Autodepuração dos Cursos de Água e Curva de Depressão de Oxigênio

AUTODEPURAÇÃO DOS CURSOS DE ÁGUA CURVA DE DEPRESSÃO DE OXIGÊNIO Conceito O processo de autodepuração é responsável pela recuperação dos níveis de oxigênio dissolvido nas águas correntes e está basicamente correlacionado com a decomposição biológica que ocorre naturalmente nos cursos dáguaDUTRA 2014 Fatores que interferem no processo Temperatura Concentração de saturação do oxigênio dissolvido na água Velocidade do curso dágua Vazão Consequências do lançamento de carga orgânica em um curso dágua Curva de depressão de oxigênio Curva de depressão de oxigênio em diversas condições de autodepuração Zona não poluída Elevada biodiversidade Autodepuração Zona de Degradação Zona de Decomposição Ativa Zona de Recuperação Zona de Águas Limpas Características das zonas de autodepuração Zona de Degradação Início ponto de lançamento dos despejos Água turva cor acinzentada Precipitação de partículas lodo no leito do corpo dágua Proliferação de bactérias consumo de matéria orgânica Redução da concentração de oxigênio dissolvido Limite da 1ª zona concentração de oxigênio atinge 40 da concentração inicial Não há odor Presença de oxigênio não permita a decomposição aneróbia Autodepuração Zona de Degradação Zona de Decomposição Ativa Zona de Recuperação Zona de Águas Limpas Características das zonas de autodepuração Zona de Decomposição Ativa Início oxigênio atinge valores inferiores a 40 da concentração de saturação Água cor cinzaescura quase negra Bancos de lodos no fundo em ativa decomposição anaeróbia Desprendimento de gases mal cheirosos amônia gás sulfídrico outros Oxigênio dissolvido pode zerar ou ficar negativo Biota aeróbia é substituída por outra anaeróbia Ambiente fétido e escuro Oxigênio passa a ser reposto ar atmosférico ou fotossíntese População de bactérias decresce Água começa a ficar mais clara ainda impróprio p os peixes Fim da 2ª zona oxigênio elevarse a 40 da conc de saturação Autodepuração Zona de Degradação Zona de Decomposição Ativa Zona de Recuperação Zona de Águas Limpas Características das zonas de autodepuração Zona de Recuperação Início 40 de oxigênio de saturação Término água saturada de oxigênio Água mais clara e límpida Proliferação de algas que reoxigenam o meio Amônia oxidada a nitritos e nitratos fosfatos fertilizam o meio favorecendo a proliferação de algas Cor esverdeada intensa alimento p crustáceos larvas de insetos vermes outros que servem de alimentos p os peixes Diversificação da biocenose Autodepuração Zona de Degradação Zona de Decomposição Ativa Zona de Recuperação Zona de Águas Limpas Características das zonas de autodepuração Zona de Águas Limpas Água características diferentes das águas poluídas Água encontrase eutrófica Não é limpa devido a presença das algas cor verde Água recuperouse melhorou suas capacidade de produzir alimento protéico piorou no quesito de potabilidade Péssimo aspecto estético Grande assoreamento nas margens Invasão de plantas aquáticas indesejáveis Cálculo do perfil de oxigênio Modelo de StreeterPhelps para autodepuração de um rio Vazão do rio a montante do lançamento Qr Vazão de esgotos Qe Oxigênio dissolvido no rio a montante do lançamento ODr Oxigênio dissolvido no esgoto ODe DBO5 no rio a montante do lançamento DBOr DBO5 do esgoto DBOe Coeficiente de desoxigenação K1 Coeficiente de reareação K2 Tempo de percurso t Velocidade de percurso do rio V Concentração de saturação de OD Cs Oxigênio dissolvido mínimo permissível ODmin Vazão do rio a montante do lançamento Qr Qr geralmente dado Parâmetro de projeto A vazão Q usada é a conhecida vazão ecológica também chamada de Q710 com sete dias consecutivas e período de retorno de 10 anos A vazão Q710 é usada como a vazão mínima nos projetos de avaliação das cargas poluidoras Vazão do rio a montante do lançamento Qr Qr geralmente dado Parâmetro de projeto Quando for dada a descarga específica a vazão do rio fica determinada partir deste dado e da área da bacia Qr Ls descarga específica LsKm2 x área da baciaKm2 Vazão de esgotos Qe Qe Parâmetro de projeto vazão de esgotos considerada em estudos de autodepuração é usualmente a vazão média sem coeficientes para a hora e o dia de menor consumo A vazão de esgotos é obtida através dos procedimentos convencionais utilizandose dados de população contribuição per capita infiltração contribuição específica no caso de despejos industriais outros Vazão de esgotos Qe Qe Parâmetro de projeto vazão de esgotos considerada em estudos de autodepuração é usualmente a vazão média sem coeficientes para a hora e o dia de menor consumo A vazão de esgotos é obtida através dos procedimentos convencionais utilizandose dados de população contribuição per capita infiltração contribuição específica no caso de despejos industriais outros Vazão de esgotos Qe QdMéd população x QPC x R m 3d 1000 QdMéd população x QPC x R ls 86400 Em que QdMéd vazão média de esgotos m 3 dia População número de habitantes responsável pelo consumo de água hab QPC quota per capita de água consumida Lhabd que pode ser calculada ou obtida de Tabela R coeficiente de retorno esgotoágua variável de 06 a 10 Esse valor é adotado comumente como 08 Vazão de esgotos Qe Porte População hab QPC Lhabdia Povoado rural 5000 090 140 Vila 5000 a 10000 100 160 Cidade pequena 10000 50000 110 180 Cidade média 50000 250000 120 220 Cidade grande 250000 150 300 Valores típicos de consumo de água per capita Fonte von Sperling 1996 Exemplo Estimar a vazão média de esgotos em m 3 dia de uma cidade com população de 13500 habitantes Considerar o coeficiente de retorno esgotoágua 08 Oxigênio dissolvido no rio a montante do lançamento ODr Odr é um dado experimental que expressa as condições do corpo de água em termos de oxigênio dissolvido Caso não haja possibilidade de levantamento desta informação adotase o valor de 90 do correspondente ao OD de saturação para as condições de temperatura e altimetria local Odr 09 x Cs mgL Concentração de saturação de OD Cs mgL Altitude m TemperaturaoC 0 500 1000 1500 10 113 107 101 95 11 111 105 99 93 12 108 102 97 91 13 106 100 95 89 14 104 98 93 87 15 102 97 91 86 16 100 95 89 84 17 97 92 87 82 18 95 90 85 80 19 94 89 84 79 20 92 87 82 77 21 90 85 80 76 22 88 83 79 74 23 87 82 78 73 24 85 81 76 72 25 84 80 75 71 26 82 78 73 69 27 81 77 72 68 28 79 75 71 66 29 78 74 70 66 30 76 72 68 64 Fonte von Sperling 1995 Exemplos Completar a Tabela com o valor de OD mgL dos seguintes locais CidadeEstado Temperatura média anual oC Altitude m Cs mgL ODmgL GoiâniaGO 232 749 SalvadorBA 25 83 CuritibaPR 168 934 Belo HorizonteMG 21 852 Campo Grande MS 228 592 Oxigênio dissolvido no esgoto Ode Ode depende do tipo de esgoto e do nível de oxigênio presente Os teores de oxigênio dissolvido são normalmente nulos ou próximos a zero Isto se deve à grande quantidade de matéria orgânica presente implicando em um elevado consumo de oxigênio pelos microrganismos decompositores Assim adotase usualmente nos cálculos de autodepuração o OD do esgoto bruto como zero Oxigênio dissolvido no esgoto Ode Caso o esgoto seja tratado as seguintes considerações podem ser efetuadas Tratamento primário Efluentes de tratamento primário podem ser admitidos como tendo OD igual a zero Tratamento anaeróbio Efluentes de processos anaeróbios de tratamento possuem também um OD igual a zero Lodos ativados e filtros biológicos Efluentes desses sistemas sofrem uma certa aeração nos vertedores de saída dos decantadores secundários podendo o OD subir a 2 mgL ou mais Se o emissário de lançamento final for longo este oxigênio poderá vir a ser consumido face à DBO remanescente do tratamento Lagoas facultativas Efluentes de lagoas facultativas podem apresentar teores médios de OD elevados em torno de 5 a 6 mgL face à produção de oxigênio puro pelas algas DBO5 no rio a montante do lançamento DBOr DBOr é obtida a partir de levantamentos se amostra da água e determinação da concentração Na ausência de dados específicos Fonte Klein1962 apud von Sperling 1995 Condição do rio DBO5 do rio mgL Bastante limpo 1 Limpo 2 Razoavelmente Limpo 3 Duvidoso 5 Ruim 10 Valores de DBO5 em função das características do curso dágua DBO5 do esgoto DBOe DBOe é obtida a partir de levantamentos se amostra da água e determinação da concentração É um dado conhecido Na ausência de dados específicos 1 A concentração da DBO5 dos esgotos domésticos brutos tem um valor médio da ordem de 300350 mgL mgL gm3 2 Podese estimar a DBO dos esgotos domésticos através da divisão entre a carga de DBO kgDBOd e a vazão de esgotos m3d 3 Podese estimar também a DBO dos esgotos domésticos através da divisão entre per capita de DBO da ordem de 45 a 60 g DBO5 habd usualmente adota 54 DBO5 habd pela produção per capita de esgotos em torno de 120220 lhabd Concentração gm3 Carga kgDBOd 1000gkg Vazão m3d DBO5 do esgoto DBOe 4 Para efluentes tratados devese considerar a redução de DBO através da eficiência do tratamento Onde DBOefl DBO5 do esgoto do efluente do tratamento mgL DBOe DBO5 do esgoto afluentemgL E Eficiência do tratamento na remoção da DBO5 DBOefl 1 E100 x DBOe DBO5 do esgoto DBOe Sistema de tratamento Eficiência na remoção de DBO Tratamento primário 35 40 Lagoa facultativa 70 85 Lagoa anaeróbialagoa facultativa 70 90 Lagoa aerada facultativa 70 90 Lagoa aerada de mistura completalagoa de decantação 70 90 Lodos ativados convencional 85 93 Aeração prolongada 93 98 Filtro biológico baixa carga 85 93 Filtro biológico alta carga 80 90 Biodisco 85 93 Reator anaeróbio de manta de lodo 60 80 Fossa sépticafiltro anaeróbio 70 90 Infiltração lenta no solo 94 99 Infiltração rápida no solo 86 98 Infiltração subsuperficial no solo 90 98 Escoamento superficial no solo 85 95 Eficiências típicas de diversos sistemas na remoção da DBO Fonte von Sperling 1995 Exemplo Qual a DBO esgoto presente no esgoto que é lançada em um rio com as seguintes características Vazão esgoto 2500 m3dia carga orgânica 450000 Kgdia DBO esgoto Resposta180 Kg m3 O coeficiente de desoxigenação K1 depende do tipo da matéria orgânica e do grau de tratamento além da temperatura e da presença de outras substâncias Efluentes tratados por exemplo possuem uma taxa de degradação mais lenta pelo fato da maior parte da matéria orgânica mais facilmente assimilável já ter sido removida restando apenas a parcela de estabilização mais vagarosa Coeficiente de desoxigenação K1 O valor da K1 depende da temperatura e do tipo de esgoto pois exerce uma grande influência no metabolismo microbiano Valores médio de K1 a 200C encontramse apresentados na tabela ORIGEM K1 DIA1 Esgoto bruto concentrado 035 045 Esgoto bruto de baixa concentração 030 040 Efluente primário 030 040 Efluente secundário 012 024 Curso dágua com águas limpas 008 020 Fonte Sperling 2007 Coeficiente de desoxigenação K1 K1TtoC k120oC1047T20 Logo k1 a qualquer temperatura será Onde K1T a uma temperatura T qualquer d1 k120oC a uma temperatura T 20oC d1 T Temperatura do líquido oC Coeficiente de reaeração K2 O valor do coeficiente de reaeração k2 de um corpo dágua pode ser determinado por meio de métodos estatísticos A seleção do valor do coeficiente K2 tem uma maior influência nos resultados do balanço do oxigênio dissolvido do que o coeficiente K1 Existem três métodos para a obtenção de um valor para o coeficiente K2 Valores médios tabelados Valores em função das características hidráulicas do corpo dágua Valores correlacionados com a vazão do curso dágua descritos pela fórmula K2 mQn m e n coeficientes Valores médios tabelados Característicanatureza do corpo aquático Profundo k2 dia1 Raso 115 161 Corredeiras e quedas dágua 069 115 Rios rápidos 046 069 Grandes rios com velocidade normal 037 046 Grandes rios com velocidade baixa 023 037 Rios vazarosos e grandes lagos Fonte VON SPERLING 2005 Corpos dágua mais rasos e mais velozes tendem a possuir maior coeficiente de reaeração devido respectivamente à maior facilidade de mistura ao longo da profundidade e à criação de maiores turbulências na superfície Coeficiente de reaeração K₂ Coeficiente de reaeração K2 Pesquisador Fórmula Faixa de aplicação OConnor e Dobbins 1956 03mH914m 015msV049ms Churchill et al 1962 061mH335m 055msV152ms Owens et al 1964 012mH073m 003msV055ms 5 1 5 0 a H 3 93 V k 1 67 a H V 5 026 k 85 1 67 0 a H 5 32 V k Ka K2 dia1 V Velocidade média do curso dágua ms H Altura média da lâmina dágua m Fonte Chapra 1997 Valores de coeficiente K2 segundo modelos baseados em dados hidráulicos base e 20oC Coeficiente de reaeração K2 Valores correlacionados com a vazão do curso de água A relação de K2 com Q pode ser descrito pela forma K2 mQn m e n são coeficientes de ajustes Influencia da temperatura no K2 pode ser expressa pela fórmula Coeficiente de reaeração K2 K2TtoC k220oC1024T20 Onde K2T a uma temperatura T qualquer d1 k220oC a uma temperatura T 20oC d1 T Temperatura do líquido oC Caso haja cascatas naturais com quedas de água livres Coeficiente de reaeração K2 Ce C0 KCS C0 K 1 1343 H0128 CS C00093 Onde Ce Concentração de efluentes da cascata mgL C0 Concentração de afluentes da cascata mgL k Coeficiente de eficiência CS Coeficiente de saturação de OD mgL H Altura da queda livre m Tempo de percurso t Tempo que uma partícula gasta para percorrer determinado trecho do rio Utilizase a seguinte expressão d t v86400 Onde t Tempo de percurso d d Distância percorrida m v Velocidade do curso de água ms 86400 número de segundos por dia sd Pode ser estimada pelos seguintes métodos Medição direta no curso de água Obtenção de dados de estações fluviométricas Utilização de fórmulas hidráulicas para canais Correlação com a vazão Velocidade de percurso do rio V 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 Onde Cs concentração de saturação mgL Cr concentração de OD mgL no tempo t dia Cc concentração de OD mgL no pior cenário do rio Co concentração de OD mgL na mistura Tc tempo crítico dia Dc déficit de OD mgL no tempo crítico dia Do déficit de OD mgL na mistura Fonte Von Sperling 2005 Variação temporal de OD para uma única fonte de lançamento de esgotos Concentração de saturação de OD Cs mgL Altitude m TemperaturaoC 0 500 1000 1500 10 113 107 101 95 11 111 105 99 93 12 108 102 97 91 13 106 100 95 89 14 104 98 93 87 15 102 97 91 86 16 100 95 89 84 17 97 92 87 82 18 95 90 85 80 19 94 89 84 79 20 92 87 82 77 21 90 85 80 76 22 88 83 79 74 23 87 82 78 73 24 85 81 76 72 25 84 80 75 71 26 82 78 73 69 27 81 77 72 68 28 79 75 71 66 29 78 74 70 66 30 76 72 68 64 Fonte von Sperling 1995 Concentração de saturação de OD Cs mgL Uma fórmula frequentemente empregada para é Popel 1979 Cs 14652 41022x10 1 79910x10 3 T2 77774x10 5 T3 A influência da altitude pode ser computada pela seguinte relação fH CS Cs 1 H9450 Onde fH fator de correção da concentração de saturação de OD pela altitude CS concentração de saturação de OD na altitude H mgL Cs concentração de saturação de OD mgL H altitude m Oxigênio dissolvido mínimo permissível ODmin É dada em função do enquadramento dos corpos de água segundo legislação CONAMA n0 3572005 e 4302011 Classe OD minmgL Especial Não permitido lançamento 1 não inferior a 6 mgL O2 2 não inferior a 5 mgL O2 3 não inferior a 4 mgL O2 4 superior a 20 mgL O2 Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto bruto ao ser lançado no rio Concentração de OD da mistura Cm Qr x Odr Qe x Ode Cm Qr Qe D0 Déficit de Oxigênio D0 D0 Concentração de saturação de oxigênio Cm Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto bruto ao ser lançado no rio Concentração da matéria orgânica na mistura DBOm Qr x DBOr Qe x DBOe DBOm mgL Qr Qe Tempo Crítico tc em dias quando ocorre a concentração mínima de OD tc 1 K2 x K1 ln K2 K1 x 1 D0 x K2 K1 DBOm x K1 Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto bruto ao ser lançado no rio Distância Crítica dc dc tempo crítico dia x velocidade da água ms x 86400 sdia Déficit Crítico de OD Dc Dc mgl K1 K2 x DBOm x e K1 x tc Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto bruto ao ser lançado no rio Concentração crítica de oxigênio ODc ODc CS Dc Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto bruto ao ser lançado no rio O traçado do perfil de OD em função do lançamento despejo calculase pela equação OD CS K1 x DBOm K2 K1 e K1 x t e K2 x t D0 x e K2 x t Determinação do perfil de OD requerido pelo esgoto bruto ao ser lançado no rio Concentração crítica de oxigênio ODc