DRENAGEM URBANA E CONTROLO DA POLUIÇÃO · EUTROFIZAÇÃO 5.1 – Mecanismos básicos de eutrofização 5.2 – Significado do rácio N/P 3 DUCP, Setembro 2012 Programa sumário

DRENAGEM URBANA E

CONTROLO DA POLUIÇÃO Docente:

Prof. António Jorge Monteiro

[email protected]

DRENAGEM URBANA E CONTROLO DA POLUIÇÃO

Objectivos Principais da disciplina:

Controlo da poluição

Dominar os conceitos das principais grandezas físicas utilizadas na caracterização da qualidade da água;

As origens e tipos de poluição e os seus efeitos;

Quadro institucional, legal e normativo;

Modelar o oxigénio dissolvido em meios hídricos e os processos de poluição bacteriológica;

Caracterizar os diferentes tipos de meios hídricos (rios, estuários e lagos).

Conceber e dimensionar emissários submarinos e difusores.

Drenagem Urbana

Conceber e dimensionar infra-estruturas de drenagem urbana pluvial, unitárias e pseudo-separativas;

Bacias de Amortecimento;

Soluções de Controlo na Origem.

2 DUCP, Setembro 2012

DRENAGEM URBANA E CONTROLO DA POLUIÇÃO 1.INTRODUÇÃO

1.1 – Engenharia e qualidade da água

1.2 – Grandezas fundamentais

1.3 – Conceito de carga poluente admissível

2. RIOS E CURSOS DE ÁGUA

2.1 – Balanço de massa na zona da descarga

2.2 – Evolução de substâncias conservativas a jusante da descarga

2.3 – Evolução de substâncias com reacção de 1ª ordem

3.BALANÇO DE OXIGÉNIO DISSOLVIDO EM CURSOS DE ÁGUA

3.1 – Conceitos

3.2 - Carência de oxigénio

3.3 - Rearejamento das massas de água

3.4 - Respiração e fotossíntese

3.5 - Modelos matemáticos. Formulação de Streeter-Phelps

4.A ÁGUA COMO RECURSO NATURAL

4.1 -Caracterização físico-química

4.2 - Caracterização biológica

4.3 -Noções de biologia aquática

4.3.1 - Estrutura trófica

4.3.2 - Nos cursos de água

4.3.3 - Nos lagos e albufeiras

5. EUTROFIZAÇÃO

5.1 – Mecanismos básicos de eutrofização

5.2 – Significado do rácio N/P


Programa sumário da

disciplina (Slide 1#3):


6. ASPECTOS INSTITUCIONAIS E LEGAIS.

6.1 - Quadro normativo da qualidade da água

7. INDICADORES BACTERIOLÓGICOS, ORGANISMOS PATOGÉNICOS E VÍRUS

7.1 - Fontes de Microorganismos

7.2 - Decaimento de Microrganismos

7.3 - Comportamento nos diversos meios receptores

8. EMISSÁRIOS SUBMARINOS

8.1 – Introdução

8.2 - Campo próximo e campo afastado

8.3 - Diluição inicial (campo próximo)

8.3.1 - Jactos e plumas

8.3.2 - Efeitos da estratificação do meio receptor

8.4 - Dispersão da mancha poluente no campo afastado





9. INTRODUÇÃO À DRENAGEM URBANA

9.1 Tipos de sistemas de drenagem urbanos: vantagens e inconvenientes

9.2 Componentes dos sistemas

10.SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS

10.1 Aspectos quantitativos e qualitativos e principais preocupações

10.2 Concepção e constituição dos sistemas

10.3 Implantação do sistema: traçado da rede de drenagem pluvial e definição de bacias e sub-bacias

10.4 Cálculo de caudais pluviais

10.5 Dimensionamento hidráulico de colectores: critérios de projecto e procedimento de cálculo

10.6 Dispositivos interceptores

10.7 Bacias de retenção

10.8 Câmaras drenantes

11. MODELAÇAO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO

11.1 Introdução

11.2 Etapas do processo de modelação

11.3 Princípios de modelação matemática do comportamento de sistemas de drenagem

11.4 Caracterização sumária de modelos existentes

11.5 Construção do modelo: dados necessários e resultados obtidos

12. BENEFICIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM UNITÁRIOS

12.1 Considerações introdutórias

12.2 Tendências actuais na concepção e beneficiação dos sistemas unitários

12.3 Dimensionamento de estruturas de armazenamento





Metodologia de avaliação:

Exame final no fim do semestre (40%);

(Nota mínima 9,5)

Avaliação de 3 trabalhos desenvolvidos ao longo

das aulas práticas (60%).

Trabalho 1: Modelação do oxigénio dissolvido num rio;

Trabalho 2: Dimensionamento hidráulico-sanitário de um

exutor submarino

Trabalho 3: Dimensionamento de um sistema de drenagem

pluvial


QUALIDADE DA ÁGUA CONTROLO DA POLUIÇÃO

Determinar os parâmetros ambientais que podem

ser controlados e as acções que é necessário

desenvolver para obter um objectivo específico de

qualidade da água que permita manter um

desejado uso da água.

Principais Utilizações Desejáveis da água:

Abastecimento de água: público, industrial ou agrícola;

Recreativo ou de lazer: Prática balnear (contacto directo

ou indirecto); efeito estético;

Pesca: Comercial ou desportiva

Equilíbrio ecológico


PERSPECTIVA GERAL DA INTERVENÇÃO NO

CONTROLO DA QUALIDADE DA ÁGUA


Uso

Pretendido

Padrões de qualidade da

água para protecção da

saúde pública e do

equilíbrio ecológico

CONCENTRAÇÂO DO

PARÂMETRO DE

CONTROLO

Desejada vs. actual

Actuação sobre

Parâmetros de Controlo

Concentração actual

<> desejada

INPUTS

Fontes Poluidoras

(Pontuais ou difusas)

SISTEMA AQUÁTICO

(Rio, Lago, ...)

Reacções,

Transporte

MODELAÇÃO DE RIOS

Algumas

simplificações:


Assume-se homogeneidade vertical e lateral das variáveis de qualidade da água;

Ordem de grandeza da extensão até à zona de mistura completa:

descarga na margem

descarga no meio do rio

Considera-se que só existe advecção e que não há dispersão longitudinal.

Lm = 2, 6U( fps)B( ft)2

H( ft)

Lm =1,3U( fps)B( ft)2

H ( ft)

MODELAÇÃO DE RIOS

Balanço de massa

no local da

descarga:


Qu su + Qe se = Q s

ou

Qu su + W = Q s

Pela equação da continuidade tem-se

Qu + Qe = Q

Concentração a jusante da descarga, s:

s = (Qu su + Qe se ) / Q = (Qu su + W ) / Q

MODELAÇÃO DE RIOS

Substâncias conservativas:

Considera-se conservativos os constituintes que não

apresentam reduções por reacções químicas ou bioquímicas;

só sofrem diluição;


Mistura instantânea

na

confluência/descarga

MODELAÇÃO DE RIOS

Substâncias não conservativas:

Reacção de 1ª Ordem

No caso de rios como dt = dx/U tem-se:

S = S0 exp(-Kx/U) = S0 exp(-Kt*) com t*=x/U


ds

dt= -Ks

Uds

dx= -Ks

PARÂMETROS DE CARACTERIZAÇÃO DE UMA MASSA DE ÁGUA

PARAMETERS FOR WATER QUALITY CHARACTERIZATION

Características Organolépticas (Organoleptic characteristics):

Cor | color

Cheiro | smell

Sabor | taste

Características físico-químicas (Physical and Chemical characteristics)

Temperatura | temperature

Turvação |turbidity

Sólidos totais | total solids

pH

Dureza | water hardness

Oxigénio dissolvido | dissolved oxygen

Carência de Oxigénio | Oxygen demand



PARAMETERS FOR WATER QUALITY CHARACTERIZATION CARACTERÍSTICAS ORGANOLÉPTICAS (ORGANOLEPTIC CHARACTERISTICS):

Origem da Cor (color source): origem natural inorgânica, (p.ex. ferro e manganês);

natural inorganic source (eg iron and manganese) origem orgânica, (animal ou vegetal);

organic source (animal or vegetable)

origem industrial, (têxteis, pasta de papel, refinarias, indústrias químicas)

industrial sources (textiles, paper pulp, refineries, chemical industries).

Componentes da Cor (color components): Cor aparente (apparent color) - a coloração da água tal como ela

se apresenta, isto é, com as matérias em suspensão.

the color of a water sample prior to filtering;

Cor verdadeira (true color) - aquela que a água apresenta após a remoção das matérias em suspensão.

the color of a water sample after filtering 14

DUCP, Setembro 2012



O CHEIRO (smell definition, odor), pode definir-se como:

o conjunto de sensações apreendidas pelo sentido de olfacto

quando se está em presença de certas substâncias voláteis;

group of sensations perceived by the sense of smell in the presence

of volatile substances

a qualidade de cada sensação particular ou individualizada

provocada por cada uma daquelas substâncias

the quality of each particular feeling caused by each of those volatile

substances

O cheiro e o sabor são características subjectivas e,

consequentemente, difíceis de medir.

Smell and taste are subjective characteristics and therefore difficult

to measure


Características Organolépticas (Organoleptic characteristics):



Temperatura (Temperature)

Influência na:

velocidade das reacções químicas; (speed of chemical reactions)

na solubilidade dos gases; High water temperatures stress aquatic ecosystems by reducing the ability of water to hold essential dissolved gases like oxygen.

na taxa de crescimento dos microrganismos; (growth rate of microorganisms).

Turvação (Water Cloudy, turbidity)

Águas que contenham matérias em suspensão, que interferem com a passagem da luz através da água.

the cloudiness of a fluid caused by individual particles (suspended solids) that are generally invisible to the naked eye, similar to smoke in air.

Pode ser causada por matérias em suspensão de origem (caused by):

orgânica ou inorgânica;

partículas coloidais (colloidal particles) (frequente em Lagos e Albufeiras) ou sólidos de certas dimensões (rios em cheia) (or solids carried by floods)

16

DUCP, Setembro 2012




Sólidos totais (Total solids)

matéria que permanece como resíduo após evaporação de 103 a

105 ºC em 1h. (matter that remains as residue after

evaporation 103-105°C in 1h)

Os sólidos totais podem ser divididos em:

sólidos em suspensão ou filtráveis (suspended solids or filtered);

sólidos não filtráveis (non filtered solids <1μ);


Não Filtráveis




sólidos em suspensão (suspended solids) or sólidos

filtráveis (filtered solids);

usualmente o filtro é escolhido de tal forma que o diâmetro

mínimo dos sólidos em suspensão é cerca de 1 μ.

inclui os sólidos sedimentáveis que decantam após um período

de 60 min.(sedimented solids setled after a period of 60

minutes);

sólidos não sedimentáveis (non sedimented solids);

Sólidos não filtráveis (non filtered solids);

sólidos coloidais (coloidal solids), incluem as partículas, com

um diâmetro aproximado compreendido entre 1 mμ e 1μ;

sólidos dissolvidos (dissolved solids); incluem moléculas

orgânicas e inorgânicas que estão em solução na água.




Sólidos totais (cont.)

Cada uma das categorias referidas pode, ainda, ser

classificadas de acordo com a sua volatibilidade a 600 ºC

(volatibility at 600ºC). Destina-se a averiguar as parcelas

orgânica e inorgânica dos sólidos totais (useful to find the

organic and inorganic parts of the TS)

À temperatura de 600 ºC:

Sólidos Suspensos Voláteis (Volatile suspended solids); parte

orgânica dos sólidos que volatiliza;

(the organic part volatilizes)

Sólidos Suspensos Fixos (Fixed suspended solids); parte

inorgânica permanece sob a forma de cinzas.

(the inorganic part stays as ashes)




É a concentração do ião hidrogénio [H+].

pH = - log10 [H+] (0 ≤ pH ≤ 14)

Consoante os valores do pH, as águas classificam-se em:

águas ácidas, ( pH < 7 );

águas neutras, ( pH = 7 );

águas alcalinas, ( pH > 7 ).

O pH, para além de controlar a maior parte das reacções químicas na natureza, controla, também, a actividade biológica.

A actividade biológica é, na maior parte dos casos, apenas possível para valores de pH compreendidos em 6 e 8.

A acidez de uma água é principalmente devida à presença de anidrido carbónico (CO2) dissolvido;

pH is the measure of the acidity or alkalinity of a solution. It is formally a measure of the activity of dissolved hydrogen ions (H+), but for very dilute solutions, the molarity (molar concentration) of H+ may be used as a substitute with little loss of accuracy.[1] In solution, hydrogen ions occur as a number of cations including hydronium ions (H3O+).[2]

In pure water at 25 °C, the concentration of H+ equals the concentration of hydroxide ions (OH-). This is defined as "neutral" and corresponds to a pH level of 7.0. Solutions in which the concentration of H+ exceeds that of OH- have a pH value lower than 7.0 and are known as acids. Solutions in which OH- exceeds H+ have a pH value greater than 7.0 and are known as bases.

DUCP, Setembro 2012 20

pH



Saúde pública- a acidez (e a alcalinidade) de uma água

têm relativamente pouca importância.

Em termos de infra-estruturas a água ácida afecta:

a conservação de sistemas de saneamento básico

funcionamento biológico de estações de tratamento de

águas residuais.

Quando são utilizados processos de tratamento biológico há

necessidade de manter os valores do pH entre 6 a 9.

A pH range of 6.0 to 9.0 appears to provide protection for

the life of freshwater fish and bottom dwelling

invertebrates

21

pH (cont.)

DUCP, Setembro 2012



Limiting pH Values

22

Minimum Maximum Effects

3.8 10 Fisheggscouldbehatched,butdeformedyoungareoftenproduced4 10.1 Limitsforthemostresistantfishspecies

4.1 9.5 Rangetoleratedbytrout--- 4.3 Carpdieinfivedays

4.5 9 Trouteggsandlarvaedevelopnormally4.6 9.5 Limitsforperch--- 5 Limitsforsticklebackfish

5 9 Tolerablerangeformostfish--- 8.7 Upperlimitforgoodfishingwaters5.4 11.4 Fishavoidwatersbeyondtheselimits6 7.2 Optimum(best)rangeforfisheggs--- 1 MosquitolarvaearedestroyedatthispHvalues

3.3 4.7 Mosquitolarvaelivewithinthisrange7.5 8.4 Bestrangeforthegrowthofalgae3.3 4.7 Mosquitolarvaelivewithinthisrange7.5 8.4 Bestrangeforthegrowthofalgae

pH (cont.)

DUCP, Setembro 2012



The steps involved in water and wastewater treatment require specific pH levels:

In order for coagulation (a treatment process) to occur, pH and alkalinity must fall within a limited range.

Chlorination, a disinfecting process for drinking water, requires a pH range that is temperature dependent.

Synergistic effects: synergy involves the combination of two or more substances which produce effects greater than their sum.

Synergy in surface waters: runoff from agricultural, domestic, and industrial areas may contain iron, aluminium, ammonia, mercury or other elements. The pH of the water will determine the toxic effects, if any, of these substances. For example, 4 mg/l of iron would not present a toxic effect at a pH of 4.8. However, as little as 0.9 mg/l of iron at a pH of 5.5 can cause fish to die.

Synergy has special significance when considering water and wastewater treatment.

23

pH environmental Impact:

DUCP, Setembro 2012



Águas duras - exigem muita quantidade de sabão para produzir espuma ou dão origem a incrustações nas tubagens de água quente, nas panelas ou noutros equipamentos, nos quais a temperatura da água é elevada.

Deve-se à presença de catiões metálicos bivalentes principalmente cálcio (Ca2+) e magnésio (Mg2+). Estes iões metálicos bivalentes estão, em geral, associados com o anião bicarbonato (HCO3

-), sulfato (S042-), cloreto (Cl-) e nitrato (NO3

-).

Many industrial and domestic water users are concerned about the hardness of their water. Hard water requires more soap and synthetic detergents for home laundry and washing, and contributes to scaling in boilers and industrial equipment. Hardness is caused by compounds of calcium and magnesium, and by a variety of other metals.

General guidelines for classification of waters are:

0 to 60 mg/L (milligrams per liter) as calcium carbonate is classified as soft;

61 to 120 mg/L as moderately hard;

121 to 180 mg/L as hard; and more than 180 mg/L as very hard

Com o aparecimento dos detergentes o problema da dureza, no que respeita ao consumo de sabão, perdeu o seu impacto.

24

DUREZA (mg/L de CaCO3)

Water Hardness

DUCP, Setembro 2012



Problemática das incrustações

Dureza das águas naturais varia de lugar para lugar, em geral:

águas superficiais -> dureza menor; (surface waters => soft water)

águas subterrâneas -> dureza maior. (groundwaters => hard water)

É habitual distinguir-se entre:

dureza temporária (ou carbonatada); devida ao cálcio e ao magnésio que se encontram ligados aos bicarbonatos, e que são eliminados quando a água é fervida;

dureza permanente (ou não-carbonatada); devida ao cálcio e ao magnésio que se encontram associados aos sulfatos, cloretos, nitratos, etc., e que não são eliminados quando a água é fervida.

25

DUREZA (cont.)

DUCP, Setembro 2012



Todos os organismos vivos estão dependentes, de uma forma ou de outra, do oxigénio para manter a actividade metabólica que produz energia para o crescimento e para a reprodução.

Nas massas de água, a solubilidade do oxigénio depende de:

pressão atmosférica;

temperatura;

salinidade.

A baixa solubilidade do oxigénio na água limita a capacidade de auto-depuração das águas naturais e torna necessário o tratamento das águas residuais antes da sua descarga nos meios receptores (linhas de água, lagos, naturais ou artificiais, e oceanos).

Environmental Impact:

Total dissolved gas concentrations in water should not exceed 110%. Concentrations above this level can be harmful to aquatic life. Fish in waters containing excessive dissolved gases may suffer from "gas bubble disease"; however, this is a very rare occurrence.

Adequate dissolved oxygen is necessary for good water quality. Oxygen is a necessary element to all forms of life. Natural stream purification processes require adequate oxygen levels in order to provide for aerobic life forms. As dissolved oxygen levels in water drop below 5.0 mg/l, aquatic life is put under stress. The lower the concentration, the greater the stress. Oxygen levels that remain below 1-2 mg/l for a few hours can result in large fish kills.

26

Oxigénio Dissolvido (OD) (mg/L de O2)

Dissolved Oxygen (DO)

DUCP, Setembro 2012



Esta carência está relacionada com o metabolismo de utilização dos compostos orgânicos pelos organismos vivos (organismos heterotróficos).

Resulta da transformação da matéria orgânica (compostos de carbono) em CO2 e H2O e é uma reacção catalisada por organismos heterotróficos que existem com abundância nas águas residuais.

Excepto nos casos em que existem substâncias tóxicas, a fase de oxidação da matéria orgânica inicia-se quase de imediato.

Presentemente, os métodos ou testes mais utilizados para medir a matéria orgânica na água são os seguintes:

Carência bioquímica de oxigénio (CBO) | Biochemical Oxygen Demand

Carência química de oxigénio (CQO) | Chemical Oxygen Demand

Valor ao permanganato ou oxidabilidade (VP) | water, permanganate oxidability

Carbono orgânico total (COT) | Total Organic Carbon

.

27

Carência de Oxigénio (mg/L de O2)

Oxygen Demand

DUCP, Setembro 2012



Oxigénio consumido pelos microrganismos na oxidação da matéria orgânica duma determinada água em condições aeróbias

Processo de oxidação lento -> Condições de referência: CBO ao fim de cinco dias de incubação, a 20 ºC (CBO5

20 )

The BOD5 test

BOD measures the rate of oxygen uptake by micro-organisms in a sample of water at a temperature of 20°C and over an elapsed period of five days in the dark.

A carência bioquímica de oxigénio, correspondente à oxidação bioquímica total da matéria orgânica, designa-se por carência última de oxigénio (CUO ou CBOu).

.

28

CBO (BOD)

DUCP, Setembro 2012



29

CBO (BOD)

Medidor de OD numa garrafa de teste de CBO.

DUCP, Setembro 2012



30

CBO (BOD)

Respirómetro Electrolítico para a determinação da CBO

DUCP, Setembro 2012



31

CBO (BOD)

DUCP, Setembro 2012



32

CQO (Chemical Oxygen Demand)

O teste da CQO mede a quantidade de oxigénio necessária para oxidar quimicamente, em determinadas condições, a matéria orgânica presente numa água. Para este efeito, o oxigénio equivalente à matéria orgânica é medido pela utilização de um agente oxidante químico forte como o dicromato de potássio (K2 Cr2 O7).

Dado que alguns compostos inorgânicos podem interferir com o teste, há que ter o cuidado prévio de os eliminar. Este teste é particularmente útil para medir a matéria orgânica em águas residuais industriais e domésticas que contenham compostos tóxicos para os microrganismos.

VP (Water. permanganate oxidability)

O teste do valor ao permanganato (VP) ou oxidabilidade tem objectivos semelhantes ao da CQO, mas o agente oxidante químico utilizado é o permanganato de potássio (K2 Mn O4), um oxidante menos forte do que o dicromato de potássio e, por isso, a oxidabilidade não tem tanta sensibilidade como o CQO.

COT (Total Organic Carbon)

O teste do Carbono Orgânico Total, aplica-se especialmente para águas com baixos teores de matéria orgânica, consiste na sua combustão rápida em aparelho especial e a altas temperaturas. O carbono orgânico é totalmente oxidado ou convertido em anidrido carbónico (CO2), cuja medição é feita através de um analisador de infravermelhos.

DUCP, Setembro 2012



33

Carência Bioquímica de Oxigénio Carbonatada (CBO C)

(Carbon BOD)

DUCP, Setembro 2012



34

Carência Bioquímica de Oxigénio Carbonatada (CBO C) (Carbon BOD)

Em geral, assume-se que sendo L o material que ainda falta oxidar que a

reacção é de 1ª Ordem:

y - oxigénio consumido na oxidação ao fim do tempo t é dado por:

vem

para o caso particular do CBO5 vem

dL

dt= -K1L Lt = L0e

-k1t

tt LLCBO 0

)1( 1

0

tK

t eLCBO

)1( 15

05

KeLCBO

DUCP, Setembro 2012



35

Carência Bioquímica de Oxigénio Carbonatada (CBO C) (Carbon BOD)

K1 é um parâmetro que depende do tipo de matéria orgânica e da temperatura.

O efeito da temperatura é dado aproximadamente por (Arrhenius equation)

Uma estimativa do CBO carbonatado último pode ser obtida tendo em conta que

a completa estabilização do Carbono Orgânico necessita de cerca de 2,7 mg de

oxigénio para 1 mg de carbono que é oxidado, ou seja:

C (12 mg)

O2 (32 mg)

DUCP, Setembro 2012

K1( )T

= K1( )20

1,04( )T-20

L0 » 2, 7 Corg

Taxa de Oxidação K1

(d-1)@20ºC

Sem tratamento 0,3 a 0,4

Primário/Secundário 0,1 a 0,3

Lamas activadas 0,05 a 0,1

Grau de tratamento

PRINCIPAIS COMPONENTES DA ANÁLISE DO OXIGÉNIO DISSOLVIDO PRINCIPAL COMPONENTS OF DISSOLVED OXYGEN ANALYSIS

36

FASE DE NITRIFICAÇÃO | Nitrification stage

DUCP, Setembro 2012

NH4 + 1,5 O2 -> 2H+ + H2O + NO2-

3,43 g O2 para (to) 1g N

NO2- + 0,5 O2 -> NO3

–

1,14 g O2 para (to) 1g N

Total 4,57 g O2 para (to) 1g N

Na prática (in practice) 4,2 g O2 para (to) 1g N devido ao consumo para produção de células

PRINCIPAIS COMPONENTES DA ANÁLISE DO OXIGÉNIO DISSOLVIDO PRINCIPAL COMPONENTS OF DISSOLVED OXYGEN ANALYSIS

37

Carência Bioquímica de Oxigénio Azotada | Nitrogenous BOD

DUCP, Setembro 2012

A formação de bactérias que catalisam esta reacção é da ordem de 1 dia.

Nitrifying bacterial formation is around 1 day.

LN = L0N ( 1 - exp(-KN.t) )

Se a reacção fosse completa:

if the reaction was complete:

L0N = 4,57 (N0+ Na)

MODELAÇÃO DO OD EM RIOS DO MODELLING IN RIVERS

38

DUCP, Setembro 2012


39

DUCP, Setembro 2012

Fontes OD

Sumidouros OD

Volume controlo

DO sources Control volume

DO sinks


40

BALANÇO DE MASSA GLOBAL AO OXIGÉNIO DISSOLVIDO

Global Mass Balance to DO

∨. dC/dt= + Rearejamento (reareation)

+ (Fotossíntese – Respiração) (photosybthesis – respiration)

- Oxidação CBOC, CBON (oxidation BODC, BODN)

- Oxidação CBOsedimentos (oxidation BODsediments)

+ Entrada OD afluentes (DO from tributary)

± Transporte OD para dentro ou para fora do segmento

(± OD transport in or out of the CV)

DUCP, Setembro 2012

Volume controlo

Control volume


41

REAREJAMENTO | Reareation

DUCP, Setembro 2012

Lei de Henry

Henry’s Law

∨. dC/dt= KL.A (CS-C) (1)

ou | or

dC/dt= Ka (CS-C) (2)

Ka = KLA/V = KL/H

p = He . Cs

Coef. transf. (LT-1)

Coef. rearejamento volumétrico (T-1)

mmHg mmHg/(mg/l) mg/l


42


DUCP, Setembro 2012

Se definirmos défice de OD por D = CS – C (DO deficit)

A eq. (2) fica dD/dt= - KA.D + dCS/dt

Se T=const., sal.= const., p=const. -> dCS/dt = 0

Logo dD/dt= - KA.D

Se D0 for o défice inicial D = D0 exp(-Kat) (if D0 is the initial deficit)

C= CS – (CS-C0). exp(-Kat)

com Ka = f (U,H)


43

Concentração de saturação do OD (Cs) (Saturation concentration)

DUCP, Setembro 2012

Cs

T

S

p Temperatura

temperature

Salinidade

salinity

Pressão

pressure



CS função da temperatura (APHA, 1985)

CSf – Concentração de saturação de OD para água doce em mg/l para 1 atm

(saturation concentration in fresh water in mg/l for 1 atm)

T – Temperatura em º K

T (º K) = T (º C) + 273,150

ln CSf = -139,34411+1,575701x105

T-

6,642308x107

T2+

1,243800x1010

T3-

8,621949x1011

T4



CS função da salinidade (APHA, 1985)

CSS – Concentração de saturação para água salgada em mg/l

(saturation concentration in salt water in mg/l)

S – Salinidade (ppm) | salinity

ln CSS = ln CSf - S 1, 7674x10-2 -1,0754x10

T+

2,1407x103

T2

æ

èç

ö

ø÷



CS função da pressão (APHA, 1985)

CSp – Conc. saturação OD (mg/l) à pressão P (saturation concentration at pressure P)

Cso – Conc. saturação OD (mg/l) ao nível do mar (saturation concentration at sea level)

P – Pressão (atm) | pressure

Pwv – Tensão de vapor, em atm, calculado através de: (vapor tension of water)

Ln Pwv = 11,8571 – (3840,70/T) + (216961/T2)

T - Temperatura em º K | temperature in K

= 0,000975 – (1,426 x 10-5 t) + 6,436 x 10-8 t2)

t – temperatura (º C) | temperature in ºC

Aplicando as expressões anteriores verifica-se que a:

- 1500 m de altitude -> CS = 82,5% da CS0

- 2700 m de altitude -> CS = 68% da CS0

CSp = CSO P1- Pwv / P( )éë ùû 1-qP( )

1- Pwv( ) 1-q( )

é

ëêê

ù

ûúú





dD/dt= - KA.D

Algumas expressões para estimar Ka:




Algumas expressões para estimar Ka em lagos (for lakes):

Como em algumas equações Ka tende para zero quando o H aumenta,

Hydroscience, 1971 sugere um valor mínimo para o coeficiente de

transferência:

(KL)min ≈ 2 a 3 ft/dia (0,6 a 1m/d)

e assim que se deve considerar

minminmin

LLa

K

H

KK




Efeito da temperatura no Ka (temperature effect in Ka):

Arrhenius equation (Ka)T = (Ka)20 ()T-20

com o valor de a variar entre 1,005 a 1,030. ( range)

Em geral, utiliza-se 1,024. (comon value used)




Efeito do Vento no Ka (wind effect in Ka):

efeito do vento é importante em lagos ou albufeiras e neste caso o cálculo do coeficiente

de transferência é dado por: | Wind effect is important in lakes and reservoirs:

KL = 0, 728UW

1/2 - 0,317UW + 0,0372UW

2

UW - velocidade do vento (m/s),

10 m acima do nível da água.

(wind speed, 10 m above water

level)




Efeito da Maré no Ka (tide effect in Ka):

Documents

DRENAGEM URBANA E CONTROLO DA POLUIÇÃO · EUTROFIZAÇÃO 5.1 – Mecanismos básicos de eutrofização 5.2 – Significado do rácio N/P 3 DUCP, Setembro 2012 Programa sumário