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Engenharia Ambiental:

Fundamentos, Sustentabilidade e Projeto 2ª Edição Autores

Autores Colaboradores

James R. Mihelcic

Martin T. Auer Michigan Technological University

University of South Florida

Julie Beth Zimmerman Yale University

David W. Hand Michigan Technological University Richard E. Honrath, Jr. Michigan Technological University Mark W. Milke University of Canterbury Michael R. Penn University of Wisconsin-Platteville Amy L. Stuart University of South Florida Noel R. Urban Michigan Technological University Brian E. Whitman Wilkes University Qiong Zhang University of South Florida

Tradução Luiz Claudio de Queiroz Faria

Tradução e Revisão Técnica Marco Aurélio dos Santos

Professor Doutor do Programa de Planejamento Energético da COPPE/UFRJ Coordenador da Área Interdisciplinar de Meio Ambiente da COPPE/UFRJ

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Os autores e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida. Não é responsabilidade da editora nem dos autores a ocorrência de eventuais perdas ou danos a pessoas ou bens que tenham origem no uso desta publicação. Apesar dos melhores esforços dos autores, dos tradutores, do editor e dos revisores, é inevitável que surjam erros no texto. Assim, são bem-vindas as comunicações de usuários sobre correções ou sugestões referentes ao conteúdo ou ao nível pedagógico que auxiliem o aprimoramento de edições futuras. Os comentários dos leitores podem ser encaminhados à LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora pelo e-mail ltc@grupogen.com.br. ENVIRONMENTAL ENGINEERING: FUNDAMENTALS, SUSTAINABILITY, DESIGN, SECOND EDITION Copyright © 2014, 2010 John Wiley & Sons, Inc. All Rights Reserved. This translation published under license with the original publisher John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 9781118741498 Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2018 by LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da editora. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ − CEP 20040-040 Tels.: 21-3543-0770 / 11-5080-0770 Fax: 21-3543-0896 ltc@grupogen.com.br www.grupogen.com.br Designer de capa: Léa Mara Imagem de capa: Dimitrios Stefanidis|iStockphoto.com Editoração Eletrônica: Alsan Serviços de Editoração Eletrônica Ltda CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ E48 2. ed. Engenharia ambiental : fundamentos, sustentabilidade e projeto / James R.  Mihelcic ... [et al.] ; tradução Luiz Claudio de Queiroz Faria, Marco Aurélio dos Santos. - 2. ed. - Rio de Janeiro : LTC, 2018. 28 cm. Tradução de: Environmental engineering: fundamentals, sustainability, design Inclui bibliografia e índice ISBN 978-85-216-3455-0 1. Engenharia ambiental.  I.  Mihelcic, James R. II. Faria, Luiz Claudio de Queiroz . II. Santos, Marco Aurélio dos. II. Título. 17-44132

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Prefácio Agora, mais do que nunca, existe uma maior sensibilização da trajetória insustentável da civilização atual. Ocorrendo de forma simultânea, numerosas proclamações e encontros internacionais foram estabelecidos, bem como esforços para avaliar o estado da arte dos negócios, de novas tecnologias, de políticas e modelos para progredir na busca do objetivo de um futuro mais sustentável. Tendo isso em mente, existe uma necessidade óbvia de continuar a gerenciar e remediar os desafios de cunho ambiental, como o enriquecimento por nutrientes das águas superficiais até a contaminação dos aquíferos subterrâneos. No cerne da questão para o atingimento desses objetivos, está o treinamento da nova geração de engenheiros, em especial dos engenheiros ambientais, de forma a ter um profundo entendimento dos fundamentos das disciplinas e, ao mesmo tempo, adquirir uma forte consciência da sustentabilidade. A reorientação do foco da engenharia ambiental é a principal motivação deste livro − proporcionar fundamentos básicos de treinamento para resolver questões ambientais, bem como um amplo conhecimento da sustentabilidade. Movemo-nos a partir dos problemas ambientais gritantes e flagrantes, que deram origem ao campo da engenharia ambiental no princípio, há mais de cinco décadas, para um sistema mais complexo e globalizante de hoje, e o campo da engenharia ambiental deve comportar e evoluir nesse sentido. Olhando para o futuro, existe uma clara necessidade de engenheiros ambientais capazes de colaborar com outras disciplinas e se comunicar amplamente com a comunidade científica, os políticos e o público em geral. A sustentabilidade apresenta várias oportunidades para os engenheiros ambientais de forma a evoluir daqueles que caracterizam, gerenciam e remedeiam os problemas ambientais existentes, e para aqueles que projetam e desenvolvem novas tecnologias para alcançar os desafios de sustentabilidade, desse modo, evitando consequências não intencionais no meio ambiente. Nessa jornada, é imperativo honrar o grande legado dessa disciplina − a criatividade, a paixão e a dedicação ao bem público − e continuar a servir no papel único de beneficiar as pessoas e o planeta, enquanto nos movemos para enfrentar os desafios emergentes e projetarmos um futuro sustentável. Este livro é motivado pela discussão da evolução de uma ciência centrada na descrição, na caracterização, na quantificação e no monitoramento dos problemas ambientais, para outra abordagem, focada no projeto de desenvolvimento de soluções inovadoras. A inovação requer habilidades aprimoradas e ferramentas além daquelas que os fundamentos dos currículos da engenharia ambiental proporcionam, e devem incluir habilidades de pensar criativa e criticamente, trabalho de forma interdisciplinar e consideração sobre o sistema como um todo. Como é mostrado na tabela a seguir, a própria natureza dos desafios enfrentados pelos engenheiros ambientais está mudando. Questões Ambientais do Século XX

Questões Ambientais do Século XXI

Locais

Globais

Graves

Crônicas

Óbvias

Sutis

Imediatas

Multigeracionais

Discretas

Complexas

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Essa mudança de foco provê aos estudantes uma oportunidade para atuar na engenharia prática e estarem ativamente engajados na contribuição para o futuro mais sustentável, usando o conhecimento e as habilidades básicas na disciplina da engenharia ambiental. Depois de tudo, a única razão para estudar um problema em grande detalhe é prover sua solução, e a profissão da engenharia ambiental está em uma singular e nobre posição para desenvolver aquelas soluções − e assegurar que elas sejam sustentáveis. Isto é, tendo a percepção de assegurar que as soluções para os desafios da sustentabilidade sejam cuidadosamente consideradas de forma a evitar ou minimizar a p ­ robabilidade de problemas de legado e consequências não esperadas. Nesse caminho, é imperativo que a ideia de sustentabilidade esteja integralmente presente nos fundamentos de treinamento dos engenheiros ambientais, e não seja uma reflexão tardia ou mesmo separada da própria natureza da razão de nossa atividade como profissionais. A evolução dos problemas em si e o nível de compreensão que temos de tais problemas irão requerer engenheiros com novas capacidades, habilidades e perspectivas sobre como podemos abordar o nosso trabalho. Não são as habilidades anteriormente aprendidas, antiquadas, e sim as novas que deverão ser dispostas aos alunos. Preferencialmente, essas habilidades devem ser aumentadas, complementadas e aperfeiçoadas com novos conhecimentos, novas perspectivas e nova consciência. A fusão das antigas e das novas habilidades de projeto é o propósito deste texto. É nosso desejo que o texto proveja os engenheiros do conhecimento e da confiança para dirigir-se aos desafios do século XXI assim como eles lidaram com os assustadores desafios do século XX.

Características da Marca Registrada MUDANÇAS DA SEGUNDA EDIÇÃO Nesta segunda edição, diversos aperfeiçoamentos foram realizados de forma a estruturar e dar conteúdo a este livro. • O livro ainda se baseia nos princípios fundamentais aplicados relacionados com física, química, biologia, risco, balanço de massas e sustentabilidade, que são aplicados ao projeto e à operação de tecnologia e de estratégias empregadas para o gerenciamento e a mitigação dos problemas ambientais nos solos, na água e no ar. • Existe uma ênfase contínua nos problemas importantes dos Estados Unidos e do mundo, com foco em questões como prevenção da poluição e recuperação de recursos, enquanto ainda se proveem informações para os projetos de processos de tratamento. • O Capítulo 1 foi reescrito e, agora, chama-se “Projeto Sustentável, Engenharia e Inovação”. Ele reduz a importância de problemas relacionados com a prática da engenharia e, em vez disso, centra-se na mudança de paradigma de gestão de problemas ambientais com as regulamentações do quadro da sustentabilidade, empregando o livro da EPA Green Book and Path Forward. O capítulo sobre Engenharia de Recursos Atmosféricos (Capítulo 11) foi totalmente reescrito e, agora, inclui discussões e aplicações de Modelos de Pluma Gaussiana, além de enfatizar estratégias de gerenciamento de demanda, ao longo do capítulo, com tecnologias tradicionais de controle da poluição aérea. • O texto foi reduzido de 14 para 11 capítulos, que acreditamos que irão auxiliar os instrutores que usam este livro em um curso regular ­semestral. O ­texto vi  Prefácio

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também está de acordo com o foco nas Grandes Mudanças da Academia Nacional de Engenharia, relacionados com o gerenciamento de carbono e nitrogênio. Ademais, há ênfase pronunciada na inovação e na sustentabilidade, nesta segunda edição, com melhorias no sentido de uma maior integração dos sistemas de pensamento, ao longo do texto, e dos problemas. Um exemplo notável disso é a reformulação dos capítulos relacionados com a água, que agora aparecem em um capítulo só, chamado “Água: Quantidade e Qualidade” (Capítulo 7) e um segundo focado no assunto “Águas Residuais e Pluviais: Coleta, Tratamento, Recuperação” (Capítulo 9). Dessa forma, a água é considerada holisticamente como um recurso, incluindo-se uma discussão sobre reúso da água. • Incluímos uma série de tópicos que são levados ao conhecimento dos autores pelos usuários do livro, por exemplo, uma seção sobre cálculo da pegada de carbono, no Capítulo 2 (Mensuração de Características Ambientais); um aperfeiçoamento dos balanços de energia, no Capítulo 4 (Processos Físicos); a melhor definição de uma bacia hidrográfica e a adição do Método Racional, que é integrado com exemplos de como as mudanças do uso do solo podem impactar a qualidade da água, no Capítulo 7 (Água: Quantidade e Qualidade); a integração de métodos que enfatizam a recuperação de recursos associados ao gerenciamento de efluentes (Capítulo 9), e uma seção, no Capítulo 11 (Engenharia de Qualidade do Ar), que enfatiza o uso do gerenciamento da demanda como solução para os problemas da poluição do ar. Dada a necessidade fundamental para garantir que a sustentabilidade e a interdisciplinaridade são essenciais para a formação de engenheiros ambientais, os capítulos autônomos “Engenharia Verde” e “O Ambiente Construído”, da primeira edição, foram eliminados, e o conteúdo relevante, incluído em outros capítulos.

FOCO NO PROJETO DE SUSTENTABILIDADE Talvez, um dos aspectos mais importantes deste livro-texto seja o fato de ele centrar a atenção do estudante nos elementos de projeto. Projetar produtos, processos e sistemas será essencial não apenas para responder às questões ambientais da forma como nossa profissão tem feito historicamente, mas também no sentido de estimular projetos de novos produtos, processos e sistemas que reduzam ou eliminem esses problemas, em primeiro lugar. A fim de usar as ferramentas do projeto da engenharia verde para, verdadeiramente, projetar com foco na sustentabilidade, os estudantes necessitam de um domínio da estrutura para esse projeto. Talvez, essa estrutura possa ser resumida com os quatro Is: (1) Inerência; (2) Integração; (3) Interdisciplinaridade e (4) Internacionalidade. Inerência Durante a leitura ficará evidente que não estamos apenas tentando mudar as condições ou as circunstâncias que transformam um produto, um processo ou um sistema em um problema. Os leitores vão compreender a natureza inerente das entradas e saídas de material e energia, de modo a entender a base essencial dos riscos e as causas enraizadas das consequências adversas que eles procuram resolver. Exclusivamente por meio dessa abordagem inerente, poderemos começar a projetar visando à sustentabilidade, em vez de gerar remendos tecnológicos elegantes para concepções inicialmente falhas. Integração Nossas abordagens históricas direcionadas para muitas questões ambientais têm sido fragmentadas − frequentemente pela mídia, pelo ciclo Prefácio  vii  

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vital, pela cultura ou pela região geográfica. No novo paradigma de projeto sustentável, será essencial o entendimento de que a energia está inextricavelmente ligada à água; a água, às mudanças climáticas; as mudanças climáticas, à produção de alimentos; a produção de alimentos, à saúde; a saúde, ao desenvolvimento social, e assim por diante. É igualmente necessária a compreensão de que não se pode pensar em abordar qualquer problema ambiental sem considerar todos os elementos de seu ciclo de vida. Tem havido incontáveis tentativas de melhorar as circunstâncias ambientais que resultaram em problemas indesejados frequentemente piores do que o problema que elas buscavam solucionar. As tentativas de melhorar o suprimento de água potável em Bangladesh resultaram no envenenamento generalizado por arsênico; as tentativas de aumentar a produção de plantações por meio da produção de pesticidas em Bopal, na Índia, resultaram em uma das maiores tragédias químicas de nosso tempo. Compreender as complexas interconexões e garantir a integração de múltiplos fatores no desenvolvimento de soluções são os objetivos da engenharia ambiental do século XXI. Interdisciplinaridade Para atingir os objetivos do projeto sustentável, os engenheiros ambientais vão trabalhar cada vez mais com uma ampla matriz de diferentes disciplinas. Disciplinas técnicas de química e biologia, e outras da engenharia, serão tão essenciais quanto às de economia, análises de sistemas, saúde, sociologia e antropologia. Este texto procura apresentar as dimensões interdisciplinares importantes para o engenheiro ambiental bem-sucedido neste século. Internacionalidade Muitas soluções de engenharia bem-intencionadas do século XX falharam por não considerar os diferentes contextos encontrados na diversidade de nações mundiais. Embora pareça que a purificação da água ou que o tratamento do esgoto possam ser submetidos aos mesmos processos em todo o mundo, foi repetidamente provado que os fatores locais − geográficos, climáticos, culturais, socioeconômicos, políticos, éticos e históricos − podem ter um papel importante no sucesso ou na falha de uma solução da engenharia ambiental. A perspectiva internacional é uma das importantes perspectivas que este livro-texto enfatiza e incorpora nos fundamentos do treinamento dos engenheiros ambientais.

BALANÇOS DE MASSA E ENERGIA E O RACIOCÍNIO SEGUNDO O CICLO DE VIDA Esta obra oferece um desenvolvimento rigoroso dos conceitos de massa, balanço de massa e energia, junto com muitos exemplos de problemas fáceis de acompanhar. Em seguida, aplicam-se os conceitos de balanço de massa e de energia a uma variada gama de sistemas naturais ou projetados e a diferentes ambientes. A obra faz a cobertura adequada das avaliações do ciclo de vida, mediante a apresentação de exemplos detalhados e o fornecimento de uma abordagem de raciocínio segundo o ciclo de vida, com discussão em alguns capítulos.

PEDAGOGIA E AVALIAÇÃO Além de incluir os elementos já mencionados com o objetivo de preparar os engenheiros para o século XXI, este livro também incorpora alterações, na pedagogia e na avaliação, que alicerçam a transmissão dos novos conteúdos por meio de uma experiência educacional significativa. viii  Prefácio

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Taxonomia de Fink da Aprendizagem Significativa Um dos elementos usados é a taxonomia de Fink da aprendizagem significativa para orientar o desenvolvimento dos objetivos de aprendizagem em cada capítulo, dos exemplos e dos trabalhos extraclasse. Essa taxonomia reconhece cinco domínios: o conhecimento básico reconhecido tradicionalmente; a utilização do conhecimento; a integração do conhecimento; as dimensões humanas de aprendizagem e criação; e a construção do aprendizado. Mesmo sem muito conhecimento dessa taxonomia, fica claro, a partir apenas desses tópicos, que as áreas reconhecidas por Fink são fundamentais para um engenheiro, cuja função é projetar soluções para muitos dos desafios de sustentabilidade atuais. Equações Importantes Boxes destacam para os estudantes as equações mais importantes. Exercícios de Aprendizagem Os exercícios de aprendizagem estão dispostos no final de cada capítulo. Eles exigem que os estudantes resolvam problemas numéricos tradicionais de avaliação e projeto, da mesma forma que os desafiam a pesquisar soluções inovadoras e problemas em diferentes níveis: no campus, no apartamento, em casa, na cidade, na sua região, no seu estado ou em todo o mundo. Tópicos de Discussão Para melhor enfatizar a importância dos domínios do conhecimento discutidos anteriormente, o livro estimula as discussões em classe e a interação tanto entre os estudantes quanto entre eles e o professor. Esses tópicos são destacados no texto por meio de um símbolo nas margens. Fontes para Aprendizagem Adicional Fontes online para aprendizagem adicional e exploração são listadas nas margens. Essas fontes permitem que o estudante tenha a oportunidade de explorar tópicos muito mais detalhadamente, e que aprenda generalidades e singularidades geográficas sobre questões específicas da engenharia ambiental. Mais importante, a consulta a essas fontes online prepara melhor os estudantes para a prática profissional, uma vez que expande os conhecimentos relativos às informações disponíveis em sites não governamentais e do governo dos Estados Unidos.

Gênese do Livro Em 1999, publicamos um livro intitulado Fundamentals of Environmental Engineering (John Wiley & Sons). Uma força do livro Engenharia Ambiental: Fundamentos, Sustentabilidade e Projeto é que proporciona uma visão profunda dos problemas básicos da engenharia ambiental requeridos para projetar, operar, analisar e modelar os sistemas naturais e construídos. O livro que você está lendo agora, Engenharia Ambiental: Fundamentos, Sustentabilidade e Projeto, não apenas inclui capítulos atualizados sobre esses fundamentos − com forte ênfase sobre balanços de massa e de energia, bem como a inclusão de aspectos sobre energia, gerenciamento de nutrientes e carbono −, como também inclui aplicações dessas habilidades fundamentais e estratégias de operação para a implementação da redução, recuperação de recursos e tratamento.

Agradecimentos Assim como admiramos todos os que se dedicam a deixar o mundo um lugar melhor do que o encontraram − engenheiros ambientais e outros −, somos gratos a todas as pessoas talentosas que tornaram este livro possível e se dedicam a mudar a própria natureza do campo da engenharia ambiental. Prefácio  ix  

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Além de todos os indivíduos que contribuíram para o conteúdo do livro, os seguintes professores fizeram revisões de alta qualidade e acrescentaram contribuições perspicazes em vários estágios da elaboração do livro: Zuhdi Aljobeh, Valparaiso University Robert W. Fuessle, Bradley University Keri Hornbucle, University of Iowa Benjamin S. Magbanua Jr., Mississippi State University Taha F. Marhaba, New Jersey Institute of Technology William F. McTernan, Oklahoma State University Gbekeloluwa B. Oguntimein, Morgan State University Joseph Reichenberger, Loyola Marymount University Sukalyan Sengupta, University of Massachusetts Thomas Soerens, University of Arkansas

Linda Vanasupa (California Polytechnic State University) revisou os capítulos e ajudou no desenvolvimento dos objetivos de aprendizagem no contexto da taxonomia de Fink de aprendizagem significativa. Linda Phillips (University of South Florida) ofereceu sua perspectiva internacional, especialmente no que diz respeito à integração entre aprendizagem dirigida e o envolvimento do usuário. A equipe editorial de Linda Ratts, Hope Ellis, Joyce Poh e Jenny Welter da primeira edição deste livro, que tornaram esta obra a chave para o sucesso. A visão antecipada de finalidade dos livros e a atenção aos usuários e contribuições ao detalhe, estilo e pedagogia tornaram esta obra uma parceria plena e igualitária. Os seguintes estudantes da University of South Florida revisaram cada capítulo do livro e fizeram comentários valiosos durante o processo de edição: Jonathan Blanchard, Justin Meeks, Colleen Naughton, Kevin Orner, Duncan Peabody e Steven Worrell. Ezekiel Fugate e Jennifer Ace (Yale University) e Helen E. Muga (University of South Florida) nos ajudaram a obter permissões na busca de conteúdos. Somos especialmente gratos a Colleen Naughton (University of South Florida), Ziad Katirji (Michigan Technological University) e a Heather E. Wright Wendel (University of South Florida), que nos ajudaram a criar, montar e revisar o Manual de Soluções. Colleen foi o responsável pelo desenvolvimento do Manual de Soluções da segunda edição. Finalmente, agradecemos a Karen, Paul, Kennedy, Aquinnah e Mac por abraçarem a visão deste projeto ao longo dos últimos anos. James R. Mihelcic Julie Beth Zimmerman

x  Prefácio

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Sumário Geral Capítulo Um Projeto Sustentável, Engenharia e Inovação 1

Capítulo Sete Água: Quantidade e Qualidade 304

Capítulo Dois Mensuração de Características Ambientais 38

Capítulo Oito Tratamento da Água 387

Capítulo Três Química

Capítulo Nove Águas Residuais e Pluviais: Coleta, Tratamento, Recuperação 458

68

Capítulo Quatro Processos Físicos 116 Capítulo Cinco Biologia

Capítulo Dez Tratamento da Água 547

184

Capítulo Seis Risco Ambiental

251

Capítulo Onze Engenharia de Qualidade do Ar 603

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Sumário Capítulo Um Projeto Sustentável, Engenharia e Inovação 1

Capítulo Três Química

1.1

Cenário: Evolução da Proteção Ambiental para a Sustentabilidade 2 1.2 O Caminho a Seguir: Operacionalizar a Sustentabilidade 8 1.2.1 Conceito de Ciclo de Vida 11 1.2.2 Conceito de Sistemas 17 1.3 Engenharia para Sustentabilidade 21 1.3.1 Arcabouços para o Projeto Sustentável 22 1.3.2 A Importância do Projeto e da Inovação no Progresso da Sustentabilidade 24 1.4 Medindo a Sustentabilidade 27 1.5 Políticas que Impulsionam a Engenharia Verde e a Sustentabilidade 30

1.5.1 1.5.2 1.6

Regulamentos 30 Programas de Voluntariado

31

Projetando o Amanhã 32

Capítulo Dois Mensuração de Características Ambientais 38 2.1

Unidades de Concentração de Massa 40 2.1.1 Unidades Massa/Massa 40 2.1.2 Unidades Massa/Volume: mg/L e g/m3 42 2.2 Unidades Volume/Volume e Mol/Mol 42 2.2.1 Usando a Lei dos Gases Ideais para Converter ppmv em g/m3 44 2.3 Unidades de Pressão Parcial 46 2.4 Unidades Mol/Volume 48

2.5

Outros Tipos de Unidades 2.5.1 2.5.2 2.5.3

2.5.4 2.5.5

48

Normalidade 50 Concentração como um Constituinte em Comum 52 Concentração de Dióxido de Carbono e Outros Gases de Efeito Estufa 54 Informando a Concentração de Partículas no Ar e na Água 59 Representação por Efeito 61

68

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Abordagens em Química Ambiental 69 Atividade e Concentração 69 Estequiometria de Reações 71 Leis da Termodinâmica 72 Volatilização 77 Equilíbrio Ar-Água 80 3.6.1 Constante da Lei de Henry com Unidades para um Gás Dissolvido em um Líquido 80 3.6.2 Constante Adimensional da Lei de Henry para uma Espécie em Transferência da Fase Líquida para a Fase Gasosa 82 3.7 Química Ácido-Base 83 3.7.1 pH 83 3.7.2 Definição dos Ácidos e Bases e Suas Constantes de Equilíbrio 84 3.7.3 Sistema Carbonato, Alcalinidade e Capacidade de Amortecimento 85 3.8 Oxidação-Redução 89 3.9 Precipitação-Dissolução 90 3.10 Adsorção, Absorção e Sorção 93 3.11 Cinética 101 3.11.1 A Lei da Velocidade 101 3.11.2 Reações de Ordem Zero e Reações de Primeira Ordem 103 3.11.3 Reações de Pseudoprimeira Ordem 105 3.11.4 Meia-Vida e Sua Relação com a Constante de Velocidade 106 3.11.5 Efeito da Temperatura nas Constantes de Velocidade 108

Capítulo Quatro Processos Físicos 116 4.1

Balanços de Massa 118 4.1.1 Volume de Controle 119 4.1.2 Termos da Equação do Balanço de Massa para um Reator de Mistura Perfeita 119 4.1.3 Análise do Reator: O CMFR 124 xv

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4.1.4

Reator descontínuo ou Reator por Bateladas 131 4.1.5 Reator Pistonado 131 4.1.6 Tempo de Retenção e Outras Expressões para V/Q 137 4.1.7 Análise do Fluxo de Materiais e do Metabolismo Urbano 140 4.2 Balanços Energéticos 142 4.2.1 Formas de Energia 142 4.2.2 Fazendo um Balanço Energético 144 4.2.3 Impacto das Emissões de Gases do Efeito Estufa no Balanço Energético do Planeta 147 4.2.4 Eficiência Energética nas Edificações: Isolamento, Infiltração e Paredes Térmicas 153 4.2.5 Ilha de Calor Urbana 159 4.3 Edificações: Dimensionamento Adequado e Energia 163 4.4 Processos de Transporte de Massa 166 4.4.1 Advecção e Dispersão 167 4.4.2 Movimento de uma Partícula em um Fluido: Lei de Stokes 175

Capítulo Cinco Biologia 5.1

184

Estrutura e Função do Ecossistema 186 5.1.1 Principais Grupos de Organismos 188 5.2 Dinâmica da População 191 5.2.1 Unidades de Expressão do Tamanho da População 191 5.2.2 Modelos de Crescimento Populacional 192 5.3 Fluxo de Energia nos Ecossistemas 209 5.3.1 Captura e Uso da Energia: Fotossíntese e Respiração 209 5.3.2 Estrutura Trófica nos Ecossistemas 213 5.3.3 Termodinâmica e Transferência de Energia 213 5.4 Demanda de Oxigênio: Bioquímica, Química e Teórica 217 5.4.1 Definição de DBO, DBOC e DBON 217 5.4.2 Fontes de DBO 218

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5.4.3

Demanda Teórica de Oxigênio 219 5.4.4 Cinética da DBO 220 5.4.5 Coeficiente de Taxa de DBOC 224 5.4.6 DBO: Medição, Aplicação e Limitações 224 5.4.7 Teste da DBO: Limitações e Alternativas 224 5.5 Fluxo de Materiais nos Ecossistemas 229 5.5.1 Ciclos do Oxigênio e do Carbono 229 5.5.2 Ciclo do Nitrogênio 232 5.5.3 Ciclo do Fósforo 233 5.5.4 Ciclo do Enxofre 235 5.6 Saúde do Ecossistema e Bem-Estar Público 236 5.6.1 Substâncias Tóxicas e Ecossistema e Saúde Humana 236 5.6.2 Biodiversidade e Saúde do Ecossistema 239

Capítulo Seis Risco Ambiental 6.1 6.2 6.3

O Risco e o Engenheiro 252 Percepção do Risco 256 Resíduos Perigosos e Substâncias Químicas Tóxicas 259 6.3.1 Resíduos Perigosos 262 6.3.2 Toxicidade 263 6.3.3 Prevenção da Poluição 268 6.4 Ética e Risco em Engenharia 270 6.5 Avaliação do Risco 273 6.5.1 Avaliação do Perigo 273 6.5.2 Avaliação da Dose-Resposta 276 6.5.3 Avaliação da Exposição 280 6.5.4 Caracterização do Risco 284 6.6 Problemas Mais Complicados com Duas Rotas de Exposição pelo Menos 290 6.6.1 Estabelecendo Padrões de Qualidade da Água Baseados na Exposição por Meio da Ingestão de Água Potável e de Peixe 291 6.6.2 Como Determinar os Padrões Admissíveis de Limpeza do Solo que Protegem as Águas Subterrâneas 292

Sumário

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Capítulo Sete Água: Quantidade e Qualidade 304 7.1

Introdução aos Recursos Hídricos e à Qualidade da Água 307 7.2 Águas Superficiais, Águas Subterrâneas e Bacias Hidrográficas 309 7.2.1 Águas Superficiais e Águas Subterrâneas 309 7.2.2 Bacias Hidrográficas 310 7.2.3 Estimando o Escoamento Superficial Decorrente do Uso do Solo 312 7.2.4 Estimando as Cargas de Poluentes no Escoamento Decorrente do Uso do Solo 314 7.3 Disponibilidade de Água 316 7.4 Uso da Água 318 7.4.1 Uso Primário da Água no Mundo 319 7.4.2 Uso da Água nos Estados Unidos 320 7.4.3 Abastecimento Público de Água 321 7.4.4 Recuperação e Reutilização da Água 323 7.4.5 Escassez de Água e Conflito pela Água 326 7.5 Demanda Hídrica Municipal 328 7.5.1 Criando Modelos para Estimar a Demanda 329 7.5.2 Estimando a Vazão de Água (e de Águas Residuais) 331 7.5.3 Vazões que Variam em Função do Tempo e Ciclos Sazonais 334 7.5.4 Demanda de Combate a Incêndio e Água Não Contabilizada 337 7.5.5 Previsão da Demanda 339 7.6 Sistemas de Distribuição da Água (e Coleta de Águas Residuais) 343 7.6.1 Layout do Sistema 344 7.6.2 Velocidades de Fluxo de Projeto e Dimensionamento da Tubulação 345 7.6.3 Estações de Bombeamento e Armazenamento 347 7.7 Qualidade da Água dos Rios 349 7.7.1 Oxigênio Dissolvido e DBO 349 7.7.2 Saturação de Oxigênio 351 7.7.3 O Déficit de Oxigênio 354

7.7.4

Balanço de Massa do Oxigênio 354 7.7.5 Curva Sag do Oxigênio Dissolvido e Distância Crítica 355 7.8 Qualidade da Água de Lagos e Reservatórios 356 7.8.1 Estratificação Térmica dos Lagos e Reservatórios 357 7.8.2 Matéria Orgânica, Estratificação Térmica e Esgotamento do Oxigênio 359 7.8.3 Limitação de Nutrientes e Estado Trófico 359 7.8.4 Engenharia de Gestão Lacustre 361 7.9 Áreas de Terras Úmidas 362 7.10 Qualidade e Escoamento das Águas Subterrâneas 368 7.10.1 Fontes de Poluição das Águas Subterrâneas 368 7.10.2 Escoamento das Águas Subterrâneas e Transporte de Poluentes 371 7.10.3 Recuperação do Subsolo 373

Capítulo Oito Tratamento da Água 387 8.1 8.2

Introdução 389 Características da Água Não Tratada 390 8.2.1 Características Físicas 391 8.2.2 Constituintes Inorgânicos Maiores e Menores 393 8.2.3 Principais Constituintes Orgânicos 395 8.2.4 Constituintes Microbianos 397 8.3 Padrões de Qualidade da Água 399 8.4 Visão Geral dos Processos de Tratamento da Água 401 8.5 Coagulação e Floculação 404 8.5.1 Estabilidade e Remoção das Partículas 405 8.5.2 Coagulantes Químicos 405 8.5.3 Outras Considerações 407 8.6 Remoção da Dureza 413 8.7 Sedimentação 417 8.7.1 Decantação de Partículas Discretas 417 Sumário

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xvii

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8.7.2

Remoção de Partículas Durante a Sedimentação 420 8.7.3 Outros Tipos de Decantação 422 8.8 Filtração 423 8.8.1 Tipos de Filtração Granular 423 8.8.2 Características do Meio de Filtração 426 8.9 Desinfecção 428 8.9.1 Métodos de Desinfecção Atuais 428 8.9.2 Cinética da Desinfecção 433 8.10 Processos de Membrana 438 8.10.1 Classificação dos Processos de Membrana 439 8.10.2 Materiais da Membrana 440 8.10.3 Tipos de Processos de Membrana e Configurações 441 8.10.4 Escolha e Operação da Membrana 442 8.10.5 Desempenho da Membrana 444 8.11 Adsorção 447 8.11.1 Tipos de Processos de Adsorção 447 8.11.2 Tipos de Adsorventes 447

Capítulo Nove Águas Residuais e Pluviais: Coleta, Tratamento, Recuperação 458 9.1 9.2

Introdução 461 Características da Água Residual Doméstica 463 9.3 Visão Geral dos Processos de Tratamento 464 9.4 Tratamento Preliminar 467 9.4.1 Triagem 467 9.4.2 Desarenadores 467 9.4.3 Flotação 469 9.4.4 Equalização 469 9.5 Tratamento Primário 473 9.6 Tratamento Secundário 475 9.6.1 Reatores de Crescimento Suspenso: Lodo Ativado 476 9.7 Modificações no Processo de Lodo Ativado 490 9.7.1 Biorreatores de Membrana 490 9.8 Reatores de Crescimento Aderido 492 9.9 Remoção e Recuperação de Nutrientes: Nitrogênio e Fósforo 495 xviii

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9.9.1 Nitrogênio 496 9.9.2 Fósforo 499 9.10 Desinfecção e Aeração 501 9.11 Gerenciamento de Final de Vida do Lodo e Recuperação da Energia 503 9.11.1 Estabilização do Lodo 504 9.11.2 Digestores 505 9.11.3 Desaguamento 506 9.11.4 Descarte 508 9.12 Sistemas de Tratamento Natural 510 9.12.1 Lagoas de Estabilização 510 9.12.2 Zonas Úmidas 516 9.13 Uso de Energia Durante o Tratamento das Águas Residuais 519 9.14 Recuperação e Reutilização das Águas Residuais 520 9.15 Implicações do Escoamento em Tempo Chuvoso para as Águas Residuais 521 9.16 Gerenciando os Escoamentos em Tempo Chuvoso 526 9.17 Gestão Verde das Águas Pluviais 528 9.17.1 Tetos Verdes 529 9.17.2 Pavimentos Permeáveis (ou Porosos) 531 9.17.3 Células de Biorretenção 533 9.17.4 Valas Vegetadas (Bioswales) e Outras Técnicas de Uso do Solo 537

Capítulo Dez Gestão de Resíduos Sólidos 547 10.1 Introdução 549 10.2 Caracterização dos Resíduos Sólidos 551 10.2.1 Fontes de Resíduos Sólidos 552 10.2.2 Quantidades de Resíduos Sólidos Municipais 552 10.2.3 Materiais nos Resíduos Sólidos Municipais 553 10.2.4 Coleta de Dados de Caracterização dos Resíduos Sólidos 554 10.2.5 Caracterização Física/Química do Resíduo 556 10.2.6 Caracterização dos Resíduos Perigosos 561 10.3 Componentes dos Sistemas de Resíduos Sólidos 564 10.3.1 Armazenamento, Coleta e Transporte 564

Sumário

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10.3.2

Reciclagem e Recuperação de Materiais 567 10.3.3 Compostagem 570 10.3.4 Produção de Energia a Partir de Resíduos 573 10.3.5 Aterro 576 10.3.6 Tecnologias de Produção de Energia a Partir dos Resíduos Sólidos 592 10.4 Conceitos de Gestão 592 10.4.1 Consulta Pública 594 10.4.2 Opções Políticas 596 10.4.3 Estimativa de Custos 596

Capítulo Onze Engenharia de Qualidade do Ar 603 11.1 11.2

Introdução 605 Escala e Ciclos de Poluição Atmosférica 607 11.2.1 Escala das Questões de Poluição Atmosférica 607 11.2.2 O Sistema de Poluição do Ar 609 11.3 Estrutura Atmosférica 614 11.3.1 Estrutura da Temperatura Atmosférica 614 11.3.2 Pressão Atmosférica e Estrutura de Densidade 615 11.3.3 Composição da Atmosfera 615 11.4 Características do Ar Poluído 618 11.4.1 Poluentes Atmosféricos Legislados (Criteria Air Pollutants) 618 11.4.2 Impactos e Defesas da Saúde Humana Contra a Matéria Particulada 621

11.4.3

Principais Fontes de Poluentes Atmosféricos 624 11.4.4 Tendências Recentes nas Concentrações de Poluentes Atmosféricos 626 11.4.5 Índice de Qualidade do Ar 626 11.4.6 Poluentes Atmosféricos Perigosos 629 11.4.7 Ozônio no Nível do Solo e Estratosférico 631 11.4.8 Gases Odorosos 635 11.4.9 Poluentes do Ar em Ambientes Fechados 636 1.5 Emissões Ambientais e Controle das Emissões 638 11.5.1 Tipos de Fontes e de Emissões 638 11.5.2 Tendências das Emissões 639 11.5.3 Controle das Emissões 640 11.6 Avaliação das Emissões 660 11.7 Meteorologia e Transporte 664 11.7.1 Fundamentos de Fluxo 664 11.7.2 Ventos: Direção, Velocidade e Turbulência 665 11.7.3 Estabilidade Atmosférica 665 11.7.4 Efeitos do Terreno Sobre a Estabilidade Atmosférica 670 11.8 Dispersão Atmosférica e a Modelagem de Dispersão da Pluma Gaussiana 671 11.8.1 Fundamentos de Modelagem de Dispersão 672 11.8.2 Parâmetros Modelo 674 11.8.3 Formas da Equação da Dispersão Gaussiana 675 Respostas para Problemas Selecionados 685 Índice 696

Sumário

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xix

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Material Suplementar Este livro conta com os seguintes materiais suplementares: Ilustrações da obra em formato de apresentação em (.pdf) (restrito a docentes);

Manual de soluções: arquivos em formato (.pdf) (restrito a docentes).

O acesso aos materiais suplementares é gratuito. Basta que o leitor se cadastre em nosso site (www.grupogen.com.br), faça seu login e clique em GEN-IO, no menu superior do lado direito. É rápido e fácil. Caso haja alguma mudança no sistema ou dificuldade de acesso, entre em contato conosco (sac@grupogen.com.br).

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Projeto Sustentável, Engenharia e Inovação capí t u l o/ U m  

Julie Beth Zimmerman e James R. Mihelcic

© Ziutograf/istockphoto

Este capítulo discute a evolução da proteção da saúde humana e do ambiente a partir das abordagens regulatórias para o desenvolvimento sustentável, destacando as oportunidades críticas para os engenheiros projetarem soluções adequadas e resilientes. São apresentadas as definições de desenvolvimento sustentável e projeto sustentável. Vários tópicos emergentes são apresentados — química verde, biomimética, engenharia verde, conceito de ciclo de vida e conceito de sistemas —, oferecendo melhorias aos fundamentos da engenharia que levem a soluções de projeto rigorosas e sustentáveis.

Sumário do Capítulo 1.1 Cenário: Evolução da Proteção Ambiental para a Sustentabilidade 1.2 O Caminho a Seguir: Operacionalizar a Sustentabilidade 1.3 Engenharia para Sustentabilidade 1.4 Medindo a Sustentabilidade 1.5 Políticas que Impulsionam a Engenharia Verde e a Sustentabilidade 1.6 Projetando o Amanhã

Objetivos da Aprendizagem 1. Descrever a evolução da proteção da saúde humana e o do ambiente a partir de abordagens regulatórias para a sustentabilidade. 2. Relacionar Os Limites para o Crescimento, “A Tragédia dos Comuns” e a definição de capacidade de carga com o desenvolvimento sustentável. 3. Definir sustentabilidade, desenvolvimento sustentável e engenharia sustentável com suas próprias palavras e de acordo com as outras pessoas. 4. Redefinir os problemas de engenharia em um contexto social, econômico e ambiental equilibrado. 5. Aplicar o conceito de ciclo de vida e o conceito de sistemas à definição do problema, bem como ao projeto e à avaliação das soluções propostas. 6. Diferenciar indicadores tradicionais de indicadores de sustentabilidade que medem o progresso para alcançar a meta de sustentabilidade. 7. Descrever vários arcabouços para o projeto sustentável, e compreender a importância do projeto e da inovação na promoção da sustentabilidade. 8. Discutir o papel das regulações e outras ferramentas de política, como os programas de voluntariado, na promoção da proteção ambiental e da saúde humana, bem como da sustentabilidade.   1  

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1.1  Cenário: Evolução da Proteção Ambiental para

a Sustentabilidade

Em 1962, Rachel Carson (Aplicação 1.1) publicou Primavera Silenciosa, estabelecendo que pode haver motivos para preocupação com os impactos dos pesticidas e com a poluição ambiental nos sistemas naturais e na saúde humana. Em 1948, embora já houvesse uma liberação de smog (fumaça e neblina) — decorrente da poluição atmosférica industrial na cidade de moinhos Donora (Pensilvânia), que matou 20 pessoas e prejudicou outras milhares —, foi mais tarde, no final dos anos 1960 e início dos anos 1970, que ocorreram muitos efeitos visuais claros e assustadores. Isso incluiu episódios de smog que obscureceram a visibilidade de Los Angeles, o Rio Cuyahoga (Ohio) pegando fogo, em 1969, e o lixo tóxico e as consequências de saúde nas vizinhanças, como Love Canal em Niagara Falls, Nova York. Por meio do compartilhamento de valor socioeconômico e de um movimento socioambiental crescente, foi criada a Agência de Proteção Ambiental (EPA, Environmental Protection Agency) em 1972. Com isso, foram consolidadas, em uma agência, várias atividades de pesquisa federal, monitoramento, estabelecimento de padrões e fiscalização, com a missão de “proteger a saúde humana e o ambiente”. Nesse meio tempo, o Congresso dos Estados Unidos aprovou muitas regulamentações ambientais fundamentais e críticas, como a Lei Nacional de Proteção Ambiental (NEPA), a Lei do Ar Puro, a Lei de Controle de Poluição das Águas, a Lei de Proteção da Vida Selvagem e a Lei das Espécies Ameaçadas. A Agência de Proteção Ambiental (EPA) é uma agência do governo federal dos Estados Unidos, criada com a finalidade de proteger a saúde humana e o ambiente, estabelecendo e fiscalizando o cumprimento de normas baseadas em leis aprovadas pelo Congresso (Aplicação 1.2). O administrador da EPA, indicado pelo presidente e aprovado pelo Congresso, é quem comanda a agência.

Aplicação / 1.1   Rachel Carson e o Movimento Ambientalista Moderno

Rachel Carson na Hawk Mountain, Pensilvânia, em uma fotografia tirada em 1945, por Shirley Briggs. (Cortesia do Linda Lear Center for Special Collections and Archives, Connecticut College).

Rachel Carson é considerada uma das líderes do movimento ambientalista moderno. Ela nasceu em 1907, 24 km a nordeste de Pittsburgh. Formada e pós-graduada em ciência e zoologia, primeiramente, ela trabalhou para a agência governamental, que acabou se transformando no U.S. Fish and Wildlife Service. Como cientista, ela se destacou pela comunicação de concei-

tos científicos complexos para o público por meio de uma escrita clara e precisa. Ela escreveu vários livros, incluindo O Mar à Nossa Volta (lançado em 1951) e Primavera Silenciosa (lançado em 1962). Primavera Silenciosa foi um sucesso comercial logo depois da sua publicação. A obra capturou visualmente o fato de que os pássaros canoros não estavam conseguindo se reproduzir e morriam precocemente, em virtude da fabricação e do uso exagerado de produtos químicos, como o DDT, que bioacumulavam em seus pequenos corpos. Alguns historiadores acreditam que Primavera Silenciosa foi o catalisador inicial que levou à criação do movimento ambientalista moderno nos Estados Unidos, junto com a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA).

  2  Capítulo 1

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capítulo/ Um 

1.1  Escreva um memorando de uma página

para o seu instrutor, fornecendo as definições de: (a) desenvolvimento sustentável (pela Comissão Brundtland), (b) sustentabilidade (de acordo com o Corpo de Conhecimento da Academia Americana de Engenheiros Ambientais e Cientistas, AAEES), (c) sustentabilidade (de acordo com o Corpo de Conhecimento da Sociedade Americana de Engenheiros Civis, ASCE) e (d) desenvolvimento sustentável (de acordo com o Código de Ética da Sociedade Nacional de Engenheiros Profissionais, NSPE).

1.2  Escreva a sua própria definição de desenvolvimento sustentável, conforme se aplica à sua profissão de engenharia. Explique a sua conveniência e aplicabilidade em duas a três frases.

1.3  Identifique três definições de sustentabilidade a partir de três fontes (por exemplo, governo local, estadual ou federal; indústria; organização ambiental; organização internacional; organização financeira ou de investimentos). Compare e diferencie essas definições com a definição da Comissão Brundtland. Como as definições refletem suas fontes?

1.4  Relacione a “Tragédia dos Comuns” com uma questão ambiental local. Seja específico em relação ao que você quer dizer em termos de “comuns”, nesse exemplo em particular, e explique cuidadosamente como esses “comuns” estão sendo danificados para as gerações atuais e futuras.

1.5  Pesquise o progresso realizado por dois países de sua escolha (ou da preferência do professor) no cumprimento dos oito ODMs. Resuma os resultados em uma tabela. Entre as fontes, você poderia consultar o website das ODMs da ONU, www.un.org/ millenniumgoals/.

1.6  Acesse o website do Departamento de Energia

dos Estados Unidos (www.doe.gov) e pesquise o consumo de energia nos setores doméstico, comercial, industrial e de transportes. Elabore uma tabela mostrando como esse consumo de energia específico se relaciona com o percentual de emissões de CO2 americanas e globais. Identifique uma solução sustentável para cada setor que reduziria o uso de energia e as emissões de CO2.

Problemas

1.7  Como um consumidor interessado em reduzir

as suas emissões de carbono, (a) o que você deveria fazer: (1) instalar iluminação mais eficiente em sua residência ou (2) comprar um carro com maior autonomia de combustível? Para responder a isso, considere que uma lâmpada de 100 W funcionando 3 h por dia, todos os dias, vai consumir 100 kWh por ano, aproximadamente. Uma lâmpada de alta eficiência usa, aproximadamente, 25% de uma lâmpada convencional. A sua substituição por uma lâmpada fluorescente compacta de 25 W pouparia 75 kWh/ano. Isso seria igual a 150 lb de dióxido de carbono ou a mesma quantidade de emissões de dióxido de carbono associadas à queima de 7,5 galões de gasolina. (b) Sabendo que o domicílio americano médio usa 10.000 kWh/ano, dos quais 8,8% são em iluminação, quantos galões de gasolina e libras de CO2 poderiam ser poupados trocando todas as lâmpadas de uma casa? (c) A título de comparação, se você dirigiu 12.000 milhas em um ano e trocou seu carro que faz a média nacional de 20 milhas por galão (mpg) por outro que faz 30 mpg, em quanto você reduziria o seu consumo de gasolina e as emissões de CO2 por ano? (d) E se você trocasse por um carro que faz 30-37 mpg? (A combustão de 10 galões de gasolina libera 2.000 lb de dióxido de carbono.)

1.8  Visite o website Presidential’s Green Chemistry

Challenge Award da EPA em www.epa.gov/greenchemistry/presidential-green-chemistry-challengewinners. Selecione um antigo projeto vencedor desse prêmio. Com base na descrição desse projeto, quais são os benefícios ambientais, econômicos e sociais desse avanço da química verde?

1.9  Discuta se o sapato A (couro) ou o sapato B (sin-

tético) é melhor para o meio ambiente com base nos dados fornecidos na Tabela 1.8. É possível ponderar um aspecto (poluição do ar, da água, do solo ou resíduos sólidos) como mais importante do que outro? Como? Por quê? Quem toma essas decisões pela nossa sociedade?

1.10  Para comparar as sacolas plásticas e as de pa-

pel em termos de aquisição de matérias-primas, fabricação e processamento, uso e descarte, vamos usar os dados fornecidos pela Franklin Associates − uma empresa de consultoria conhecida nacionalmente, cujos clientes incluem a U.S. EPA e também muitas

  34  Capítulo 1

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exemplo / 4.5 (continuação) Repare o que acontece: t → ∞: e−(Q/V)t→ 0 e C → Cent. Isso não é surpresa, uma vez que a substância é conservativa. Se o reator funcionar por tempo suficiente, a concentração no reator acabará alcançando a concentração de entrada. Essa equação final (plotada na Figura 4.3b) fornece C em função do tempo. Isso pode ser usado para determinar quanto tempo vai levar para a concentração alcançar, digamos, 90% do valor da entrada.

4.1.4 REATOR DESCONTÍNUO OU REATOR POR BATELADAS Um reator que não tem fluxo de entrada ou saída é denominado reator descontínuo. Trata-se, basicamente, de um tanque no qual se deixa ocorrer uma reação. Após um lote ter sido tratado, o reator. é esvaziado . e um segundo lote pode ser tratado. Como não há fluxos, ment = msai = 0. Portanto, a equação do balanço de massa se reduz a:

(4.10)

ou (4.11)

Simplificando (4.12)

Desse modo, em um reator descontínuo, a mudança na concentração com o tempo é simplesmente a que resulta da reação química. Por exemplo, para uma reação de decaimento de primeira ordem, r = −kC. Desse modo:

(4.13)

ou

(4.14)

4.1.5 REATOR PISTONADO O reator pistonado (PFR) é utilizado para modelar a transformação química dos compostos à medida que são transportados em sistemas semelhantes a tubulações. Um diagrama esquemático de um PFR é exibido na Figura 4.4. As tubulações do PFR podem representar um rio, uma região entre duas cordilheiras através da qual o ar escoa, ou vários outros condutos projetados ou naturais por meio dos quais escoam líquidos ou gases. Naturalmente, uma tubulação nesse modelo pode representar até mesmo um tubo. A Figura 4.5 traz exemplos de um PFR em um sistema projetado (Figura 4.5a) e um PFR em um sistema natural (Figura 4.5b).

Posição inicial do tampão

Posição posterior do tampão

Q Csai

Q Cent

Figura / 4.4  Diagrama Esquemático de um Reator Pistonado.

(De Mihelcic (1999). Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.)

Processos Físicos   131  

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Ar efluente

W A S H I N G T O N Meio de suporte

e l l e River

Rio

Ar influente

(a)

la Wil

bia

lúm

Co

The Dalles

Barragem Dalles

Portland OREGON

m

(b)

Figura / 4.5  Exemplos de Reatores Pistonados em Sistemas Projetados e Naturais  (a) Biofiltros em torre são utilizados para remover emissões atmosféricas odoríferas, como sulfeto de hidrogênio (H2S), das emissões em fase gasosa. Os biofiltros consistem em uma coluna acondicionada com um meio de suporte — como pedras, anéis de plástico ou carvão ativado — na qual é cultivado um biofilme. A água ou ar contaminados passam pelo filtro, e ocorre degradação bacteriana na redução desejada das emissões de poluentes. (b) O Rio Colúmbia escoa 1.200 milhões a partir de uma fonte no Canadá até o Oceano Pacífico. Antes de chegar ao oceano, o Rio Colúmbia escoa para o sul nos Estados Unidos e forma a fronteira entre Oregon e Washington. A imagem mostra um trecho do rio perto de The Dalles, Washington, onde ele se estreita e se derrama por uma série de corredeiras, batizadas de les Dalles ou as calhas pelos primeiros exploradores franceses. Desde então, uma grande barragem tem sido construída perto de The Dalles. O trecho do rio a jusante da barragem poderia ser modelado como um PFR. (De Mihelcic (1999). Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.)

Bacia do Rio Mississippi http://www.epa.gov/ms-htf/ mississippiatchafalaya-river-basinmarb

À medida que o fluido escoa para baixo do PFR, ele é misturado na direção radial, mas a mistura não ocorre na direção axial. Ou seja, cada tampão de fluido é considerado uma entidade separada conforme escoa pela tubulação. No entanto, o tempo passa à medida que o tampão de fluido segue na direção da corrente (ou na direção do vento). Desse modo, há uma dependência explícita do tempo, mesmo nos problemas de PFR em estado estável. Entretanto, como a velocidade do fluido (v) no PFR é constante, o tempo e a distância a jusante (x) são intercambiáveis e t = x/v. Isto é, um tampão de fluido sempre leva uma quantidade de tempo igual a x/v para percorrer uma distância x dentro do reator. Essa observação pode ser utilizada com as formulações do balanço de massa recém-fornecidas para determinar como as concentrações químicas variam durante o fluxo através de um reator pistonado. Para desenvolver a equação que governa a concentração em função da distância percorrida em um PFR, vamos analisar a evolução da concentração com o tempo dentro de um único tampão de fluido. Presume-se que o tampão seja bem misturado na direção radial, mas não se mistura com o fluido à frente ou atrás dele. À medida que o tampão escoa a jusante, ocorre a reação química e a concentração diminui. O balanço da massa dentro desse tampão em movimento é o mesmo de um reator descontínuo:

  132  Capítulo 4

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Consequentemente, tendências recentes atribuem uma maior importância a uma abordagem à gestão dos resíduos sólidos que seja integrada ou baseada em sistemas.

10.2  Caracterização dos Resíduos Sólidos Os resíduos sólidos podem ser caracterizados por sua origem, uso original (por exemplo, como vidro ou plástico), perigo ou composição física ou química subjacente. Os resíduos que propagam doença se chamam putrescí-

Tabela / 10.1 Fontes de Resíduos Sólidos e Porcentagem Típica que Compõe o Resíduo Sólido Municipal Fonte Exemplos Comentários

Porcentagem típica de RSM

Residencial Casas geminadas, apartamentos

Resíduos alimentares, resíduos de quintais/jardins, papel, plástico, vidro, metal, resíduos domésticos nocivos.

30-50%

Comercial Lojas, restaurantes, prédios de escritório, motéis, oficinas mecânicas, pequenas empresas

Igual ao item acima, porém, mais variável de acordo com a fonte. Pequenas quantidades de resíduos nocivos específicos.

30-50%

Institucional

Igual ao item acima; composição variável entre as fontes.

2-5%

Construção e Construção civil ou locais de demolição demolição, construção de estradas

Concreto, metal, madeira, asfalto, painéis de gesso e sujeira predominam. É possível haver alguns resíduos nocivos.

5-20%

Serviços municipais

As fontes de resíduos variam entre os municípios.

1-10%

Industrial Produção leve e pesada, grandes indústrias de alimentos, usinas, indústrias químicas

Pode produzir grandes quantidades de resíduos relativamente homogêneos. Pode incluir cinzas, areias, lama da indústria de papel, caroços de frutas, lodo de tanque.

Não RSM

Agrícola Lavouras, laticínios, pastos, pomares

Resíduos alimentares estragados, adubos, matéria vegetal não utilizada (por exemplo, palha), substâncias químicas nocivas.

Não RSM

Mineração

Pode produzir grande quantidade de resíduos sólidos, necessitando de gerenciamento especializado.

Não RSM

Escolas, hospitais, prisões, bases militares, casas de repouso

Limpeza de ruas, parques e praias; areão e biossólidos do tratamento de água e águas residuais; coleta de folhas; descarte de carros abandonados e animais mortos

Mineração de carvão, mineração de urania, mineração de metais, exploração de óleo/gás

FONTE: Tchobanoglous et al., 1993.

Gestão de Resíduos Sólidos   551  

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800

dos Vários Materiais nos Resíduos Sólidos Municipais dos Estados Unidos, 1960-2010. (Dados da EPA, 2011.)

Resíduo gerado (kg/pessoa-ano)

Figura / 10.3  Taxa de Geração

Outros

700

Poda de jardim

600

Restos de comida Madeira

500

Têxteis

400

Borracha e couro

300

Plásticos

200

Metais

100

Vidro

0

Papel e papelão 1960

1970

1980

1990

2000

2010

Ano

Aplicação / 10.1   Caracterização Global dos Resíduos Sólidos A quantidade de resíduos sólidos gerados nos países em desenvolvimento é muito menor (0,15-0,3 Mg por pessoa por ano) do que a presente nos países desenvolvidos (0,71,5 Mg por pessoa por ano). A composição dos resíduos também é diferente no mundo todo, conforme a Tabela 10.3. As diferenças fundamentais na composição dos resíduos nos países em desenvolvimento incluem a fração mais alta de putrescíveis orgânicos e a fração menor de produtos manufaturados, como papel, metais e vidros. Os domicílios de renda mais alta tendem a gerar mais material inorgânico por meio de resíduos de embalagens, enquanto os domicílios de renda mais baixa produzem uma

fração maior de material orgânico por meio da preparação de alimentos a partir de ingredientes básicos. Entretanto, alguns domicílios de renda elevada no mundo em desenvolvimento podem gerar a mesma quantidade de material orgânico, uma vez que preparam mais alimento fresco, não industrializado. Essas diferenças tendem a ficar menores conforme os países desenvolvem suas economias. Combinadas com menos recursos financeiros e habilidades, as diferenças na produção de resíduos sólidos significam que as práticas de gestão únicas dos resíduos sólidos são necessárias nos locais com economias em desenvolvimento.

Tabela / 10.3 Composição dos Resíduos Sólidos de Cinco Cidades do Mundo Plástico, Resíduo borracha, Local alimentar Papel Metais Vidro couro Têxteis

Cerâmica, poeira, cinza, pedras

Geração (Mg/pessoa-ano)

Bangalore, 75,2 1,5 0,1 Índia

19

0,146

0,2 0,9

3,1

Manila, 45,5 14,5 4,9 2,7 8,6 1,3 27,5 Filipinas

0,146

Assunção, 60,8 12,2 2,3 4,6 4,4 2,5 13,2 Paraguai

0,168

Cidade do México, México

59,8*

11,9

1,1

3,3

3,5

0,4

20

0,248

Bogotá, Colômbia

55,4*

18,3

1,6

4,6

16

3,8

0,3

0,270

*Inclui pequenas quantidades de madeira, feno e palha. FONTE: Diaz et al., 2003.

  554  Capítulo 10

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Mihelcic | Engenharia Ambiental - Fundamentos, Sustentabilidade e Projeto 2ª edição  

Engenharia Ambiental: Fundamentos, Sustentabilidade e Projeto apresenta o conteúdo necessário para a elaboração de técnicas que permitam aos...

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