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Processos de Transporte em Estuários – Parte 2. Carlos Ruberto Fragoso Júnior. Sumário. Revisão Parâmetros da qualidade da água. Transporte x Qualidade de água. Tradicionalmente se ocupava basicamente da quantidade da água e não da sua qualidade. - PowerPoint PPT Presentation
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Processos de Transporte em Estuários – Parte 2
Carlos Ruberto Fragoso Júnior
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Sumário
Revisão Parâmetros da qualidade da água
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Transporte x Qualidade de água Tradicionalmente se ocupava basicamente
da quantidade da água e não da sua qualidade.
Esta ótica está bem presente em grande parte dos livros de hidrologia aplicada.
Entretanto, cada vez mais é importante incluir um conhecimento mínimo de qualidade de água
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Poluentes
Entende-se por poluição da água a alteração de suas características por quaisquer ações ou interferências sejam elas ou não provocadas pelo homem (Braga et al., 2005).
A origem da palavra poluição está relacionada à condição estética da água, que parece suja quando a poluição pode ser percebida a olho nu.
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Poluentes
Entretanto, a alteração da qualidade da água não se manifesta apenas em características estéticas.
A água aparentemente limpa pode conter micro-organismos patogênicos e substâncias tóxicas.
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Fontes de poluentes
Pontuais introduzidas por
lançamentos facilmente identificáveis e individualizados, como os despejos de esgoto de uma indústria
Difusas lançados de forma
distribuída e não é fácil identificar como são produzidos, como no caso das substâncias provenientes de áreas agrícolas, ou dos poluentes associados à drenagem pluvial urbana
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Concentração
Concentração: Aspectos fundamentais da qualidade da água são,
normalmente, apresentados em termos de concentração de substâncias na água. A concentração é expressa como a massa da substância por volume de água, em mg.l-1, ou g.m-3.
Por exemplo, ao acrescentar e dissolver 12 mg de sal em um litro de água pura, obtém-se água com uma concentração de 12 mg.l-1 de sal.
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Concentração
Concentração é a relação entre a massa de uma substância e o volume de água em que ela está diluída ou dissolvida:
lmglitro
mg
Volume
massaC /
QCmassadeFluxo __ g/s ou Kg/s
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Mistura De forma semelhante, quando são misturados volumes de água com
concentrações diferentes, a concentração final equivale a uma média ponderada das concentrações originais, o mesmo ocorrendo no caso de vazões. Assim, se um rio com vazão QR e concentração CR recebe a entrada de um afluente com vazão QA e com concentração CA. Admitindo uma rápida e completa mistura das águas, a concentração final é dada por:
AR
AARRF QQ
CQCQC
QR CRQA CA
QF CF
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Carga de poluentes
A carga ou fluxo de um poluente ou substância é dada pelo produto entre a vazão e a concentração. No exemplo anterior, o fluxo de Nitrogênio Total no rio, a jusante da entrada de esgoto é dado por:
13
.4804,25,2304,25,23
sKgs
Kg
ls
mgmCQW FFF
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Transporte de substâncias na água Num rio, lago, reservatório ou estuário o transporte de uma
substância está sujeito a processos físicos, químicos e biológicos.
Transporte ocorre pelos processos de: advecção difusão dispersão
Além disso podem ocorrer transformações como: sedimentação (substância deposita no fundo) transformação química perdas ou ganhos no contato com o meio externo (ar)
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Transporte
Advecção : Transporte com a velocidade média da água.
Difusão : Transporte que ocorreria mesmo que a água estivesse parada. Substância se espalha de regiões de mais alta concentração para regiões de mais baixa concentração.
Dispersão : Espécie de difusão que ocorre porque a velocidade da água não é sempre igual à média.
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Advecção
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Advecção
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Advecção
Substância não se espalha, apenas percorre uma distânciana mesma velocidade (média) da água
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Difusão
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Difusão
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Difusão
Substância se espalha pelo movimento aleatório das moléculasmesmo que a velocidade média seja zero.
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1a Lei de Fick - Difusão
x
CDJ
• D é um coeficiente de difusão (unidades de m2/s)• J é o fluxo de massa de C • massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração
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Dispersão
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Dispersão
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Dispersão
Substância percorre uma distância com a velocidademédia da água e além disso se espalha, porque a velocidadeda água não é sempre igual à média
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Dispersão
Velocidades diferentes e turbulência criam um efeito semelhante ao da difusão
Em rios o efeito da dispersão é mais importante do queo da difusão, embora os dois ocorram juntos e contribuam parao espalhamento.
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1a Lei de Fick - Dispersão
x
CEJ
• E é um coeficiente de dispersão (unidades de m2/s)• J é o fluxo de massa de C • massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração
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Coeficiente de dispersão longitudinal em rios
*
22
011.0Uh
BuE
ShgtocisalhamendevelocidadeU *
E: coeficiente de dispersão longitudinal (m2/s)B: largura do rio (m)h: profundidade (m)u: velocidade da água (m/s)
Chapra (1997) cap. 14
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Parâmetros de qualidade da água A qualidade da água é avaliada de acordo
com a concentração de substâncias denominados parâmetros de qualidade de água. As concentrações destes parâmetros são importantes para a caracterização da água frente aos usos a que ela se destina. Por exemplo, para ser bebida a água não pode ter uma concentração excessiva de sais.
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Parâmetros
Temperatura Salinidade Oxigênio dissolvido (OD) pH DBO (poluentes orgânicos biodegradáveis) Concentração de coliformes fecais Concentração de metais pesados (Pb, Hg) Concentração de nutrientes para algas (N, P) Turbidez Concentração de sólidos Cor e odor Concentração de Clorofila a (indicador de algas) outros
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Temperatura
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Temperatura
A temperatura da água afeta as características físicas e químicas da água.
por exemplo: solubilidade dos gases e densidade
A temperatura também afeta o comportamento dos micro-organismos.
por exemplo: velocidade com que os microorganismos degradam a matéria orgânica
O efeito de quase todos os outros poluentes depende da temperatura
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Temperatura
As principais fontes de efluentes térmicos são as usinas termo-elétricas, sejam elas nucleares ou a carvão.
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Temperatura Barragens com reservatórios profundos
também podem despejar água com temperatura alterada em relação ao rio original.
Tomada de água no fundo = água fria e sem oxigênio
água fria
água quente
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Oxigênio dissolvido
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Oxigênio Dissolvido (OD)
Oxigênio Dissolvido existe na água em concentrações que variam com a temperatura, salinidade, pressão e com a presença de poluentes
Oxigênio pode penetrar na água por difusão do ar atmosférico, através da superfície de um rio ou lago, ou através da superfície de bolhas (por exemplo num aquário ou numa cachoeira)
O oxigênio também pode ser produzido dentro da água por plantas (fotossíntese)
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OD - Concentração de saturação
Entrada de oxigênio = reoxigenação Reoxigenação tem um limite, que é a
concentração máxima de OD na água para uma dada temperatura (COD-sat).
COD-sat é maior em água fria
COD-sat é menor em água salgada
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aum
ento
de t
em
pera
tura
aumento de salinidade
baixa COD-sat
alta COD-sat
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Concentração de OD na saturação
432ODsat T
e
T
d
T
c
T
baC exp
onde T é a temperatura em graus Kelvin (T=oC+273,15) e os coeficientes são dados a seguir:
a = -139,34411 b = 1,575701 . 105
c = -6,642308 . 107
d = 1,243800 . 1010
e = -8,642308 . 1011
para água doce:
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OD
OD tem um papel fundamental na manutenção da vida aquática
valores inferiores a 3 mg/l tendem a ser prejudiciais para a maior parte dos vertebrados aquáticos.
certos peixes necessitam de concentrações de OD superiores a um determinado limite para sobreviver, ou apresentar certos tipos de comportamento
concentrações superiores a 4 mg/l normalmente não apresentam problemas para peixes (depende da espécie)
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OD para salmão, por
exemplo, a concentração ideal é
de 9 mg/l é aceitável entre 7-8
mg/l ; inferior a 3.5 mg/l tende
a ser fatal
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OD
Dourado (Salminus brasiliensis) apresenta melhor crescimento e utilização de alimento quando cultivado em altas concentrações de oxigênio dissolvido, com valores superiores a 5,04 mg/l (Raphael de Leão Serafini – dissertação de mestrado UFSC).
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Poluentes orgânicos biodegradáveis
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Poluentes orgânicos biodegradáveis A matéria orgânica biodegradável lançada na
água é degradada por organismos decompositores
se houver Oxigênio Dissolvido na água a decomposição será feita por bactérias aeróbias, que consomem o oxigênio dissolvido
se não houver Oxigênio Dissolvido na água a decomposição será feita por bactérias anaeróbias, que produzem gases como o metano e o gás sulfídrico
Mais detalhes sobre matéria orgânica degradável depois
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Nutrientes
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Nutrientes
O excesso de nutrientes nos corpos de água pode levar ao crescimento excessivo de alguns organismos aquáticos (eutrofização).
Nutrientes mais importantes: N e P Fontes:
esgotos domésticos erosão dos solos agrícolas (especialmente onde ocorre
adubação) decomposição de matéria orgânica
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Fontes de Nutrientes
A principal fonte natural de P são as próprias rochas (presença de apatita).
Fontes artificiais importantes de P são os adubos utilizados na agricultura, e os detergentes e sabões usados em casa
Fontes de N são agricultura, esgotos domésticos e atmosfera
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Eutrofização
Eutrofização é como se chama o processo de aumento de nutrientes na água levando a um excesso de produção de algas.
Eutrofização pode ocorrer naturalmente
Eutrofização se torna mais comum pela poluição com N e P.
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Eutrofização
Eutrofização leva ao crescimento de algas; que acabam se decompondo e consumindo oxigênio
Outro problema é o surgimento de algas que produzem toxinas, como as ciano-bactérias (algas azuis)
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Turbidez
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Turbidez
Turbidez indica qualidade da água: água mais clara normalmente tem melhor qualidade
Medida no campo usando o disco de Secchi No laboratório é medida através da transmissão da
luz através do líquido colóides desviam e dispersam luz
partículas coloidais podem estar relacionadas a organismos patógenos, substâncias tóxicas (metais e pesticidas).
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Partículas Sólidas: partículas em suspensão oriundas de erosão de solos, efluentes industriais, esgoto urbano, atividades de mineração, etc.Causam turbidez ou cor inibindo a fotossíntese através do impedimento da entrada da luz, deposição de partículas na superfície das folhas e caules das plantas aquáticas. Os organismos de fundo podem ser enterrados devido a deposição de partículas ou sofrerem adsorção na superfície.
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Medição de turbidez com disco de Secchi
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pH
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pH
O que é o pH? É uma forma de medir concentração de H+
usa escala logaritmica pH = 7 significa [H+] = 10-7 mol H+/L
pH em condições naturais pode ser: Ácido
em regiões com florestas tropicais com grande liberação de matéria orgânica (rios “Negros”)
solos de florestas em regiões temperadas (pH 4-6) gota de chuva em atmosfera limpa (pH 5-5.5)
Alcalino solos de regiões áridas (pH 8-11) solos em regiões de rochas calcárias (pH 7-9)
exemplos: rios de Bonito (MS) Oceano (pH 8-8.5)
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pH: O pH da água é neutro ou levemente alcalino ou ácido. As substâncias nela dissolvidas é que lhe vão dar a propriedade, dependendo da concentração relativa de íons de hidrogênio ou oxidrilas nela existentes.
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PH:- O potencial hidrogeniônico também é importante. A água de um rio geralmente tem pH neutro, o que significa que os íons de hidrogênio e oxidrilas estão em equilíbrio. -Adições de ácidos como sulfúrico (H2SO4), clorídrico (HCl) ou ácidos orgânicos como o cítrico, o ascórbico (vitamina C) entre outros, podem tornar a água rica em íons hidrogênio em relação à oxidrilas. -- As substâncias como soda cáustica (NaOH), amoníaco (NH4) e potassa (lavagem de máquinas industriais), ao contrário dos ácidos possuem alta concentração de oxidrilas, tornando a água alcalina. - A solubilidade de vários elementos químicos é dependente do pH, havendo desorção ou sorção de metais por exemplo de material sólido
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pH
Mais impacto antropogênico sobre o pH Chuva ácida Efluentes de mineração Efluentes, esgotos ácidos ou alcalinos
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pH
Qual é a importância do pH? o pH do meio (água) controla as reações
químicas de muitos outros poluentes exemplo 1:
baixo pH aceleara a decomposição de materiais potencialmente tóxicos
exemplo 2: alto pH pode levar a um aumento na concentração
de amônia, que é tóxica para os peixes alterações na biodiversidade
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Microorganismos
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Microorganismos
Obviamente existem inúmeros tipos de micro-organismos nas águas
Alguns podem indicar presença de efluentes de origem animal
Água com micro-organismos de origem humana é potencialmente nociva
Escherichia coli é uma bactéria presente nos sistemas digestivos de animais de sangue quente que é usada como indicativo
Coliformes fecais
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Escherichia coli A presença da E.coli em água ou
alimentos é indicativa de contaminação com fezes humanas (ou mais raramente de outros animais).
A quantidade de E.coli em cada mililitro de água é uma das principais medidas usadas no controle da higiene da água potável municipal, preparados alimentares e água de piscinas.
Testar para todos os micro-organismos potencialmente patogênicos seria muito caro.
Escherichia coli não é, normalmente, nociva, mas serve como indicativo da presença de poluição com dejetos humanos.
Th
eod
or E
sch
eric
h
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Concentração de coliformes fecais Valores medidos em
laboratório em Número Mais Provável por 100 ml, ou NMP/100ml
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Parâmetros conservativos
Parâmetros que não reagem, não alteram a sua concentração por processos físicos, químicos e biológicos, exceto a mistura.
Exemplo: sais
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Parâmetros não conservativos Reagem com o ambiente alterando a
concentração. Exemplo: DBO, temperatura, coliformes, OD
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Exemplo parâmetro conservativo
AR
AARRF QQ
CQCQC
QR CRQA CA
QF CF
distância
C
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Exemplo parâmetro não conservativo
AR
AARRF QQ
CQCQC
QR CR
QA CA
QF CF
distância
C
QF2 CF2
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Não conservativos
Reações químicas Consumo na cadeia trófica Sedimentação = deposição no fundo Trocas com a atmosfera