Estágio realizado na DuritCast e orientado pelo Eng. António Esteves / Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

This dissertation presents the experimental determination of the two most important coefficients in modeling of dissolved oxygen in water bodies: the reaeration-rate coefficient K2 and the deoxygenation coefficient K1. The deoxygenation coefficient was determined in three representative sections of the considered basin: the first with urban characteristics, the second mixed and the third rural characteristics. Three experiments were conducted, featuring different flows in the Vacacaí Mirim River. K1 was determined by constructing the oxygen depletion versus time curve, in a 20 days period. K1 ranged from 0.15 day-1 to 0.27 day-1. An increase in K1 value was observed due to flow increment, in mixed and rural characteristics areas, reflecting the major contribution of diffuse organic load in those areas. It was not possible to observe a significant variation of flow in the urban feature section, due to damping of the flow by the upstream reservoir. This section is considered to present a decrease in the K1 value as liquid discharge increases, since it is noticeable the sewage contribution. The reaeration-rate coefficient was determined using inert tracer technique, applying propane as gas tracer and Rhodamine WT as dye tracer. Two experiments were conducted in two reaches, both in the highest urbanization areas of the Vacacaí Mirim basin. In the first experiment, K2 value was 30.30 day-1 for the first reach, and 24.77 day-1 for the second. In the second test, K2 obtained was 14.91 day-1 and 12.73 day-1, respectively. An approach was made about alternative methods for experimental determination of the reaeration-rate coefficient and the predictive equations of K2. The results obtained in tests were compared with those predicted by the most important equations in literature. The predictive equations presented large discrepancy between them, and the latest formulas, derived from K2 measurements obtained by the gas tracer methods, presented the lowest variation, ranging from -32.95% to 14.51%. Based on results, an equation was proposed to estimate K2 restricted to the studied sites, adapting from the equations of Melching and Flores. / Esta dissertação apresenta a determinação experimental dos dois coeficientes mais importantes na modelagem do oxigênio dissolvido em corpos d‟água: o coeficiente de reaeração superficial K2, e o coeficiente de desoxigenação K1. O coeficiente de desoxigenação foi determinado em três seções representativas da bacia em estudo, sendo uma com característica urbana, uma mista e uma rural. Três experimentos foram conduzidos, caracterizando diferentes vazões no rio Vacacaí Mirim. O coeficiente K1 foi determinado por meio da construção da curva de decaimento de oxigênio versus tempo, num período total de 20 dias. Os valores de K1 variaram de 0,15 dia-1 a 0,27 dia-1. Observou-se um aumento de K1 com o aumento da vazão, nas seções de característica mista e rural, evidenciando a maior contribuição da carga orgânica de maneira difusa nessas áreas. Não foi possível observar uma variação de vazão significativa na seção de característica urbana, devido ao amortecimento do escoamento pelo reservatório situado a montante da seção. Nesta seção, possivelmente, um aumento na descarga líquida acarreta uma diminuição no valor do coeficiente de desoxigenação, já que é visível a contribuição pontual de esgoto doméstico. O coeficiente de reaeração superficial foi determinado utilizando a metodologia dos traçadores inertes, com o emprego de propano como traçador gasoso e Rodamina WT como traçador de referência. Dois experimentos foram conduzidos em dois trechos, na região de maior urbanização da bacia hidrográfica do rio Vacacaí Mirim. No primeiro experimento, o valor de K2 foi de 30,30 dia-1, para o primeiro trecho, e 24,77 dia-1, para o segundo. No segundo ensaio, o K2 obtido foi de 14,91 dia-1 e 12,73 dia-1, respectivamente. Aborda-se a respeito de outras metodologias de determinação experimental do coeficiente de reaeração, bem como sobre as equações de estimativa de K2. O valor obtido nos ensaios foi comparado com aqueles previstos pelas principais equações presentes na literatura. O valor estimado pelas equações apresentou grande discrepância entre as mesmas, sendo que as equações mais recentes, propostas a partir da regressão de dados de K2 obtidos pela própria metodologia dos traçadores inertes, apresentaram as menores variações, entre -32,95% e 14,51%. Baseado nos resultados propôs-se uma equação para estimativa de K2 exclusiva para os trechos estudados, adaptada a partir das equações de Melching e Flores.

A reoxigenação de água residuária é tratada na literatura técnica de maneira análoga à reoxigenação na água limpa; os efeitos do consumo de oxigênio pela população bacteriana ativa são quantificados pela introdução dos parâmetros alfa e beta. Alfa corrige o coeficiente volumétrico de transferência de massa do oxigênio e beta corrige a concentração de saturação do oxigênio dissolvido na água. Com o presente estudo pretende-se tornar explícitos os parâmetros cinéticos envolvidos no processo, de modo a fornecer base conceitual para um melhor entendimento do fenômeno. A pesquisa é feita a partir de trabalho experimental, seguido de modelagem matemática conceitual. No entanto, no lugar dos microrganismos como sumidouro de oxigênio dissolvido foi utilizado o borbulhamento sub-superficial de gás nitrogênio, em processo de stripping. Um processo físico, portanto, substitui o processo bioquímico no papel de retirar o oxigênio dissolvido no seio líquido. O modelo matemático proposto ajustou-se bem aos dados experimentais, sendo que a sua validação pôde ser obtida através das análises estatísticas realizadas. / The reoxygenation in wastewater is seen in the technical literature in an analogous way as the reoxygenation of clean water. The effects of the oxygen consumed by active bacteria population are quantified with the introduction of the parameters alpha and beta. Alpha corrects for the volumetric mass transfer coefficient and beta corrects for the dissolved oxygen saturation concentration. The present research intends to make explicit the kinetic of the process, in order to supply conceptual support to a better understanding of the phenomenon. The research is done through experimental work, followed by conceptual, mathematical modeling. Stripping with nitrogen is used as an oxygen sink instead of microorganisms. Thus, a physical process replaces the biochemical process. The proposed mathematical model fitted well to the experimental data, and its validation could be obtained through the statistical analyses done.

A reoxigenação de água residuária é tratada na literatura técnica de maneira análoga à reoxigenação na água limpa; os efeitos do consumo de oxigênio pela população bacteriana ativa são quantificados pela introdução dos parâmetros alfa e beta. Alfa corrige o coeficiente volumétrico de transferência de massa do oxigênio e beta corrige a concentração de saturação do oxigênio dissolvido na água. Com o presente estudo pretende-se tornar explícitos os parâmetros cinéticos envolvidos no processo, de modo a fornecer base conceitual para um melhor entendimento do fenômeno. A pesquisa é feita a partir de trabalho experimental, seguido de modelagem matemática conceitual. No entanto, no lugar dos microrganismos como sumidouro de oxigênio dissolvido foi utilizado o borbulhamento sub-superficial de gás nitrogênio, em processo de stripping. Um processo físico, portanto, substitui o processo bioquímico no papel de retirar o oxigênio dissolvido no seio líquido. O modelo matemático proposto ajustou-se bem aos dados experimentais, sendo que a sua validação pôde ser obtida através das análises estatísticas realizadas. / The reoxygenation in wastewater is seen in the technical literature in an analogous way as the reoxygenation of clean water. The effects of the oxygen consumed by active bacteria population are quantified with the introduction of the parameters alpha and beta. Alpha corrects for the volumetric mass transfer coefficient and beta corrects for the dissolved oxygen saturation concentration. The present research intends to make explicit the kinetic of the process, in order to supply conceptual support to a better understanding of the phenomenon. The research is done through experimental work, followed by conceptual, mathematical modeling. Stripping with nitrogen is used as an oxygen sink instead of microorganisms. Thus, a physical process replaces the biochemical process. The proposed mathematical model fitted well to the experimental data, and its validation could be obtained through the statistical analyses done.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:23:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 757861 bytes, checksum: d287878573ebdc6c53d8f72b51ac84bd (MD5) Previous issue date: 2006-03-13 / With the condensation increase of the urban population and of the exploration of farming and industry in the region of Dove River, the pollutant charges were increased in the water route of the region. The contamination of the water by several resources, such as domestic emanation and industries and, the diffuse urban and farming charge in the Dove River, mainly in the passage in studying, that is, from the nascent (Santa Bárbara of Tugúrio district), passing through Mercês, up to the city of Dove River, has been target of preoccupation. To characterize the environmental conditions and the water qualities, in this work was determined the water quality Index (WQI) and it was quantified the coefficients of deoxygenation (K1) and the reaeration (K2), in this passage of the river. The samples of water to determine the WQI were colected the amount of the sanitarium exhaustion points of the mentioned cities, this index has been calculated using the method adapted by Miner Institute of Water Management (IGAM). The variable selected to the calculation of WQI were tolerant-fire coliform, pH, variation of temperature between the point of mixture and the one point the amount of the point of the mixture, turbidity, total solids, biochemistry oxygen demand (BOD), nitrate, phosphate e melted oxygen. The samples of water to determine the values of K1 e K2 were collected the ebb tide from the points of the cities sanitary exhaustion. The values of K1 were obtained using the method of quantification of the oxygen consume in samples kept to 20°C, with posterior adjust of the mathematics equation to the data of BOD discharged in function of the time. The values of K2 were obtained replacing the data (water temperature, local altitude, concentration of oxygen melted in the point of the mixture, BOD5d-20oC, water velocity, value of K1, traveled distance and the concentration of melted oxygen (MO) in the final of the passage) in the equation of Streeter-Phelps. Estimate equations of values of K2, as function of the velocity and the water depth in the river, they were adjusted for each passage of the studied river. The WQI obtained to the dry period were classified as good , medium and bad , respectively to the passages, nascent up to Santa Bárbara of Tugúrio, from this to Mercês and then to the city of Dove River. In the rainy period, the index was classified as good , medium e bad , to the same passages. The variables that interfered more to the decrease of the QWI value and that damage the classification of the water, according to Resolution # 357/2005 of the CONAMA, were counting of tolerant-fire coliform and turbidity. The obtained values of K1 were from 0,13 to 0,24 d-1 and the values of K2 from 0,40 to 1,90 d-1. The profile of melted oxygen concentration (MO) during the route indicated that, even in the more critical point, the concentration of MO was bigger than the established in the resolution # 357/2005 of the CONAMA, for course of water class 2. In the rainy period, there were carrying of soil and organic waste, increasing the turbidity and the counting of tolerant-fire coliform, worsen the waters quality. The coefficient K1 was low, in all the passages, denoting that the organic material present in these waters is of low biodegradability. The coefficient of reaeration (K2) was bigger in the route of bigger turbulence and environment of mountainous relief, that is, closer to the headboard of the Dove River. / Com o crescimento da população em áreas urbanas urbanas e da exploração agropecuária e industrial na região do Rio Pomba, foram aumentadas as cargas poluidoras nos cursos d'água da região. A contaminação das águas por diversas fontes, tais como efluentes domésticos e industriais e, a carga difusa urbana e agrícola no Rio Pomba, principalmente no trecho em estudo, ou seja, da nascente (Município de Santa Bárbara do Tugúrio), passando por Mercês, até a cidade de Rio Pomba, tem sido alvo de preocupação. Para caracterizar as condições ambientais e a qualidade das águas na região, neste trabalho determinouse o Índice de Qualidade da Água (IQA) e quantificou-se os coeficientes de desoxigenação (K1) e de reaeração (K2), nesse trecho do rio. As amostras de água para determinação do IQA foram coletadas a montante dos pontos de esgotamentos sanitários das citadas cidades, sendo este índice calculado utilizando-se o método adaptado pelo Instituto Mineiro de Gestão das Águas (IGAM). As variáveis selecionadas para o cálculo do IQA foram coliformes termotolerantes, pH, variação de temperatura entre o ponto de mistura e um ponto a montante do ponto de mistura, turbidez, sólidos totais, demanda bioquímica de oxigênio (DBO), nitrato, fosfato e oxigênio dissolvido. As amostras de água para determinação dos valores de K1 e K2 foram coletadas a jusante dos pontos de esgotamentos sanitários das cidades. Os valores de K1 foram obtidos utilizando-se o método de quantificação do consumo de oxigênio em amostras mantidas a 20°C, com posterior ajuste da equação matemática aos dados de DBO exercida em função do tempo. Os valores de K2 foram obtidos substituindo-se os dados (temperatura da água, altitude local, concentração de oxigênio dissolvido no ponto de mistura, DBO5d-20ºC, velocidade da água, valor de K1, distância percorrida e a concentração de oxigênio dissolvido (OD) no final do trecho) na equação de Streeter-Phelps. Equações de estimativa dos valores de K2, como função da velocidade e profundidade de água no rio, foram ajustadas para cada trecho do rio estudado. O IQA obtido para o período seco foi classificado como BOM, MÉDIO e MÉDIO, respectivamente para os trechos, nascente até Santa Bárbara do Tugúrio, desta a Mercês e daí até a cidade de Rio Pomba. Já no período chuvoso, o índice foi classificado como BOM, MÉDIO e RUIM, para os mesmos trechos. As variáveis que mais interferiram para abaixamento do valor do IQA e que prejudicaram a classificação das águas, segundo Resolução Nº 357/2005 do CONAMA, foram contagem de coliformes termotolerantes e turbidez. Os valores obtidos de K1 foram de 0,13 a 0,24 d-1 e os valores de K2 de 0,40 a 1,90 d-1. O perfil de concentração de OD ao longo do percurso indicou que, mesmo no ponto mais crítico, a concentração desse gás foi maior que a estabelecida na Resolução Nº 357/2005 do CONAMA, para cursos d'água classe 2. No período chuvoso, houve carreamento de solo e resíduos orgânicos, aumentando a turbidez e a contagem de coliformes termotolerantes, piorando a qualidade das águas. O coeficiente K1 esteve baixo, em todos os trechos, indicando relativamente, baixa taxa de consumo de oxigênio nessas águas. O coeficiente de reaeração K2 foi maior no trecho de maior turbulência e ambiente de relevo montanhoso, ou seja, mais próximo às cabeceiras do Rio Pomba.