocorre a menor concentrao de oxignio dissolvido
no
corpo dgua em estudo. Em funo do tempo crtico, DBO total de 1
estgio
e coeficientes de oxigenao e desoxigenao:
ctk
ac Lk
kD
.
2
1 110.
Dc: dficit crtico de oxignio dissolvido nas guas do rio, em
mg/L;
tc: tempo de percurso at o ponto crtico, em dias;
k1: coeficiente de desoxigenao, em d-1
;
k2: coeficiente de reaerao, em d-1
;
La: DBO total de 1 estgio das guas do rio, imediatamente aps
a
mistura com os esgotos, em mg/L.
Os resultados do tempo crtico podem ser negativos ou maiores que
a
extenso do trecho estudado. A concentrao crtica de OD pode
ser
negativa. Essas so situaes que no tm sentido fsico. Por essa
razo, na
prtica, costuma ser mais simples o clculo dos valores de OD ao
longo de
todo percurso estudado, compondo o perfil de OD.
-
61
Equaes Auxiliares:
DBO remanescente no tempo t:
tk
t LL.
0110.
Lt: DBO remanescente aps t dias, em mg/L;
L0: DBO total de 1o estgio, em mg/L;
k1: coeficiente de desoxigenao, em d-1
;
t: tempo, em dias.
tkLy .0 1101.
y: DBO removida aps t dias, em mg/L
TABELA 5
Concentrao de saturao de oxignio (Cs) (mg/l)
Temperatura(C) 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 9,5 8,9
14 10,4 9,8 9,3 8,7
15 10,2 9,7 9,1 8,6
16 10 9,5 8,9 8,4
17 9,7 9,2 8,7 8,2
18 9,5 9 8,5 8
19 9,4 8,9 8,4 7,9
20 9,2 8,7 8,2 7,7
-
62
21 9 8,5 8 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 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 6,6
30 7,6 7,2 6,8 6,4
Fonte: Estudo e modelagem da qualidade da gua (VON SPERLIG,
2007)
Uma vez que uma grande parcela do rio se encontra em estado
de
anaerobiose, o modelo de depurao de Streeter-Phelps, que
fundamenta
suas equaes nos processos biolgicos aerbios, no vlido. Nessa
situao, h uma maior demanda de oxignio dissolvido pelas bactrias
que
utilizam esse OD para oxidar (consumir) a matria orgnica. Diante
desse
cenrio hostil, haver morte dessas bactrias e crescimento de
seres mais
adaptados a esse ambiente. As bactrias anaerbias, nessa
situao,
passam a consumir a matria orgnica dos corpos dgua, embora
esse
consumo ocorra em taxas muito reduzidas em relao aos
processos
aerbios. Logo, um novo mtodo de modelagem deve ser aplicado, j
que o
mtodo padro simula somente condies aerbias.
-
63
3.8.2 Modelo Anaerbio de Streeter & Phelps
Esse processo de modelagem se d em vrias etapas a se c
![AGREGAÇÃO DE UMA ABORDAGEM “WIN-WIN” À ...helcio/Agregacao.pdfii VIEIRA JUNIOR, HÉLCIO Agregação de uma Abordagem “WIN-WIN” à Modelagem Multi-Objetivo [Rio de Janeiro]](https://img.document.onl/doc/110x75/5e9aaa3a6d02cb56d50667bf/agregafo-de-uma-abordagem-aoewin-wina-helcio-ii-vieira-junior-hlcio.jpg)
