O Balanço de Oxigênio Dissolvido

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

2. O Balanço de Oxigênio Dissolvido • Fatores interagentes no balanço Repercussão mais nociva da poluição de um corpo d’água Queda nos níveis de oxigênio dissolvido O impacto é estendido a toda comunidade aquática, e cada redução nos teores de oxigênio dissolvido é seletiva para determinadas espécies.

3. O Balanço de Oxigênio Dissolvido Teor do oxigênio dissolvido tem sido utilizado para determinação do grau de poluição e da autodepuração em cursos d’água. Medição é simples, e seu teor pode ser expresso em concentrações, quantificáveis e passíveis de modelagem matemática.

4. O Balanço de Oxigênio Dissolvido Água pobre em oxigênio dissolvido, pois o mesmo apresenta baixa solubilidade. Oxigênio no ar Oxigênio na água 9 mg/l 270 mg/l • Qualquer consumo em maior quantidade traz sensíveis repercussões • No processo de autodepuração tem um balanço entre as fontes de consumo e as fontes de produção de oxigênio.

5. Reaeração atmosférica OD DBO solúvel e finamente particulada (oxidação) OD Fotossíntese Demanda bentônica OD DBO OD DBO suspensa (sedimentação) Revolvimento Lodo DBO Fenômenos interagentes no balanço de OD Nitrificação

6. Cinética da desoxigenação Efeito ecológico da poluição orgânica • Decréscimo dos teores de oxigênio dissolvido DBO Consumo de oxigênio dissolvido varia ao longo do tempo Valor de DBO em dias distintos, é diferente

7. Cinética da desoxigenação • Conceito de DBO representa: Tanto a matéria orgânica quanto o consumo de oxigênio Dois ângulos distintos: DBO remanescente: concentração de matéria orgânica remanescente na massa líquida em um dado instante. DBO exercida: oxigênio consumido para estabilizar até este instante.

8. Cinética da desoxigenação Progressão da DBO ao longo do tempo,segundo os dois conceitos: Progressão temporal da oxidação da matéria orgânica DBO exercida (oxigênio consumido) e a DBO remanescente (matéria orgânica remanescente) ao longo do tempo.

9. DBO remanescente Onde: L = DBO remanescente em um tempo t qualquer (mg/l) L0 = DBO remanescente em t = 0 (mg/l) K1 = Coeficiente de desoxigenação

10. DBO exercida Onde: y = DBO exercida em um tempo t (mg/l) L0 = DBO remanescente, em t = 0 (como definida anteriormente), ou DBO exercida (em t = ∞). Também denominada demanda última, pelo fato de representar a DBO total final da estabilização (mg/l). OBS: notar que y = L0 – L.

11. Cinética da desoxigenação • Coeficiente de desoxigenação K1 depende: • Características da matéria orgânica; • Temperatura; e da • Presença de substâncias inibidoras.

12. Cinética da desoxigenação Quadro 1- Valores Típicos de K1 (base e, 20ºC) Sperling, 2006 apud Fair et al, 1979;Arceivala, 1981

13. Influência da Temperatura Influência metabolismo microbiano Taxas de estabilização da matéria orgânica Relação entre a temperatura e a taxa de desoxigenação pode ser expressa por: K1T = K1(20) x θ(T – 20) Onde: K1T = K1 a um temperatura T qualquer (dia-1) K1(20) = K1 a um temperatura T= 20º C (dia-1) T = temperatura do líquido (ºC) θ =Coeficiente de temperatura (-), valor empregado 1,047

14. Exemplo 1 • A interpretação de análise de laboratório de uma amostra de água de um rio a jusante do lançamento de uma amostra de esgoto conduziu aos seguintes valores: • Coeficiente de desoxigenação K1= 0,25 d-1 • Demanda última L0 =100mg/l. • Calcular a DBO exercida a 1, 5 e 20 dias. Solução: Utilizando-se a equação da DBO exercida onde • Para t = 1 dia

15. Continuação • Para t = 5 dias: • Para t = 20 dias: • Observa-se que a 20 dias a DBO já está praticamente toda exercida (y20 praticamente igual a L0 ). • A relação entre a DBO5 e a demanda última L0 é: 71/100 = 0,71. Assim ao quinto dia, aproximadamente 71% da matéria orgânica total (expressa em termos de DBO) já está estabilizada.

16. Cinética da reaeração Exposição da água a um gás Intercâmbio de moléculas da fase líquida para gasosa e vice-versa Estabilidade na fase líquida atingida, Fluxos de igual magnitude Equilíbrio dinâmico Concentração de saturação (Cs)

17. Líquido deficiente de gás Sistema em equilíbrio Cinética da reaeração Consumo do oxigênio na fase líquida: Trocas gasosas em um sistema em equilíbrio e em um líquido com deficiência de gás dissolvido

18. Cinética da reaeração Quando a concentração de solubilidade na fase líquida é atingida, ambos os fluxos passam a ser de igual magnitude. Equilíbrio Dinâmico define a Concentração de Saturação (Cs) Estabilização da matéria orgânica, concentrações do oxigênio abaixo do de saturação.

19. Cinética da reaeração A taxa de absorção de oxigênio é diretamente proporcional ao déficit existente. Quanto maior for o déficit, maior a “avidez” da massa líquida pelo oxigênio, implicando em uma taxa de transferência maior.

20. Cinética da reaeração Déficit de oxigênio dissolvido Onde: D = déficit de oxigênio dissolvido, ou seja a diferença entre a concentração de saturação (Cs) e a concentração existente em um tempo qualquer, (D=Cs- C); D0 = déficit de oxigênio inicial (mg/l); t = tempo em dias; K2 = coeficiente de reaeração (base e) (dias-1)

21. Cinética da reaeração A progressão do déficit (D = Cs- C) e da concentração do OD pode ser visualizado na curva abaixo: Progressão temporal da concentração e do déficit de oxigênio • À medida que a concentração de OD se eleva devido à reaeração, o déficit diminui.

22. Cinética da reaeração Coeficiente de reaeração K2 Determinação, métodos estatísticos • Determinação por Valores médios tabulados Estudo dos corpos d’água de diversas características, valores médios de K2

23. Cinética da reaeração Quadro 2- Valores típicos de K2(base e, 20ºC)

24. Cinética da reaeração Corpos d’água mais rasos e mais velozestendem a possuir um maior coeficiente de reaeração Influência das Características Físicas no Coeficiente K2 Profundidade Elevada profundidade Baixo K2 Baixa profundidade Elevado K2 Velocidade Elevada velocidade Elevado K2 Baixa velocidade Baixo K2

25. Cinética da reaeração • Valores em função das características hidráulicas do corpo d’água. Literatura várias fórmula, relacionando K2 com a profundidade e velocidade do curso d’água. Várias técnicas de campo empregadas na elaboração dos estudos dentre elas: • Traçadores radioativos; • Distúrbios de equilíbrio; • Balanço de massa e outras.

26. Cinética da reaeração Quadro 3- Três principais fórmulas: V: velocidade do curso d’água; H: altura da lâmina d’água.

27. Influência da Temperatura Em dois diferentes estágios: • O aumento da temperatura reduz a solubilidade (concentração de saturação) do oxigênio no meio líquido; • O aumento da temperatura acelera os processos de absorção de oxigênio (aumento do K2). O efeito da temperatura no coeficiente de reaeração K2 pode ser expressa por: K2T = K2(20) x θ(T – 20)

28. Influência da Temperatura K2T = K2(20) x θ(T – 20) Onde: K2T = K2 a um temperatura T qualquer (dia-1); K2(20) = K2 a um temperatura T= 20º C (dia-1); T = temperatura do líquido (ºC); θ =Coeficiente de temperatura (-), valor empregado 1,047

29. OD (mg/l) Cs Co Do Dc Co Cc to tc Tempo (d) ou distância (km) Esgotos Curso d’água Pontos característicos da curva de depleção de OD

30. Concentração Crítica de Oxigênio “O conhecimento da concentração crítica é fundamental, pois baseado nela que se estabelece a necessidade ou não do tratamento do esgoto.” “O tratamento, quando necessário, deve ser implementado com uma eficiência na remoção de DBO suficiente para garantir que a concentração crítica de OD seja superior ao valor mínimo permitido pela legislação (padrão para lançamento em corpos d’água).”

31. Equações Representativas a) Concentração e déficit de oxigênio no rio após a mistura com o despejo: Onde: C0 =Concentração inicial de oxigênio, logo após a mistura mg/l) D0= Déficit inicial de oxigênio, logo após a mistura mg/l) Cs=Concentração de saturação de oxigênio Qr= Vazão do rio a montante do lançamento dos despejos (m3/s) Qe = Vazão de esgoto (m3/s) ODr= Concentração de oxigênio dissolvido no rio, a montante do lançamento dos despejos (mg/l) ODe = Concentração de oxigênio dissolvido no esgoto.

32. Concentração de saturação de OD (Cs) O Valor de Cs é função da temperatura da águae da altitude • Elevação da temperatura reduz a concentração de saturação • Aumento da altitude reduz a concentração da saturação ODr = é resultante das atividades da bacia hidrográfica à montante Pouco indícios de poluição adotar como 70 a 90% do valor de saturação de oxigênio (Cs)

33. Quadro 4- Concentração de saturação de oxigênio (Cs) (mg/l)

34. b) Cálculo da DBO5 e da demanda última no rio após a mistura com o despejo DBO Mistura Onde: DBO5= Concentração de DBO5, logo após a mistura (mg/l); L0 = Demanda última de oxigênio, logo após a mistura; DBOe = Concentração de DBO5, do esgoto (mg/l); KT = cte para transformação da DBO5 a DBO última DBO última da mistura

35. c) Cálculo do perfil de oxigênio dissolvido em função do tempo: d) Cálculo do tempo crítico (tempo onde ocorre a concentração mínima de oxigênio dissolvido

36. e) Cálculo do déficit crítico e da concentração crítica de oxigênio

37. f) Tempo de percurso (t) Tempo de percurso teórico que uma partícula gasta para percorrer um determinado trecho Em função: Velocidade e distância vencida Onde: t = tempo de percurso (d) d = distância percorrida (m) v = velocidade do curso d’água (m/s) 86400 = número de segundo por dia (s/d)

38. Eficiência necessária para instalação do tratamento do esgoto É verificada através da classe do rio, a qual o esgoto será despejado Classe do rio Valor mínimo de OD permissível = ODc(concentração crítica) deverá ser maior ao valor mínimo permitido pela legislação

39. Eficiência necessária para instalação do tratamento do esgoto Onde: DBO5e = DBO5 do esgoto efluente do tratamento (mg/l) DBO5a = DBO5 do esgoto afluente (mg/l) E = Eficiência do tratamento na remoção de DBO5(%)

40. Eficiência necessária para instalação do tratamento do esgoto “Usualmente é feito é atribuir-se eficiência de remoção de DBO compatíveis com os processos de tratamento existentes ou disponíveis, e recalcula-se o perfil de oxigênio.”

41. Exemplo 2 Dados de entrada – Esgoto Bruto Qe = 0,114m3/s ODe = 0,0 mg/l DBOe =341 mg/l Esgoto V = 0,35 m/s H = 1,0 m D = 50.000 m T = 1,65 d Qr = 0,710 m3/s ODr = 6,8 mg/l DBOr = 2,0 mg/l Altitude: 1000m Temperatura : 25ºC K1 = 0,48 d-1 K2 = 2,49 d-1 Cs = 7,5 mg/l Rio Classe 2 do rio ODmín = 5,0 mg/l Verificar se antes da descarga do esgoto o mesmo precisará de tratamento.

42. Solução: Determinação dos dados de saída do esgoto a) Concentração de oxigênio da mistura (C0) Altitude: 1000m Temperatura : 25ºC Quadro 4 b) Déficit de oxigênio (D0)

43. c) Concentração de DBO última da mistura (L0)

44. d) Cálculo do déficit crítico e da concentração crítica de oxigênio

45. É necessário a adoção de medidas de controle ambiental, já que ocorrem concentrações inferiores à mínima permissível (ODmin= 5,0 mg/l)

46. Exercícios – Lista 2 Estudar a Resolução 357/2005 do CONAMA (Conselho Nacional de Meio Ambiente). Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências.

48. A vida aquática Jordão, P. E & Pessoa, A. C (2005).

49. Formas de Controle da poluição por matéria orgânica • Visão regional para a bacia hidrográfica como um todo Entre as principais alternativas disponíveis, citam-se as seguintes: • Tratamento do esgoto; • Regularização da vazão d’ água; • Aeração dos esgotos tratados; • Alocação para outros usos para o curso d’água.

50. Tratamento do esgoto • Tratamento individual ou coletivo dos esgotos antes do lançamento, é usualmente a principal, e muitas vezes a única estratégia de controle. • Regularização das vazões dos curso d’água Geralmente construir uma barragem a montante para, para através da regularização aumentar a vazão mínima do curso d’água. • Aeração dos curso d’água Promover a aeração do curso d’água em algum ponto a jusante do lançamento, mantendo os valores de OD em valores superiores ao mínimo.