PHD 2219 Introdução à Engenharia Ambiental

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1 PHD 2219 Introdução à Engenharia Ambiental Aula 6 e 7 Poluição Atmosférica Conceitos básicos, poluentes atmosféricos, poluição do ar e meteorologia e transporte de poluentes e tratamento de emissões gasosas. José Carlos Mierzwa

2 Formação da Atmosfera Processo evolutivo ocorrido há milhões de anos; Após o Big Bang, agregado de poeira e meteoritos envoltos por hélio e hidrogênio; Atividade geológica e emissão de gases (CO 2, SO 2 ; vapor d água e NOx); Resfriamento e formação de rios e oceanos; Surgimento da primeira planta marinha e ocorrência de fotossíntese. 2

3 Composição Atual da Atmosfera Gás Composição (% v/v) ppm (base volumétrica) Nitrogênio 78, ,0 Oxigênio 20, ,0 Argônio 0, ,0 Dióxido de Carbono 0,03 340,0 Neônio 0, ,0 Hélio 0, ,2 Metano 0, ,5 Criptônio 0, ,0 Óxido Nitroso 0, ,5 Hidrogênio 0, ,5 Ozônio 0, ,07 Xenônio 0, ,09 Fonte: MORAN, J.M; MORGAN, M.D; WIERSMA, J.H. Introduction to environmental science,

4 T média = 15,5 ºC Distribuição Global da Radiação Solar no Planeta 4

5 Perfil de Temperatura da Atmosfera em função da Altitude 5

6 Poluentes Atmosféricos Poluentes Primários: Substâncias lançadas diretamente na atmosfera: CO; NO x ; SO 2 ; Hidrocarbonetos e material particulado; Poluentes Secundários: Formados em decorrência da reação entre as substâncias presentes na atmosfera em condições adequadas; SO 3 (reação entre SO 2 e O 2 ) Ácido Sulfúrico (reação entre o SO 3 e vapor d água); Ozônio (reação entre óxidos de nitrogênio e oxigênio na presença de luz solar); Ruído e calor também são considerados poluentes. 6

7 Poluição Natural ERUPÇÃO VULCÂNICA EM PAPUA NOVA GUINÉ EMISSÃO DE GASES DO VULCÃO KILAUEA (HAVAÍ) 7

8 Poluição Causada pelo Homem EMISSÃO VEICULAR EM ÁREAS URBANIZADAS PROCESSOS DE INCINERAÇÃO 8

9 Efeitos ou Escala da Poluição Atmosférica Os efeitos da poluição podem ser: Locais: Os problemas de poluição limitam-se a uma região muito pequena, nas proximidades da fonte ou na cidade. Globais: Podem envolver regiões bastante extensas, como várias cidades, estados e até países; Em um sentido mais amplo, os problemas globais de poluição afetam toda a ecosfera. 9

10 Efeitos Locais da Poluição O homem e o meio ambiente são afetados; Efeitos sobre o Homem: Problemas de saúde, principalmente doenças respiratórias; Plantas e animais dos quais ele depende são afetados. Efeitos sobre o meio ambiente: Fauna atinge os animais da mesma forma que atinge o Homem; Flora a absorção de poluentes pode resultar em desfolhamento e morte; Materiais problemas estruturais ou estéticos em edificações, monumentos culturais e automóveis; Atmosfera diminuição da visibilidade. 10

11 Efeitos dos Poluentes Atmosféricos sobre a Saúde Humana Poluente CO SO 2 NO 2 O 3 Efeito da Exposição Dores de cabeça, náusea, fraqueza, tontura e alucinações, exposições prolongadas podem resultar em morte. Irritação das mucosas dos olhos, nariz e garganta, coriza, tosse e brônquio constrição. Irritação das mucosas dos olhos, nariz e garganta, dispnéia, edema pulmonar, diminuição da funções pulmonares, bronquite crônica, dores no peito e taquicardia. Irritação das mucosas dos olhos, nariz e garganta, edema pulmonar doenças crônicas do sistema respiratório. Fonte: U.S. Department of Health and Human Services, Pocket guide to chemical hazards. NIOSH,

12 Smog Industrial Típico de regiões frias e úmidas; Problemas mais acentuados ocorrem no inverno; Resultante da queima de carvão e óleo combustível; Predomina em regiões industrializadas ou nas proximidades de usinas termelétricas; Principais componentes são o SO 2 e Material particulado; 12

13 Smog Industrial 13

14 Smog Fotoquímico Típico em cidades ensolaradas, quentes e de clima seco; Resulta da emissão de: Hidrocarbonetos, óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono. Na presença de luz solar dão origem a novos poluentes: Ozônio e Peroxiacetil nitrato (PAN). 14

15 Perfil de Formação do Smog Fotoquímico 15

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17 Formação do Peroxiacetil Nitrato 17

18 Inversão Térmica Fenômeno natural, que afeta as condições de dispersão de poluentes; Mudança da tendência de variação da temperatura da atmosfera com a altitude; Pode ser devida a três fatores distintos: Subsidência de camadas de ar mais quente; Resfriamento rápido da superfície do Planeta; Fluxos de massa de ar próximos à encostas. 18

19 Dispersão Vertical dos Poluentes Empuxo 1 Perfil Adiabático Perfil Subadiabático Resultante (Estável) R = 0 ou R < 0 Peso Perfil Super adiabático (Instável) R > 0 T - 10 T Temperatura 19

20 Processos de Inversão Térmica 20

21 Dispersão de Poluentes 21

22 Número de inversões térmicas, abaixo de 200 m, na RMSP de 1985 a

23 Efeitos Globais da Poluição Efeito Estufa (Mudança Climática) Processo pelo qual a temperatura do Planeta é mantida constante; Em decorrência de um desequilíbrio no balanço térmico, maior acúmulo de energia, existe uma tendência na elevação da temperatura; A causa deste desequilíbrio é atribuída a certos gases que são emitidos para a atmosfera: CO 2 ; CH 4 e Óxidos de nitrogênio, entre outros. 23

24 Efeito Estufa (Mudança Climática) Atribui-se ao CO 2 a maior responsabilidade pela ocorrência do efeito estufa; Justificativas baseada nos estudos elaborados na Antártica, que possibilitou relacionar a variação da temperatura do Planeta com a concentração de CO 2 ; As evidências encontradas conduziram ao desenvolvimento de um acordo internacional, para reduzir as emissões de CO 2 para a atmosfera; 24

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26 Correntes atmosféricas no Planeta 26

27 Fonte: (Figs. 09 e 10) 27

28 Implicações das Mudanças Climáticas Aumento da temperatura média do Planeta; Aumento na taxa de evaporação de água e aumento da precipitação; Diminuição da umidade do solo em várias regiões e aumento em outras; Aumento do nível dos oceanos; Alterações no equilíbrio do ecossistema. 28

29 Medidas de Controle Protocolo de Quioto para a redução das emissões de CO 2 ; Reduzir as emissões aos níveis de 1990; Mecanismo de Desenvolvimento Limpo; Cria-se o conceito de crédito de emissão; Países industrializados por meio de compensações financeiras à países em desenvolvimento ganham créditos para ultrapassar a cota estabelecida; Os investimentos podem ser feitos em projetos de reflorestamento. 29

30 Depleção da Camada de Ozônio Diminuição da concentração de ozônio encontrado na atmosfera (15 a 30 Km); Resultado da degradação catalítica pelos Clorofluorcarbonos (CFC s); Importância do Ozônio: Reduz a intensidade de radiação ultravioleta que chega à superfície do Planeta, principalmente UVB e UVC. 30

31 Tipos de Radiação Ultravioleta Tipo de Radiação Comprimento de Onda (nm) UVA UVB UVC ~ Observações Comprimento de onda muito próximo da luz visível, não é absorvida. Apresenta vários efeitos prejudiciais, podendo causar danos ao DNA, que pode resultar em câncer aumento de índice de catarata e danos à materiais poliméricos. A camada de ozônio é efetiva para a sua atenuação. Extremamente prejudicial, mas é completamente absorvida pela camada de ozônio e pelo oxigênio da atmosfera. 31

32 Implicações da Redução da Camada de Ozônio Aumento do índice de câncer de pele; Aumento do índice de catarata; Danos à materiais poliméricos, plantas e organismos matinhos. 32

33 Mecanismos de Atenuação 33

34 Degradação Catalítica pelo CFC 34

35 Depleção da camada de ozônio Outubro de 1990 Depleção da camada de ozônio Outubro de 2015 Depleção da camada de ozônio Outubro de Fonte:

36 Chuva Ácida Problema relacionado à emissão de óxidos de nitrogênio e de enxofre para a atmosfera; Estes compostos reagem com o oxigênio e água presentes na atmosfera e dão origem à substâncias ácidas; Implicações: Atingem águas superficiais; Diminuem a capacidade de produção das florestas; Contribui para a eutrofização de lagos e reservatórios; Provoca problemas de corrosão de metais. 36

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38 Emissões de SO 2 nos EUA 1973 pico de 33 milhões de toneladas; ,9 milhões de toneladas; 1990 Proposta para reduzir em 10 milhões de toneladas em relação a 1980; 1995 Estabelecido o teto de emissão de 8,7 milhões de toneladas para os maiores emissores. 38

39 Mecanismo para redução das emissões Limitar a emissão por fontes afetadas, por meio de um programa específico; O atendimento às exigências definidas pode ser obtido: Por métodos alternativos aos de controle da poluição; Criação de um sistema de alocação e transferência de emissões. 39

40 Permissões Negociáveis Trata-se de um conceito no qual as fontes de emissão são consideradas em conjunto; Estabelecimento de um limite anual de emissão para poluentes específicos (Teto): Toneladas por ano; Emissão de permissões para as empresas envolvidas no programa; Uma permissão equivale à uma determinada quantidade de poluentes que pode ser emitida no ano; 40

41 Permissões Negociáveis (cont.) As permissões são distribuídas de acordo com a capacidade de produção de cada instalação; Considerando-se o controle da emissão pelo setor elétrico, deve-se considerar a produção de energia por todas as empresas envolvidas; No final do período cada empresa apresenta ao órgão de controle, uma quantidade de permissões equivalentes a quantidade de poluentes emitidos. 41

42 Bases para o Programa 42

43 Atendimento dos limites estabelecidos A estratégia para atingir os níveis de emissão estabelecidos deve ser desenvolvida pela indústria; Geralmente isto é feito com base em avaliações econômicas, levando-se em consideração: O custo necessário para atingir os níveis de emissão estabelecidos; A redução de poluentes obtida. Com base na análise do custo para controle da emissão, pode-se optar em comprar permissões de empresas onde o custo marginal de abatimento seja menor. 43

44 Minimização de custos com a comercialização das permissões 44

45 Medidas para controle da emissão O controle da emissão pode ser feito: Diretamente no ponto de emissão; Na cadeia produtiva de insumos utilizados (Controle Upstream); Na cadeia dos usuários (Downstream). Caso as empresas ultrapassem os limites de emissão alocados, elas são penalidades. 45

46 Resultados nos EUA Com a implantação do programa de permissões negociáveis houve uma significativa redução das emissões; Dados relacionados à qualidade do ar têm mostrado um declínio na concentração de SO 2 ; Somente os benefícios relacionados à saúde, estimados para 2010 podem chegar a valores variando de 17 a 70 bilhões de dólares anuais. 46

47 Tendências regionais para a concentração de SO 2 47

48 Tendência para a deposição úmida de SO 4-2.

49 Dispersão de Poluentes Refere-se ao processo pelo qual a concentração dos poluentes varia após o seu lançamento na atmosfera; A massa de poluentes lançada na atmosfera pode ser imaginada como sendo um balão de ar quente; Caso este balão seja lançado na atmosfera e não ocorra troca de calor (sistema adiabático), a temperatura do gás contido no mesmo irá diminuir; Nesta condição, a variação de temperatura será de 1 C para cada 100 m de elevação; Este perfil de variação de temperatura é conhecido como adiabático seco, sendo utilizado como referência para a dispersão; 49

50 Dispersão Vertical dos Poluentes Empuxo 1 Perfil Adiabático Perfil Subadiabático Resultante (Estável) R = 0 ou R < 0 Peso Perfil Super adiabático (Instável) R > 0 T - 10 T Temperatura 50

51 Dispersão de Poluentes Caso a temperatura do balão diminua mais rápido que a da atmosfera, não haverá dispersão; Caso a temperatura da atmosfera diminua mais rápido que a do balão, haverá tendência do deslocamento ascendente do poluente; Além disso os deslocamentos horizontais podem favorecer a mistura e dispersão dos poluentes; Os fenômenos de inversão térmica desfavorecem a dispersão. 51

52 Efeitos da Estabilidade do Ar na Dispersão de Poluentes 52

53 Normas para o Controle da Poluição Atmosférica Normas brasileiras de controle de poluição do ar seguem as americanas; Nestas normas são estabelecidos padrões de qualidade para o ar visando: Proteger os grupos mais sensíveis, como crianças, idosos e pessoas com problemas respiratórios; Garantir uma condição que não resulte em efeitos adversos sobre o bem estar da população em geral e sobre o meio ambiente. 53

54 Normas de Controle da Poluição do Ar Federal: Resolução CONAMA n 18, 06/05/1986: Institui o Programa de Controle de Poluição por Veículos Automotores PROCONVE. Resolução CONAMA n 03, 28/06/1990: Estabelece os Padrões de Qualidade do Ar. Resolução CONAMA n 08, 06/12/1990: Estabelece os limites máximos de emissão de poluentes do ar para processos de combustão externa em fontes novas fixas. Estado de São Paulo: Decreto 8.468/1973 (Título III Poluição do Ar) 54

55 Índice de Qualidade do Ar BOA INADEQUADA MÁ PÉSSIMA CRÍTICA Atende ao Padrão de Qualidade Não Atende ao Padrão de Qualidade 55

56 Significado do Índice de Qualidade do Ar Utilizado para relacionar as condições de qualidade do ar com os possíveis efeitos sobre a saúde humana e medidas de controle; Baseado no indicador americano (Pollutant Standard Index PSI); Relaciona a concentração do poluente na atmosfera e o seu padrão primário de qualidade. 56

57 Tabela do Índice de Qualidade do Ar da CETESB 57

58 Controle da Poluição do Ar Medidas Preventivas: Melhora da qualidade dos combustíveis; Uso de combustíveis com baixo teor de enxofre; Substituição de combustíveis fósseis por fontes alternativas; Manter programas de avaliação dos sistemas de combustão; Manter programas de manutenção preventiva nos sistemas relacionados à combustão. 58

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60 Tratamento de Emissões Gasosas As principais técnicas para tratamento de resíduos gasosos envolvem: Transferência do contaminante para uma fase sólida ou líquida; Conversão para espécies com menor potencial de risco; Em muitos casos a dispersão dos poluentes gasosos é o procedimento mais utilizado; 60

61 Fonte: 0no%20Setor%20de%20Transporte.pdf 61

62 Melhorias nos Veículos Automotores 62

63 Tratamento de Resíduos Gasosos Como principais alternativas para tratamento de resíduos gasosos destacam-se: Filtração; Separação; Remoção de gases ácidos; Controle de NOx; Adsorção em carvão ativado ou incineração. 63

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65 A - Filtração A técnica de filtração é indicada para a remoção de partículas em suspensão presentes nas correntes gasosas; Os principais equipamentos de filtração incluem: Filtros de manga; Filtros cerâmicos; Filtros metálicos; Filtros absolutos (HEPA). 65

66 A - Filtração O processo está baseado na interceptação das partículas presentes na corrente gasosa, quando esta atravessa um meio poroso; São aplicadas para correntes gasosas secas; Devem ser selecionadas em função do diâmetro da partícula que se deseja remover. 66

67 Filtro de Manga Pulsado 67

68 B - Separação Aplica-se a remoção de materiais particulados de qualquer corrente gasosa seca ou úmida; O tipo de processo de separação a ser utilizado depende do diâmetro das partículas presentes; Os dispositivos de separação podem ser ativos ou passivos; As principais técnicas de separação disponíveis incluem: Separador gravitacional; Separador tipo ciclone; Precipitador eletrostático; Eliminador de umidade. 68

69 Separador tipo ciclone 69

70 Precipitador Eletrostático 70

71 C Remoção de Gases Ácidos Pode ser obtida em lavadores de gases ou pelo processo a seco; Os lavadores de gases aplicam-se a remoção de material particulado, SO 2 e HCl; Gases e material particulado são absorvidos em uma solução adequada, geralmente alcalina; A remoção dos gases ácidos a seco é feita pela adição de um material absorvedor que irá reagir com o gás, dentro do próprio dispositivo de combustão; O material gerado será coletado nos sistemas de separação existentes; 71

72 D Controle de NOx O controle de efluentes gasosos contendo NOx pode ser realizado por um dos seguintes processos: Controle da temperatura de combustão e relação ar/combustível; Redução catalítica seletiva; Redução não catalítica (adição de NH3 como agente redutor). Redução catalítica não seletiva; Decomposição direta com catalisador; Oxidação e lavagem (NO NO 2 ); Quelação e lavagem. 72

73 D Controle de NOx Só os lavadores de gases não são capazes de promover a remoção dos vapores de NOx presentes nos gases de combustão; Isto se justifica em razão da maior fração de NOx (90 a 95 %), estar na forma de NO, o qual não é efetivamente capturado. 73

74 Lavador de gases tipo Venturi 74

75 E Adsorção em Carvão Ativado ou Incineração Efluentes com compostos voláteis, hidrocarbonetos e solventes orgânicos, podem ser submetidos a este tipo de processo; Adsorção em carvão ativado: Contaminantes são retidos no carvão por processos físicos e químicos; Após a exaustão o carvão exaurido deverá ser gerenciado de forma adequada, podendo ser regenerado ou incinerado; Incineração os gases: Contaminantes voláteis são convertidos em substâncias menos tóxicas; Pode ser feita a recuperação de energia. 75