Estudo da reaeração da água em canal com fundo deslizante | Reaeration study of water in moving-bed channel

Este trabalho teve por objetivos estudar o processo de reaeração de água limpa em canal raso; avaliar os principais fatores intervenientes; e propor equações preditoras, que possibilitassem a estimativa do coeficiente de reaeração (K2), a partir das variáveis hidráulicas e de outras que representassem o processo de transferência de massa do oxigênio do ar para a água, no seu escoamento. Para a execução do experimento, foi necessária a construção de canal hidráulico, nas dimensões de comprimento, largura e altura de 5,00 m x 1,60 m x 0,80 m, e esteira transportadora, que foi posicionada no fundo do canal para movimentar a água em diferentes velocidades e promover turbulência. Para a condução dos testes de reaeração, inicialmente, o oxigênio dissolvido, presente na água da rede de abastecimento, foi removido por meio da adição de sulfito de sódio. A reintrodução do oxigênio na água ocorreu pelo fenômeno físico de transferência de massa, que foi favorecido pela movimentação da água em escoamento. Os testes foram conduzidos submetendo a esteira às velocidades de 0,54; 0,67; 0,74; 0,84; 0,94; 1,14; e 1,35 ms-1, com profundidade das lâminas d águas na faixa de 0,11 a 0,25 m. Essas condições proporcionaram à água, velocidade média na faixa de 0,05 ms-1 a 0,20 ms-1. Aos dados experimentais previamente tratados e transformados em déficit de oxigênio dissolvido ajustou-se o modelo cinético de decaimento de primeira ordem e determinou-se o parâmetro denominado coeficiente de reaeração (K2) da água para os 27 testes conduzidos. Com os dados hidráulicos do canal, calculou-se o valor de K2, utilizando-se várias equações preditoras teóricas, semiempíricas e empíricas disponíveis na literatura. A avaliação da adequabilidade das equações se deu por meio da análise do coeficiente de determinação (R²) e das estatísticas do erro-padrão de estimativa (SE), erro médio normalizado (NME) e erro médio multiplicativo (MME). Valores de K2 estimados utilizandoxv se as equações preditoras foram comparados com os calculados a partir de dados obtidos nos testes (medição da quantidade de oxigênio incorporado), tendo sido verificado que os melhores ajustamentos ocorreram nas equações semiempíricas propostas por Krenkel e Orlob (1962), Cadwallader e McDonnell (1969), Parkhurst e Pomeroy (1972), embora algumas equações empíricas também tenham fornecido bom ajuste. Foram testadas 20 combinações de variáveis para que se obtivesse uma equação preditiva geral, de bom ajuste aos dados experimentais. A equação que envolveu as variáveis fator de forma, declividade e número de Reynolds foi considerada a mais adequada porque além de ter apresentado coeficiente de determinação elevado e parâmetros significativos, as variáveis apresentaram semelhante grau de importância na análise de sensibilidade do modelo matemático. Foi analisado também um modelo co base na teoria da renovação superficial e no fenômeno da turbulência, que indicou que os grandes vórtices foram os agentes principais no transporte de oxigênio do ar para a água. Com isso, foi proposta outra equação, ajustada, utilizando-se dados deste trabalho e do de Moog e Jirka (1999), em que se obteve estimativa do fenômeno físico.

This work aimed to study the reaeration of clean water in shallow channel process, to evaluate the main factors intervening and to propose predictive equations, which could allow the estimation of the reaeration coefficient (K2) from hydraulic and other variables representing the process of mass transfer of oxygen from air to flowing water. To implement the experiment was necessary to build a water channel, with the length, width and height dimensions of 5.00 mx 1.60 mx 0.80 m, and a conveyor belt, which was positioned at the bottom of the channel, whose function was to move the water at different velocities and to promote turbulence. To conduct reaeration tests, initially, the oxygen dissolved, present in the water supply network, was removed by adding sodium sulfite. The reintroduction of oxygen in the water was due to physical phenomenon of mass transfer, which was favored by the water motion. The tests were conducted by subjecting the belt slide at the speeds of 0.54, 0.67, 0.74, 0.84, 0.94, 1.14 and 1.35 ms-1, with of water depths in range 0.11 to 0.25 m. These conditions provided the water an average speed in the range of 0.05 ms-1 to 0.20 ms-1. To the experimental data, previously treated and converted into a deficit of dissolved oxygen, were fitted to first-order kinetics model and determined the parameter named reaeration coefficient (K2) of water for all 27 tests conducted. With the hydraulic channel data, the value of K2 was estimated using various predictive theoretical, empirical and semiempirical equations available in the literature. The suitability of the equations have been evaluated by analyzing the coefficient of determination (R²) and error estimation such as standard error (SE), normal mean error (NME) and mean multiplicative error (MME). Estimated K2 values using predictive equations were compared to those calculated from data obtained in the tests (measurement of absorbed oxygen), having been found that the best adjustments occurred in semiempirical equations proposed by Krenkel and Orlob (1962), Cadwallader and McDonnell (1969), Parkhurst and Pomeroy (1972), although some empirical also have provided good fit. Twenty combinations of variables were tested to obtain a predictive general equation that produce a good fit to experimental data. The equation involving the variables shape factor channel, slope and Reynolds number was considered the most appropriate because it presented a high determination coefficient and significant parameters, and also variables showed a similar degree of importance in the sensitivity analysis of the mathematical model. It was also analyzed a model based on surface renewal theory and the phenomenon of turbulence, which indicated that large vortices were the principal agents in the transport of oxygen from air to water. Therefore, another equation was proposed, adjusted using data obtained in this work and the Moog and Jirka (1999), with which the adequate estimation of physical phenomenon was obtained.