DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL MESTRADO EM SANEAMENTO AMBIENTAL
LEONARDO DA CUNHA MARQUES
MODELAGEM MATEMÁTICA DA DISPERSÃO DE POLUENTES ATMOSFÉRICOS EM INDÚSTRIA SIDERÚRGICA NO CEARÁ
MODELAGEM MATEMÁTICA DA DISPERSÃO DE POLUENTES ATMOSFÉRICOS EM INDÚSTRIA SIDERÚRGICA NO CEARÁ
Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Área de concentração: Saneamento Ambiental.
Orientador: Prof. Dr. Ronaldo Stefanutti. Coorientador: Prof. Dr. Sebastián Diez.
M319m Marques, Leonardo da Cunha.
Modelagem matemática da dispersão de poluentes atmosféricos em indústria siderúrgica no Ceará / Leonardo da Cunha Marques. – 2017.
84 f. : il. color.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia,
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Saneamento Ambiental, Fortaleza, 2017. Orientação: Prof. Dr. Ronaldo Stefanutti.
Coorientação: Prof. Dr. Sebastián Cesar Diez.
1. Poluição do Ar. 2. AERMOD. 3. ISC3. I. Título.
MODELAGEM MATEMÁTICA DA DISPERSÃO DE POLUENTES ATMOSFÉRICOS EM INDÚSTRIA SIDERÚRGICA NO CEARÁ
Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Área de concentração: Saneamento Ambiental.
Aprovado em: 13/12/2017
BANCA EXAMINADORA
________________________________ Prof. Dr. Ronaldo Stefanutti (Orientador) Universidade Federal do Ceará (UFC)
________________________________ Prof. Dr. Francisco Suetônio Bastos Mota
Universidade Federal do Ceará (UFC)
________________________________ Prof. Dr. Javier Britch
Universidad Tecnológica Nacional (UTN)
________________________________ Prof. Dr. Sebastián Diez
disposição, gentileza e atenção durante toda minha vida acadêmica.
Ao Prof. Roberto Pepino e seus companheiros na Universidade Tecnológica Nacional – Faculdade Regional de Córdoba, que me proporcionaram todo o conhecimento e as ferramentas para o desenvolvimento deste trabalho.
Ao Centro de Investigación y Transferencia en Ingeniería Química Ambiental (CIQA), representado pelo seu diretor Hector Macaño e vice-diretor Javier Britch, por viabilizar a parceria internacional entre a UFC e a UTN.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo auxílio financeiro fornecido ao longo do projeto.
Aos meus colegas, pelo companheirismo e ajuda e pelos momentos felizes e descontraídos, que jamais serão esquecidos.
À minha família, por todo o apoio e por serem os maiores responsáveis por eu ter chegado até aqui.
apesar de ser um tema de grande importância socioambiental devido ao crescimento industrial observado nas últimas décadas no estado. Este crescimento provoca impactos na atmosfera local, aumentando a concentração de poluentes e o risco à saúde humana. Desta forma, existe a necessidade de acompanhar o grau de poluição do ar e avaliar o atendimento à legislação ambiental. O objetivo deste estudo foi analisar o regime de dispersão de poluentes atmosféricos emitidos a partir de uma indústria siderúrgica localizada no Distrito Industrial de Maracanaú, através do uso de ferramentas de modelagem matemática, analisando o atendimento à legislação ambiental. Para tal, foram realizadas múltiplas corridas com os modelos de qualidade do ar ISC3 e AERMOD para os seguintes poluentes: Material Particulado (MP10), Óxidos de Enxofre (SOx), Óxidos de Nitrogênio (NOx) e Monóxido de Carbono (CO), levando em consideração os fatores intervenientes na dispersão, tais como a meteorologia e o efeito de Building Downwash. Foi observado que os limites máximos de concentração, estabelecidos pela legislação ambiental brasileira, estão sendo respeitados para todos os poluentes estudados. Também foi analisado o efeito das edificações na dispersão da pluma de poluentes através da comparação entre os modelos ISC3, ISC3-PRIME e AERMOD. Observou-se que o ISC3 superestima os valores de concentração, enquanto os outros dois modelos apresentaram valores próximos entre si e inferiores ao ISC3 pelo fato de ambos incorporarem o efeito de
Building Downwash no cálculo da dispersão. Por fim, obteve-se um valor de altura mínima de chaminé de 55 metros a fim de eliminar o efeito Building Downwash na dispersão.
despite being a subject of great socioenvironmental importance due to the industrial growth observed in the last decades in the state. This growth causes impacts on the local atmosphere, increasing the concentration of pollutants and the risk to human health. Thus, there is a need to monitor the degree of air pollution and evaluate compliance with environmental legislation. The objective of this study was to analyze the dispersion regime of atmospheric pollutants emitted from a steel industry located in the Maracanaú Industrial District, through the use of mathematical modeling tools, analyzing compliance with environmental legislation. For this, multiple runs were performed with the air quality models ISC3 and AERMOD for the following pollutants: Particulate Matter (PM10), Sulfur Oxides (SOx), Nitrogen Oxides (NOx) and Carbon Monoxide (CO), taking into account factors such as meteorology and the effect of Building Downwash. It was observed that the maximum concentration limits, established by the Brazilian environmental legislation, are being respected for all pollutants studied. It was also analyzed the effect of buildings on the dispersion of the pollutant plume by comparing the ISC3, ISC3-PRIME and AERMOD models. It was observed that the ISC3 overestimated the concentration values, while the other two models presented values close to each other and lower than the ISC3 because both incorporated the effect of Building Downwash in the dispersion calculation. Finally, a minimum stack height value of 55 meters was obtained in order to eliminate the Building Downwash effect in the dispersion.
Figura 2: Participação nas emissões por setor no Brasil em 2014. ... 21
Figura 3: Indicador DALY devido a poluição atmosférica, por país. ... 26
Figura 4: Representação gráfica de estabilidade e instabilidade atmosférica. ... 30
Figura 5: Representação dos três mecanismos do fenômeno Downwash. ... 33
Figura 6: Comportamento da pluma de poluentes em diferentes classes de estabilidade atmosférica. ... 36
Figura 7: Pluma gaussiana e sua dispersão nos três eixos considerados. ... 42
Figura 8: Fluxo de dados no modelo AERMOD. ... 47
Figura 9: Layout geral da área alvo da pesquisa, localizada no município de Maracanau/CE. ... 49
Figura 10: Layout geral da Gerdau Cearense. ... 49
Figura 11: Fluxograma do processo produtivo da aciaria elétrica da Gerdau Cearense. ... 52
Figura 12: Visão geral do galpão da aciaria, juntamente com o sistema de despoeiramento secundário, da usina Gerdau Cearense. ... 53
Figura 13: Mapa com a localização geográfica dos receptores considerados para a modelagem. ... 56
Figura 14: Rosa dos ventos e frequência de distribuição da velocidade dos ventos para a área de estudo. ... 60
Figura 15: Rosas dos ventos para os períodos diurno e noturno. ... 61
Figura 16: Distribuição de frequência da velocidade dos ventos para as diferentes estações do ano. ... 62
Figura 17: Precipitação mensal para o período de estudo. ... 62
Figura 18: Mapa de dispersão para material particulado, período 24h, para as emissões da chaminé da aciaria da Gerdau Cearense. ... 64
Figura 19: Mapa de dispersão para material particulado, período anual, para as emissões da chaminé da aciaria da Gerdau Cearense. ... 65
anual, para as emissões da chaminé da aciaria da Gerdau Cearense. . 68 Figura 23: Mapa de dispersão para óxidos de nitrogênio, período 1h, para as
emissões da chaminé da aciaria da Gerdau Cearense. ... 69 Figura 24: Mapa de dispersão para óxidos de nitrogênio, período anual, para as
emissões da chaminé da aciaria da Gerdau Cearense. ... 70 Figura 25: Mapa de dispersão para monóxido de carbono, período 1h, para as
emissões da chaminé da aciaria da Gerdau Cearense. ... 71 Figura 26: Mapa de dispersão para monóxido de carbono, período 8h, para as
emissões da chaminé da aciaria da Gerdau Cearense. ... 72 Figura 27: Comparativo entre os modelos ISC3, ISC3-PRIME e AERMOD para a
dispersão de SO2. ... 75 Figura 28: Área de influência das edificações dentro da área de estudo. ... 76 Figura 29: Comparativo entre a altura da chaminé atual (22m) e a altura
Tabela 2: Estimativa da evolução da concentração atmosférica de espécies
químicas entre 1750 e 2013. ... 19
Tabela 3: Efeitos adversos à saúde humana de acordo com o poluente. ... 26
Tabela 4: Relação entre fontes, poluentes e efeitos no meio físico. ... 27
Tabela 5: Critérios para classificação de estabilidade atmosférica. ... 31
Tabela 6: Limites de concentração estabelecidos pela Resolução CONAMA nº 03, de 28 de junho de 1990. ... 37
Tabela 7: Critérios para episódios agudos de poluição do ar estabelecidos pela resolução CONAMA nº 03, de 28 de junho de 1990. ... 38
Tabela 8: Características físicas da chaminé da aciaria elétrica da Gerdau Cearense. ... 54
Tabela 9: Taxas de emissões dos poluentes analisados pela chaminé da aciaria em janeiro de 2016. ... 55
Tabela 10: Comparativo entre os limites de concentração estabelecidos pelas legislações de diversos países. ... 58
Tabela 11: Comparativo entre os valores modelados e os limites estabelecidos pela Resolução CONAMA nº 03/90. ... 73
Tabela 12: Comparativo entre os valores modelados e os limites recomendados pela OMS. ... 73
AERMAP Pré-processador de terreno do AERMOD AERMET Pré-processador meteorológico do AERMOD AERMOD AMS/EPA Regulatory Model
BPIP-PRIME Building Profile Input Program / Plume Rise Model Enhancements
CETESB Companhia Ambiental do Estado de São Paulo CLP Camada Limite Planetária
CO Monóxido de Carbono
CONAMA Conselho Nacional de Meio Ambiente COVs Compostos Orgânicos Voláteis
DALY Disability-Adjusted Life Year
EAF Forno Elétrico a Arco
EIA Estudo de Impacto Ambiental
LF Forno Panela
Funceme Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos HPAs Hidrocarbonetos Poliaromáticos
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística INMET Instituto Nacional de Meteorologia
INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia
IPCC Intergovernamental Panel on Climate Change
IPECE Instituto de Pesquisa e Estratégia Econômica do Ceará
ISC3 Industrial Source Complex
ISO International Organization for Standardization
LC Lingotamento Contínuo
MAA Média Aritmética Anual MGA Média Geométrica anual MP Material Particulado NO2 Dióxido de Nitrogênio NOX Óxidos de Nitrogênio
O3 Ozônio
ppmv Partes por milhão volumétrica
PRONAR Programa Nacional de Controle de Qualidade do Ar PTS Particulas Totais em Suspensão
RIMA Relatório de Impacto ao Meio Ambiente SO2 Dióxido de Enxofre
SOX Óxidos de Enxofre
USEPA United States Environmental Protection Agency
2 OBJETIVOS ... 16
2.1 Objetivo Geral ... 16
2.2 Objetivos Específicos ... 16
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 17
3.1 Atmosfera ... 17
3.2 Poluição Atmosférica ... 19
3.2.1 Origem, Fontes e Classificação ... 19
3.2.2 Principais Poluentes ... 21
3.2.2.1 Dióxido de Enxofre ... 22
3.2.2.2 Óxidos de Nitrogênio ... 22
3.2.2.3 Óxidos de Carbono ... 23
3.2.2.4 Ozônio ... 24
3.2.2.5 Material Particulado ... 24
3.2.3 Consequências da Poluição ... 25
3.3 Transporte e Destino de Poluentes na Atmosfera ... 28
3.3.1 Fatores Intervenientes no Transporte e Dispersão ... 28
3.3.1.1 Estabilidade Atmosférica ... 28
3.3.1.2 Vento ... 31
3.3.1.3 Turbulência ... 32
3.3.1.4 Downwash... 32
3.3.1.5 Temperatura... 34
3.3.1.6 Topografia ... 35
3.3.2 Tipos de Plumas ... 36
3.4 Legislação... 37
3.5.3 AERMOD ... 45
4 METODOLOGIA ... 48
4.1 Caracterização da Área de Estudo ... 48
4.2 Programas Utilizados ... 50
4.3 Indústria Siderúrgica ... 50
4.4 Obtenção de Dados ... 53
4.5 Modelagem de Dispersão de Poluentes ... 55
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 58
5.1 Análise da legislação brasileira ... 58
5.2 Rosa dos Ventos ... 59
5.3 Modelagem Matemática ... 63
5.3.1 Material Particulado ... 63
5.3.2 Óxidos de Enxofre ... 66
5.3.3 Óxidos de Nitrogênio ... 68
5.3.4 Monóxido de Carbono ... 70
5.4 Atendimento à legislação ... 72
5.5 Comparação entre modelos ... 73
5.6 Efeito das edificações ... 76
6 CONCLUSÕES ... 79
1
INTRODUÇÃO
A poluição atmosférica está intrinsicamente relacionada com o desenvolvimento da vida moderna e da revolução industrial. Subprodutos gerados pela maneira como o homem desenvolve suas cidades e produz seus bens, os poluentes atmosféricos são geralmente produzidos durante a combustão.
Segundo Wark e Warner (1981), a combustão perfeita geraria calor, luz, dióxido de carbono (CO2) e vapor de água. Entretanto, fatores como impurezas no combustível, relação combustível/ar insuficiente ou temperaturas de combustão muito altas ou baixas fazem com que sejam gerados subprodutos como monóxido de carbono (CO), óxidos de enxofre (SOX) e óxidos de nitrogênio (NOX), todos estes considerados poluentes atmosféricos.
Apesar da poluição do ar não ser um fenômeno recente, com relatos de casos de névoas no céu de Londres causados pela queima de carvão datados de 1272 (STERN, 1968), a problemática é relativamente recente no meio acadêmico, em especial no Brasil. Apenas na década de 1950 que se iniciou o estudo em conjunto de poluição do ar e ciências meteorológicas, com o estudo de laboratório para entender melhor a formação do smog fotoquímico (JACOBSON, 2005).
Na década de 1970, os problemas de poluição do ar, além da poluição atmosférica urbana, começaram a ser reconhecidos. Tais problemas incluíam a redução da camada de ozônio, depleção de ozônio na região Antártica e mudanças climáticas em níveis globais (SPORTISSE, 2016).
A problemática da poluição do ar envolve desde problemas respiratórios na população humana até o fenômeno do Aquecimento Global. Um aspecto fundamental a ser considerado em pesquisas atmosféricas envolvendo a dispersão de poluentes é a preservação da saúde humana, ou seja, o desenvolvimento do conhecimento com vistas à aplicação em benefício da saúde e bem-estar do ser humano (SCHLINK, 2006, apud BARBON e GOMES, 2010).
no ar (CUNHA, 2002). Este método vem sendo amplamente utilizado no prognóstico da qualidade do ar.
Tendo em vista sua importância ambiental, juntamente com a maior conscientização da população e a maior fiscalização deste tipo de poluição, foi sugerida uma parceria entre a Universidade Federal do Ceará, através do Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental, com a Gerdau Cearense, indústria siderúrgica semi-integrada localizada no estado do Ceará, com o intuito de produzir um estudo de dispersão de poluentes atmosféricos com auxílio da modelagem matemática.
A principal justificativa para o desenvolvimento do presente estudo é que a temática é incipiente e pouco explorada no Ceará, apesar de ser um tema de grande importância socioambiental no estado, devido ao crescimento industrial observado nas últimas décadas. A implantação do Distrito Industrial de Maracanaú e do Complexo Industrial e Portuário do Pecém comprova este crescimento industrial. Entretanto, este crescimento também provoca impactos na atmosfera local, aumentando a concentração de poluentes e o risco à saúde humana.
2
OBJETIVOS
2.1 Objetivo Geral
Determinar, através da modelagem matemática, a concentração de poluentes atmosféricos e as suas características de dispersão na área de uma indústria siderúrgica, analisando o atendimento à legislação ambiental.
2.2 Objetivos Específicos
Realizar uma análise crítica da legislação brasileira;
Analisar o regime de ventos da área de estudo;
Determinar a área de influência da fonte emissora;
Modelar a dispersão de poluentes na área de estudo;
Comparar os valores obtidos de concentração de poluentes para os modelos ISC3 e AERMOD;
Verificar o atendimento à legislação ambiental vigente;
Modelar a área de estudo para diferentes cenários;
3
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Atmosfera
O planeta Terra está imerso em uma camada de gases presa próxima à superfície pelo campo gravitacional do planeta chamada atmosfera. A atmosfera pode ser dividida em camadas conforme o aumento da altitude, apresentando características diferentes no que se refere à temperatura do ar e à composição química. A Figura 1 representa a divisão da atmosfera em suas camadas.
Entretanto, podem-se destacar duas camadas, onde os principais fenômenos climáticos ocorrem: a troposfera, camada que se inicia no solo e se estende até cerca de 12 km, e a estratosfera, que se inicia em 20 km até cerca de 50 km de altitude (CAPAZ e NOGUEIRA, 2014).
É na troposfera onde ocorrem a maior parte dos fenômenos atmosféricos e problemas ambientais, como chuva ácida e ilhas de calor. Estes fenômenos devem-se ao nível de intervenção antrópica nesta camada. A estratosfera possui grande importância devido a presença do ozônio, com função de absorção e dispersão da radiação solar no espectro do ultravioleta (PIRES, 2005, apud ARAUJO, 2012).
Figura 1: Estrutura vertical da atmosfera e sua variação de temperatura.
A Camada Limite Planetária (CLP) é a camada da atmosfera que é influenciada diretamente pela superfície da Terra. Ela possui uma altitude de 1 a 4 km durante o dia e de aproximadamente 400 metros durante a noite. Essa variabilidade deve-se ao fluxo de calor na superfície, cisalhamento do vento, topografia, entre outros. Sua escala de tempo é reduzida, variando de algumas horas até um dia (VISSCHER, 2014).
A atmosfera contém uma variedade de substâncias gasosas, desde nitrogênio gasoso, representando cerca de 78% da composição atmosférica, até gases como argônio e criptônio, com concentrações próximas a partes por bilhão (ppb).
Segundo Derisio (2000), a concentração destes gases, por menor que seja, é essencial para a manutenção da vida na Terra, pois constituem um tênue equilíbrio para o clima do planeta. A Tabela 1 apresenta a composição química da atmosfera, com seus principais gases constituintes.
Tabela 1: Composição química da atmosfera terrestre.
Espécie Símbolo Concentração (ppm)
Nitrogênio N2 780.000
Oxigênio O2 210.000
Argônio Ar 9.300
Dióxido de carbono CO2 365
Neônio Ne 18,18
Hélio He 5,24
Metano CH4 1,8
Criptônio Kr 1,14
Hidrogênio H2 0,50
Óxido nitroso N2O 0,314
Monóxido de carbono CO 0,19
Ozônio O3 0,04
Fonte: Adaptado de Sportisse, 2016.
Tabela 2: Estimativa da evolução da concentração atmosférica de espécies químicas entre 1750 e 2013.
Espécie 1750 1960 1980 1990 1998 2013
CO2 (ppmv) 278 315 325 352 365 399
CH4 (ppmv) 0,7 1,27 1,57 1,68 1,745 1,834
N2O (ppbv) 270 300 303 310 314 328
CFC-11 (pptv) 0 11 173 275 268 232
CFC-12 (pptv) 0 33 297 468 533 516
Fonte: IPCC, 2013.
3.2 Poluição Atmosférica
Segundo Capaz e Nogueira (2014), entende-se por poluição do ar a presença de substâncias na atmosfera em concentrações que podem provocar efeitos na saúde e no bem-estar da população, além de produzir impactos no meio ambiente em geral. Deve-se ressaltar que estas substâncias podem ser encontradas na atmosfera mesmo sem a influência do homem. O que caracteriza a poluição seria a presença em concentrações acima dos limites legais estabelecidos. Segundo Freitas (2003), poluição é o lançamento de concentrações acima do que o meio ambiente pode remover de forma natural.
Segundo a Resolução do Conselho Nacional do Meio Ambiente – CONAMA nº 03, de 28 de junho de 1990, poluentes atmosféricos são definidos como “qualquer forma de matéria sólida, líquida ou gasosa e de energia que, presente na atmosfera, pode torná-la poluída” (BRASIL, 1990).
3.2.1 Origem, Fontes e Classificação
A poluição do ar pode ser classificada de acordo com as espécies a serem investigadas. Podemos citar:
Dióxido de Enxofre (SO2), na fase gasosa, relacionada a combustíveis fósseis;
Compostos fotoquímicos na fase gasosa: ozônio (O3), óxidos de nitrogênio (NOX) e Compostos Orgânicos Voláteis (COVs);
Metais pesados (chumbo, cádmio, zinco), relacionados a emissões industriais, na forma de particulados;
Aerossóis (material particulado);
Radionuclídeos, relacionados a emissões naturais, testes nucleares, vazamentos acidentais de usinas nucleares ou ao processo industrial nuclear;
Gases do efeito estufa, como CO2, CH4 e N2O;
Poluentes Orgânicos Persistentes (POPs), como pesticidas e dioxinas. Segundo Sportisse (2016), cada tipo de poluição é caracterizado por um conjunto de características tais como fontes de emissão, propriedades físico-químicas, escala espacial e temporal etc.
Em relação à classificação, os poluentes podem ser classificados como primários ou secundários. As espécies emitidas diretamente pelas fontes para a atmosfera são classificadas como primárias. Um exemplo seria os óxidos de nitrogênio. Por outro lado, as espécies que são formadas por reações químicas envolvendo as espécies primárias na atmosfera são classificadas como secundárias, como por exemplo o ozônio (Jacobson, 2005).
Segundo Sportisse (2016), a poluição do ar também pode ser classificada em duas categorias, de acordo com sua origem:
Natural, resultante de fenômenos naturais do planeta que não envolvem a atividade humana, tais como erupções vulcânicas, incêndios florestais, decomposição de plantas e animais e COVs emitidos durante a fotossíntese;
Antropogênica, resultante diretamente da atividade do homem no meio ambiente, tais como queimadas, processos industriais, queima de combustíveis fósseis e geração de energia.
Ainda pode-se classificar as fontes de poluição em fontes móveis ou fixas, pontuais ou difusas e diretas ou indiretas (SEINFELD e PANDIS, 2016).
Exemplos de fontes móveis, que possuem mobilidade durante sua emissão, são os veículos, trens e aviões. Fontes fixas, por outro lado, não possuem mobilidade e são todas as demais, como indústrias, usinas e chaminés.
Por fim, estruturas que não emitem poluentes por si só também podem ser classificadas como fontes. Estádios esportivos e shopping centers contribuem no aumento de emissão de poluentes por atraírem tráfego de veículos, por exemplo. Estas estruturas são classificadas como fontes indiretas.
Em relação às emissões no Brasil, o Relatório de estimativas anuais de emissões de gases de Efeito Estufa no Brasil (BRASIL, 2016) apresenta dados de emissões de acordo com o setor. A Figura 2 apresenta os dados de emissão em CO2 equivalente em 2014, em emissões brutas e líquidas. A diferença observada entre estas duas emissões deve-se, principalmente, ao crescimento de florestas consideradas manejadas. Em 2014, o total de emissões líquidas foi de 1.284 milhões de toneladas (Mton) e de emissões bruta foi de 2.059 Mton.
Figura 2: Participação nas emissões por setor no Brasil em 2014.
Fonte: Adaptado de Brasil, 2016.
3.2.2 Principais Poluentes
3.2.2.1 Dióxido de Enxofre
Apesar de outros compostos de enxofre estarem presentes na atmosfera (como o dimetilsulforeto, produzido pelas algas nos oceanos e por processos anaeróbios como a compostagem), o dióxido de enxofre é o mais importante em termos de emissões. Sua taxa global de emissão é de 160 Mton SO2/ano, sendo aproximadamente 90% oriundo da queima de combustíveis fósseis (VISSCHER, 2014). SO2 é responsável por doenças respiratórias e cardíacas, além do aumento da mortalidade de acordo com a concentração de exposição (KERMANI et al., 2017).
O dióxido de enxofre, além de acelerar a corrosão metálica por formar ácido sulfúrico na superfície de metais ou na atmosfera, também é corrosivo para o concreto e o mármore (AGELAKOPOULOU et al., 2009; LUQUE et al.,2013).
Por fim, também pode-se citar sua contribuição para a ocorrência de chuvas ácidas. Valores de pH variando de 4,0 a 4,5 na água da chuva indicam a ocorrência deste fenômeno, que se dá pela transformação de SO2 e NOX em ácidos que são absorvidos pelas nuvens (WARK e WARNER, 1981). O aumento da concentração destas substâncias se deu a partir da década de 40, a partir da maior utilização de combustíveis fósseis nas nações industrializadas, sendo 60-70% da acidez originada do ácido sulfúrico e 30-40% do ácido nítrico. As reações químicas que envolvem a formação da chuva ácida a partir do dióxido de enxofre são apresentadas a seguir:
2SO + O → 2SO (1)
SO + H O → 2H++ SO+ (2)
As principais consequências da chuva ácida são a acidificação de corpos hídricos e dos solos. Nos corpos hídricos, a variação de pH produz efeitos na reprodução de diversas espécies de peixes e mortandade de espécies sensíveis a variações de pH, como o salmão e a truta. Nos solos, ocorre a desmineralização, levando à menor produtividade da área, além de causar danos diretamente à vegetação (WARK e WARNER, 1981; BURNS et al., 2016).
Os principais poluentes nitrogenados são o N2O, NH3, NO e NO2. O óxido nitroso (N2O) é um gás responsável por 6% do efeito estufa. Sua taxa global de emissão é de 9 Mton/ano, tendo como sua principal fonte a agricultura, através dos processos de nitrificação e desnitrificação (MOSIER et al., 1998 apud. VISSCHER, 2014).
Segundo Visscher (2014), a taxa global de emissão da amônia (NH3) é de aproxidamente 60 Mton/ano, sendo 2/3 oriundos da agricultura. Seu tempo de residência na atmosfera é de 10 dias. Ao reagir com o dióxido de enxofre, há a formação de material particulado (MP).
Em relação ao NO e NO2, sua taxa global é de 50 Mton/ano. Suas principais fontes são os veículos automotores, as centrais de geração termelétrica e outros processos industriais (CAPAZ e NOGUEIRA, 2014). Em conjunto com os compostos orgânicos voláteis, os óxidos de nitrogênio reagem com a presença da luz solar para formar o smog fotoquímico. Estes óxidos também estão relacionados a efeitos respiratórios e cardiovasculares, tais como fibrose pulmonar e bronquite.
Por fim, o NO2 também está relacionado a formação da chuva ácida, através das seguintes reações na atmosfera:
2NO + H O → 2HNO (3)
2HNO + O → 2HNO (4)
3.2.2.3 Óxidos de Carbono
Esta categoria consiste nos gases CO e CO2. O dióxido de carbono (CO2) é o principal gás antropogênico responsável pelo efeito estufa, representando aproxidamente 60% deste efeito. Ele é gerado por todos os tipos de combustões, possuindo um tempo de residência na atmosfera variando de alguns anos até vários séculos, devido ao ciclo de carbono (VISSCHER, 2014).
O monóxido de carbono (CO) é emitido através da combustão incompleta de materiais que possuem carbono, tais como carvão, biomassa e derivados de petróleo. Nos grandes centros urbanos, o tráfego de veículos é a principal fonte emissora deste poluente, representando até 97% da contribuição total (CETESB, 2013
O CO é altamente tóxico, reagindo com a hemoglobina encontrada no sangue humano e impedindo a correta oxigenação dos tecidos. Sua afinidade com a hemoglobina é 210 vezes mais que a do oxigênio. Entre seus diversos efeitos, dependendo da concentração, estão dores de cabeça, irritabilidade, desorientação, náuseas, dificuldade na respiração, edemas cerebrais, convulsões, desmaios e até morte (MURPHY, 2010). O CO não apresenta efeitos significativos sobre os materiais e a vegetação.
3.2.2.4 Ozônio
O ozônio é um poluente secundário produzido através de reações fotoquímicas, tendo como precursores os óxidos de nitrogênio e os compostos orgânicos voláteis. As reações abaixo resumem as principais etapas de formação do ozônio na troposfera (SEINFELD e PANDIS, 2016):
NO + ℎ� → NO + O∗ (5)
O∗+ O → O (6)
O + NO → O + NO (7)
O ozônio possui um efeito significativo na saúde humana, atacando os pulmões e vias respiratórias, podendo causar irritações do nariz e da garganta, constrição no peito, tosse severa e inflamações no pulmão. Estima-se que ocorreram 16.000 mortes relacionadas a exposição ao ozônio na União Europeia em 2013 (NUVOLONE, PETRI e VOLLER, 2017). Este poluente também causa a degradação de certos materiais, como a borracha encontrada em pneus e limpadores de para-brisas.
Deve-se diferenciar o ozônio troposférico do ozônio estratosférico. Destaca-se que o ozônio só é considerado um poluente na troposfera (próximo a superfície); na estratosfera (15 a 30 km de altitude), ele possui fundamental importância para a manutenção da vida atual na Terra (VISSCHER, 2014).
3.2.2.5 Material Particulado
classificado de acordo com seu tamanho aerodinâmico, com destaque para as partículas com diâmetros menores que 2,5 µm (MP2,5). O tamanho das partículas pode variar entre menos de 10nm até mais que 10 µm. Partículas muito pequenas e muito grandes são removidas da atmosfera rapidamente. Entretanto, partículas entre 0,1 e 1 µm possuem um tempo maior de residência na atmosfera devido à ausência de mecanismos eficientes naturais de remoção (SEINFELD e PANDIS, 2016). Além disso, quanto menor a partícula, maior a penetração no sistema respiratório.
Em centros urbanos, a concentração de MP é de aproxidamente 30 µg/m³, com picos próximos de 100 µg/m³. MP pode ser um poluente primário, como poeiras e fuligens, ou secundário, como NH4SO4 e NH4NO3 (VISSCHER, 2014).
Em termos de efeitos à saúde, o MP pode causar câncer de pulmão, doenças respiratórias e cardiovasculares crônicas e infecções respiratórias agudas, de acordo com o nível de exposição e o grau de susceptibilidade do indivíduo (BROOK et al., 2010; MARCON et al., 2014). Vários compostos orgânicos não-voláteis, tais os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs) e as dioxinas, são cancerígenos e ocorrem na forma de MP ou adsorvidos em MP, facilitando sua entrada no corpo humano pela via respiratória.
Por fim, dependendo da composição química e do estado físico, o material particulado pode causar diversos danos em materiais. As partículas causam efeitos sobre pinturas, tecidos e fachadas de edifícios através da abrasão e deposição. O MP, em especial o MP10, também causa corrosão em metais como o alumínio através de sua corrosividade intrínseca ou da ação de agentes químicos adsorvidos em sua superfície (PANDYA et al.,2017).
3.2.3 Consequências da Poluição
Segundo Lisboa (2007), a poluição atmosférica afeta a saúde humana, os materiais, as propriedades da atmosfera, a vegetação e a economia.
respiratórias, cardíacas e de câncer, além de reduzir a capacidade respiratória do indivíduo.
Estima-se que 7 milhões de mortes prematuras no mundo são ligadas à poluição atmosférica (OMS, 2014). Estima-se também que 92% da população mundial viva em regiões onde os níveis de qualidade do ar estabelecidos pela OMS não são atendidos. No Brasil, são registradas 14 mortes por ano para cada 100 mil habitantes ligadas à poluição do ar. Comparativamente, China, Rússia, Índia e África do Sul têm respectivamente 70, 61, 68 e 39 mortes para cada 100 mil habitantes. A Figura 3 apresenta o indicador DALY, utilizado pela OMS, de acordo com o país. O indicador DALY significa Disability-Adjusted Life Year e representa a soma de anos perdidos na expectativa de vida devido a um fator e/ou doença.
Figura 3: Indicador DALY devido a poluição atmosférica, por país.
Fonte: OMS, 2016.
Ainda segundo a OMS, baixas concentrações de poluentes atmosféricos têm sido associadas com muitos efeitos adversos. Estima-se que a exposição de MP2,5, oriundo da atividade humana, reduza a expectativa de vida na União Europeia em 8,6 meses. A Tabela 3 apresenta efeitos adversos à saúde humana.
Tabela 3: Efeitos adversos à saúde humana de acordo com o poluente.
Espécie Efeitos à saúde humana
Material
Particulado Aumento do risco de doenças respiratórias e cardíacas, assim como de câncer de pulmão. Ozônio Associado a problemas respiratórios, redução de função
pulmonar e doenças pulmonares, entre outros. Dióxido de
Monóxido de
Carbono Redução da capacidade de oxigenação dos tecidos e agravamento de doenças cardíacas. Dióxido de
Enxofre função pulmonar. Também pode causar irritação nos olhos. Associado com efeitos sobre o sistema respiratório e a Fonte: Adaptado de OMS, 2006.
Em relação aos materiais, estes são significantemente afetados por poluentes atmosféricos, tanto gasosos como particulados. Entre os principais materiais afetados, podem-se destacar os metais, materiais de construção, pinturas, tecidos, borracha, couro e papel (GODISH, 2014).
Os materiais podem ser afetados por mecanismos físicos e químicos. Entre as principais formas de danificação, podem-se destacar (LISBOA, 2007):
Abrasão: causada por partículas sólidas transportadas pelo vento em alta velocidade;
Deposição e remoção: causada por partículas sólidas e líquidas depositadas sobre a superfície;
Ataque químico: resultante do contato direto dos materiais com substâncias, iniciando reações químicas;
Corrosão eletroquímica: principal mecanismo de deterioração de metais ferrosos.
Apesar da grande capacidade de auto renovação da atmosfera, a emissão de poluentes afeta esta estrutura a curto e longo prazo. Estas alterações podem ser localizadas, regionais ou globais, dependendo de fatores como fontes de emissão, transporte, movimento na estratosfera e acumulação de poluentes de baixa reatividade (DE NEVERS, 2017). Estas mudanças podem afetar a visibilidade, clima urbano, frequência de chuvas, níveis estratosféricos de ozônio e clima global. A Tabela 4 apresenta os efeitos dos poluentes estudados no meio físico.
Tabela 4: Relação entre fontes, poluentes e efeitos no meio físico. Fonte Poluentes Efeitos no meio físico Caldeiras e fornos industriais,
termelétricas, usinas de ferro e aço.
Cinzas, fuligem, SOX, NOX, aldeídos, ácidos
orgânicos.
Poluição do ar urbano, chuvas ácidas, redução da
visibilidade; Motores de combustão
interna, emissões de veículos, gás natural, queima
de carvão.
Fuligem, CH4, CO, NO, aldeídos, hidrocarbonetos.
Efeito estufa, diminuição do O3, diminuição da capacidade
de auto renovação da atmosfera. Indústria de refino de
petróleo, usinas de ferro e aço, termelétricas.
Pó, fuligem, NOX, SO2, H2S, CO, hidrocarbonetos,
cetonas.
Poluição do ar urbano, chuvas ácidas, impacto na visibilidade, diminuição do
Indústria química, oxidação do metano, queima da
biomassa.
Pó, fuligem, H2S, CO, NH3, ácidos,
solventes.
Poluição do ar urbano, efeitos variáveis e
temporários. Metalurgia e química do
coque, combustão industrial. CO2, SO2, CO, NH3, Pó, óxidos de ferro, substâncias
orgânicas.
Efeito estufa, diminuição do O3.
Fonte: Adaptado de Araujo, 2012.
3.3 Transporte e Destino de Poluentes na Atmosfera
O transporte de contaminantes na atmosfera e o seu destino são fatores diretamente relacionados com o movimento do ar (vento) e as trocas de calor na atmosfera (condução, convecção e radiação). Existem quatro mecanismos atuantes nos poluentes: transporte, dispersão, transformação e remoção.
O transporte de poluentes atmosféricos é determinado pela velocidade e direção dos ventos. A dispersão depende da estrutura térmica da atmosfera, assim como a sua turbulência. Os processos de transformação de contaminantes se deve principalmente à radiação solar incidente e à presença de umidade. Os processos de remoção se dão por fenômenos climáticos como precipitação de chuva e neve (MINETTI, 2016; OLAFSDOTTIR et al., 2014; ABDUL-WAHAB et al., 2014; CUCHIARA et al., 2017). Devido ao modelo utilizado neste trabalho (modelo gaussiano) para o cálculo das concentrações de poluentes, que possui como uma de suas hipóteses a conservação de massa dentro da pluma, os mecanismos de transporte e dispersão serão discutidos de forma mais aprofundada a seguir.
3.3.1 Fatores Intervenientes no Transporte e Dispersão
3.3.1.1 Estabilidade Atmosférica
horizontal. Em uma atmosfera instável, estes movimentos são permitidos, resultando em turbulências no ar (INTEGRATED PUBLISHING, 2013).
A definição de qual será o comportamento dos poluentes depende de taxas adiabáticas, que são taxas que determinam o perfil de temperatura com o aumento da altitude em condições de equilíbrio térmico.
Uma expansão adiabática é causada somente pela mudança de pressão no ar, sem que haja troca de energia. Durante essa expansão, a energia cinética das moléculas do ar é convertida em trabalho para expandir o ar. Devido a temperatura ser diretamente proporcional à energia cinética das moléculas, uma expansão adiabática diminui a temperatura do ar. Em resumo, parcelas de ar em ascensão expandem e, consequentemente, resfriam. A taxa de resfriamento durante uma expansão adiabática é chamada de taxa adiabática seca ou não-saturada (Γd) e tem um valor de aproximadamente 9,8 ºC/km próximo à superfície da Terra (JACOBSON, 2002).
Entretanto, a medida que a parcela de ar ascende e resfria, ela se torna saturada e não consegue suportar a quantidade de vapor de água presente. Este vapor de água então condensa, formando nuvens e liberando calor latente. A taxa de variação da temperatura com o aumento da altitude devido a liberação desse calor latente é chamada de taxa adiabática úmida ou saturada (Γw). Seu valor é bastante variável com a temperatura, tendo um valor médio de 5ºC/km (SEINFELD e PANDIS, 2016).
Por fim, tem-se a taxa de variação ambiental (Γe), que descreve a mudança real de temperatura com a altitude. A Figura 4 ilustra o conceito de estabilidade atmosférica.
Em contrapartida, a parcela de ar não-saturada ao ser acelerada em uma atmosfera instável tende a continuar a aceleração na direção da perturbação. Condições instáveis são ideais para a dispersão de poluentes (JACOBSON, 2002). Em condições neutras, a dispersão de poluentes é mais rápida que em condições estáveis e mais lenta que em condições instáveis.
García et al. (2016) verificaram que quanto mais estável a atmosfera, maior a concentração de metano próximo à fonte emissora, em estudo desenvolvido na Espanha. Além da qualidade do ar, a estabilidade atmosférica também afeta o conforto térmico, conforme estudo de Kruger e Rossi (2015), onde verificou-se a influência da estabilidade atmosférica na formação de ilha de calor na cidade de Curitiba.
Figura 4: Representação gráfica de estabilidade e instabilidade atmosférica.
Fonte: Adaptado de Jacobson, 2002.
Simbolicamente, os critérios para estabilidade são: Γe > Γd Absolutamente instável Γe = Γd Neutra não-saturada Γd > Γe > Γw Absolutamente instável Γe = Γw Neutra saturada
As definições de classes de estabilidade são bastante utilizadas em modelagens de dispersão atmosférica. A classificação mais utilizada é a desenvolvida por Pasquill e Gifford, em 1961, que definem seis classes, nomeadas de A até F. A classe A significa muito instável, B moderadamente instável, C levemente instável, D neutro, E levemente estável e F estável. Os critérios para classificação estão descritos na Tabela 5.
Tabela 5: Critérios para classificação de estabilidade atmosférica.
u (m/s)¹
Dia Noite
Radiação Solar Incidente² Nebulosidade³ Forte Moderada Leve Nublado Limpo
<2 A A-B B E F
2-3 A-B B C E F
3-5 B B-C C D E
5-6 C C-D D D D
>6 C D D D D
Observações:
¹ Velocidade do vento medida a 10 metros de altura.
² Radiação solar: forte (>700 W/m²), moderada (350-700 W/m²) e leve (<350 W/m²). ³ Nebulosidade: nublado (≥4/8) e limpo (≤3/8).
Fonte: Adaptado de Seinfeld e Pandis, 2016.
3.3.1.2 Vento
O vento possui um papel significante no transporte e na diluição de contaminantes atmosféricos. Amann et al. (2017) concluíram que cerca 60% da poluição causada por MP2,5 na cidade de Délhi, Índia, é originada fora dos limites da cidade, sendo transportada por condições climáticas e geofísicas.
Conforme observado por Olafsdottir et al. (2014), a dispersão de poluentes também é afetada pela direção dos ventos. Se a direção do vento é constante, a mesma área é continuamente exposta a elevadas concentrações do poluente emitido. Em contrapartida, quando a direção do vento é constantemente variável, os poluentes são dispersos em uma área maior, diminuindo sua concentração.
3.3.1.3 Turbulência
Ao mover-se próximo à superfície do planeta, o ar segue um padrão de movimento tridimensional que é denominado turbulência. A turbulência é gerada por dois processos: turbulência térmica, causada pelo aquecimento da atmosfera, e turbulência mecânica, resultante de movimentos do ar próximo a obstáculos e/ou edificações (LIU e LIPTÁK, 1999).
A turbulência térmica é mais presente em dias ensolarados e com poucos ventos, enquanto a turbulência mecânica é mais presente em noites com ventos fortes e estabilidade atmosférica neutra (BRITANNICA ACADEMIC, 2017). A turbulência é um processo que aumenta o processo de dispersão. Entretanto, existem casos onde a turbulência mecânica pode resultar em uma maior concentração de poluentes a jusante da fonte emissora, como no fenômeno do Downwash, discutido a seguir.
3.3.1.4 Downwash
Grandes estruturas afetam o movimento natural dos ventos. Estas distorções se devem a formação de zonas de baixa pressão próximo a essas estruturas, favorecendo a ocorrência de parcelas de ar mais lentas e turbulentas. Se uma pluma de poluentes é emitida próximo a zonas de baixa pressão, esta fica retida na região, ocasionando o fenômeno denominado de Downwash (LIU e LIPTÁK, 1999).
O Downwash pode ser causado por três mecanismos:
Stack-tip Downwash, causado pela própria chaminé;
Building Downwash, causado por edificações próximas;
Terrain Downwash, causado pela topografia.
Figura 5: Representação dos três mecanismos do fenômeno Downwash.
Fonte: Adaptado de Liu e Lipták, 1999.
O Stack-tip Downwash é causado quando a pluma é retida logo após a saída da chaminé, impedindo sua ascensão. Este fenômeno ocorre quando a velocidade de saída é insuficiente para escapar o gradiente de pressão criado próximo à chaminé. O fenômeno diminui com o aumento da altura da chaminé e da velocidade de exaustão (GUPTA et al., 2012). Segundo Visscher (2014), a velocidade de exaustão deve ser pelo menos 1,5 vezes maior que a velocidade do vento, para evitar este fenômeno.
O Terrain Downwash é causado pela topografia local. Terrenos acidentados podem afetar o movimento natural dos ventos. Caso uma chaminé esteja localizada a jusante de um terreno deste tipo, onde a altura do terreno seja superior a altura da chaminé, a parcela de ar vindo deste terreno pode impedir a ascensão da pluma e aumentar a concentração do poluente próximo ao solo, conforme visto na Figura 5.
Downwash. Visscher (2014) afirma que a altura da chaminé deve ser 2,5 vezes maior que a altura do prédio mais alto nas proximidades, com o fim de evitar o fenômeno.
Por ser um fenômeno de grande impacto na dispersão de poluentes, a
Environmental Protection Agency (USEPA), principal órgão ambiental dos Estados Unidos, desenvolveu uma ferramenta de pré-processamento de dados chamada
Building Profile Input Program / Plume Rise Model Enhancements (BPIP-PRIME). Este programa computacional produz dados de entrada para o modelo AERMOD para fontes de emissão pontuais considerando o fenômeno de Downwash.
Para evitar este fenômeno, as chaminés devem ser elevadas o suficiente para permitir que a pluma escape da zona de baixa pressão criada pelas edificações. (MISSOURI DEPARTMENT OF NATURAL RESOURCES, 2013). Nos Estados Unidos, a USEPA regulamenta a construção de chaminés e dá diretrizes para a determinação de sua altura, por meio da Lei do Ar Limpo (Clean Air Act). No Brasil, não há legislação ou norma técnica para a determinação de altura de chaminés.
3.3.1.5 Temperatura
O perfil de temperatura próximo ao solo afeta a meteorologia local e a qualidade do ar de três formas. A primeira forma refere-se a inversões térmicas. O fenômeno da inversão térmica caracteriza-se pela sobreposição de uma massa de ar quente a uma massa de ar frio. A massa de ar frio, por ser mais densa, fica presa abaixo da massa de ar quente. Esta configuração dificulta o movimento vertical de poluentes, impedindo a sua dispersão e aumentando a concentração próximo à superfície (SEINFELD e PANDIS, 2016).
Por fim, mudanças na temperatura também afetam uma gama de processos, tais como a taxa de emissão de gases pelas árvores, a taxa de emissão de monóxido de carbono pelos veículos e reações químicas entre componentes da atmosfera.
3.3.1.6 Topografia
A topografia pode afetar o movimento de parcelas de ar próximo a fontes emissoras. Regiões litorâneas, próximas a grandes corpos hídricos ou montanhas e vales possuem diferentes efeitos na dispersão de poluentes e no movimento das parcelas de ar.
Por exemplo, padrões de movimentação de parcelas de ar em regiões litorâneas, como a ocorrência de brisas marítimas e terrestres, ocorrem devido à diferença de aquecimento nas superfícies (mar e continente).
Durante o dia, a superfície do continente se aquece mais rapidamente que a água. Devido a este fenômeno, a camada de ar que está em contato com a superfície do continente se aquece mais, fica menos densas e sobe. Desta forma, devido às diferenças de temperatura e pressão, parcelas de ar fluem a partir do mar, surgindo a brisa marítima.
Durante a noite, o fenômeno se inverte. Devido, ainda, aos diferentes valores de calor específico, a terra esfria mais rapidamente do que a água do mar. Desta forma, durante o período noturno, o ar mais quente é o que está em contato com a água. Por ser menos denso, ele sobe, fazendo com que a parcela em contato com o continente flua em direção ao mar, surgindo a brisa terrestre (GODISH, 2014). Montanhas afetam o fluxo de ar local por aumentarem a rugosidade da superfície, reduzindo a velocidade dos ventos. Além disso, montanhas e colinas são barreiras físicas para a movimentação do ar.
3.3.2 Tipos de Plumas
A geometria da pluma é uma função da estabilidade atmosférica do ar. A Figura 6 representa o comportamento da pluma em diferentes situações de estabilidade.
Figura 6: Comportamento da pluma de poluentes em diferentes classes de estabilidade atmosférica.
Fonte: Adaptado de Jacobson, 2002.
A pluma tipo Fanning se desloca horizontalmente e não se dispersa na vertical. Este tipo de pluma ocorre quando a temperatura do ar aumenta com a altitude, indicando uma inversão térmica. Esta pluma raramente atinge o nível do solo, somente em caso de a inversão térmica ser quebrada pelo aquecimento da superfície ou com o encontro da pluma com um terreno acidentado.
Plumas do tipo Looping ocorrem em condições instáveis. A turbulência no ar instável pode puxar a pluma em direção ao solo periodicamente. O tipo Coning ocorre quando a atmosfera está em condições neutras, onde os poluentes tendem a se dispersar na vertical em ambas as direções (JACOBSON, 2002).
Por fim, o tipo Fumigating ocorre quando a atmosfera é instável ou neutra abaixo da chaminé e estável acima desta altura. Ao contrário do tipo Lofting, esta conFiguração é a que apresenta a maior exposição da população humana aos poluentes (VISSCHER, 2014).
3.4 Legislação
Para diferenciar objetivamente a atmosfera poluída da não poluída, são necessários níveis de referência. Sob o aspecto legal, o nível de referência é denominado Padrão de Qualidade do Ar.
No Brasil, estes padrões foram determinados pela Resolução CONAMA 03, de 28 de junho de 1990, estabelecendo limites de concentração para material particulado total e inalável, dióxido de enxofre, monóxido de carbono, ozônio dióxido de nitrogênio e fumaça. Os valores estabelecidos são apresentados na Tabela 6:
Tabela 6: Limites de concentração estabelecidos pela Resolução CONAMA nº 03, de 28 de junho de 1990.
Poluente Amostragem Tempo de Padrão Primário Secundário Padrão Partículas Totais em
Suspensão (PTS) 24 horas¹ MGA² 240 µg/m³ 80 µg/m³ 150 µg/m³ 60 µg/m³ Dióxido de Enxofre
(SO2) 24 horas MAA³ 365 µg/m³ 80 µg/m³ 100 µg/m³ 40 µg/m³ Monóxido de
Carbono (CO) 8 horas 1 hora 35 ppm 9 ppm 35 ppm 9ppm
Ozônio (O3) 1 hora 160 µg/m³ 160 µg/m³
Fumaça .MAA 60 µg/m³ 40 µg/m³
Partículas Inaláveis
(MP10) 24 horas MAA 150 µg/m³ 50 µg/m³ 150 µg/m³ 50 µg/m³ Dióxido de
Nitrogênio (NO2) 1 hora MAA 320 µg/m³ 100 µg/m³ 190 µg/m³ 100 µg/m³ Observações:
¹ Esses padrões não podem ser ultrapassados mais de uma vez por ano. ² Média Geométrica Anual.
³ Média Aritmética Anual. Fonte: Brasil, 1990.
sobre o bem-estar da população, assim como o mínimo dano à fauna, à flora, aos materiais e ao meio ambiente em geral (BRASIL, 1990).
A resolução também estabelece diversos Níveis de Qualidade do Ar para episódios agudos de poluição do ar, conforme o trecho abaixo:
Art. 5º - Ficam estabelecidos os Níveis de Qualidade do Ar para elaboração do Plano de Emergência para Episódios Críticos de Poluição do Ar, visando providências dos governos de Estado e dos Municípios, assim como de entidades privadas e comunidade geral, com o objetivo de prevenir grave e iminente risco à saúde da população.
§ lº - Considera-se Episódio Crítico de Poluição do Ar a presença de altas concentrações de poluentes na atmosfera em curto período de tempo, resultante da ocorrência de condições meteorológicas desfavoráveis à dispersão dos mesmos.
§ 2º - Ficam estabelecidos os Níveis de Atenção, Alerta e Emergência, para a execução do Plano.
§ 3º - Na definição de qualquer dos níveis enumerados poderão ser consideradas concentrações de dióxido de enxofre, partículas totais em suspensão, produto entre partículas totais em suspensão e dióxido de enxofre, monóxido de carbono, ozônio, partículas inaláveis, fumaça, dióxido de nitrogênio, bem como a previsão meteorológica e os fatos e fatores intervenientes previstos e esperados.
§ 4º - As providências a serem tomadas a partir da ocorrência dos Níveis de Atenção e de Alerta tem por objetivo evitar o atingimento do Nível de Emergência.
(RESOLUÇÃO CONAMA Nº 03/90)
A Tabela 7 apresenta os valores de concentração de poluentes na atmosfera para os três níveis de qualidade do ar.
Tabela 7: Critérios para episódios agudos de poluição do ar estabelecidos pela resolução CONAMA nº 03, de 28 de junho de 1990.
Poluente Período Atenção Níveis Alerta Emergência PTS 24 horas 375 µg/m³ 625 µg/m³ 875 µg/m³ SO2 24 horas 800 µg/m³ 1600 µg/m³ 2100 µg/m³
CO 8 horas 15 ppm 30 ppm 40 ppm
O3 1 hora 200 µg/m³ 800 µg/m³ 1000 µg/m³
MP10 24 horas 250 µg/m³ 420 µg/m³ 500 µg/m³ NO2 1 hora 1130 µg/m³ 2260 µg/m³ 3000 µg/m³
A resolução CONAMA 03/90 possui bastante similaridade com a legislação da USEPA, principal órgão ambiental dos Estados Unidos. A USEPA estabeleceu critérios para seis poluentes considerados essenciais no estudo da qualidade do ar: CO, Pb, NO2, O3, MP e SO2. Com poucas mudanças em relação aos tempos de amostragem, poluentes como o CO, NO2 e MP10 possuem os mesmos limites de concentração para ambas as legislações.
A resolução CONAMA 316/02 orienta a realização de estudos de dispersão atmosférica para alicerçar a decisão quanto à localização do empreendimento. A modelagem matemática de poluentes é uma das principais ferramentas disponíveis para estudos ambientais, como o EIA/RIMA, no quesito da poluição do ar, pois é por meio desta modelagem que se determina o impacto ambiental da emissão de poluentes e suas possíveis medidas mitigadoras.
Por fim, a CONAMA 382/2006 estabeleceu, em seu anexo XIII, limites máximos de emissão de poluentes atmosféricos gerados em indústrias siderúrgicas integradas e semi-integradas. Para o sistema primário e secundário de despoeiramento da aciaria elétrica, são definidos os seguintes limites:
Material Particulado:
Igual ou maior que 50 toneladas de aço por corrida: 50 mg/Nm³; Menor que 50 toneladas de aço por corrida: 40 mg/Nm³;
SO2 e NOx: Não aplicável.
Deve-se destacar que a área de estudo (município de Maracanaú/CE) não possui legislação municipal ou estadual que defina limites de emissão de poluentes. Desta forma, foi considerado para este trabalho a legislação federal, em especial as Resoluções CONAMA 03/90 e 382/2006.
Além das resoluções CONAMA 03/90, 316/02 e 382/2006, pode-se destacar outras leis e resoluções referentes à qualidade do ar no Brasil, tais como:
Lei nº 8.723, de 28 de outubro de 1993, que dispõe sobre a redução de emissão de poluentes por veículos automotores;
Resolução CONAMA nº 08, de 6 de dezembro de 1990, que estabelece os limites máximos de emissão de poluentes no ar para processos de combustão externa de fontes de poluição;
Resolução CONAMA nº 342, de 25 de setembro de 2003, que estabelece limites para emissões de gases poluentes por ciclomotores, motociclos e veículos novos;
Resolução CONAMA nº 436, de 22 de dezembro de 2011, que estabelece os limites máximos de emissão de poluentes atmosféricos para fontes fixas instaladas ou com pedido de licença de instalação anteriores a 02 de janeiro de 2007.
3.5 Modelos de Dispersão de Poluentes
Entende-se por modelo de dispersão como a descrição matemática dos processos de difusão turbulenta e transporte que ocorrem na atmosfera. O potencial impacto da poluição atmosférica em uma determinada região é estimado através de modelos de dispersão atmosférica (SILVERMAN et al., 2007).
Os modelos de dispersão são ferramentas úteis para:
Planejamento do local de instalação e avaliação do impacto de futuras fontes;
Avaliação da eficácia de técnicas e estratégias de controle de fontes emissoras;
Previsão e controle de episódios de poluição;
Estabelecimento de legislação de limites de emissão;
Identificação dos responsáveis pelas concentrações observadas;
Planejamento de redes de monitoramento da qualidade do ar.
Apesar da grande variabilidade de modelos existentes, de forma geral, estas ferramentas exigem dois tipos de dados:
Informações sobre a fonte emissora, incluindo taxa de emissão de poluentes, altura de emissão, temperatura de saída, etc.
Com estes dados, o modelo consegue simular matematicamente o transporte e a dispersão dos poluentes e, dependendo do modelo utilizado, as suas transformações físicas, químicas e seus processos de remoção (BOUBEL et al., 1994).
Existem quatro tipos de modelos: gaussianos, numéricos, estatísticos e físicos. Os modelos gaussianos são baseados na distribuição gaussiana, são amplamente utilizados para estimar o impacto de poluentes não reativos e serão discutidos com mais detalhes a seguir.
Os modelos numéricos são indicados para modelagens de fontes não-pontuais em áreas urbanas e que envolvam poluentes reativos. Estes modelos exigem informações extremamente detalhadas da fonte e do poluente.
Modelos estatísticos são utilizados quando as informações científicas sobre os processos físico-químicos de uma fonte estão incompletas ou vagas, tornando impossível a utilização dos modelos gaussianos ou numéricos.
Por fim, os modelos físicos são utilizados em situações de alta complexidade (terrenos complexos, stack downwash, etc.), exigindo estudos de fluxo de fluidos e túneis de vento.
A seleção do modelo de qualidade do ar para uma determinada análise depende do tipo de poluente emitido, da complexidade da fonte emissora e da topografia da área (USEPA, 2012).
Em qualquer tipo de modelagem da qualidade do ar são necessários dados meteorológicos. Os dados necessários variam de acordo com a complexidade do modelo utilizado. Para análises mais simples, pode ser utilizado somente a velocidade média dos ventos da região. Para modelagens mais complexas, se incorporam dados de terreno, dimensões de edifícios próximos, emissões de regiões vizinhas, entre outros.
Para a modelagem fornecer resultados úteis e válidos, os dados meteorológicos utilizados no modelo devem ser representativos das características de transporte e dispersão na vizinhança da fonte emissora que o modelo está tentando simular (USEPA, 2012). A representatividade dos dados meteorológicos é dependente dos seguintes fatores:
Proximidade entre a estação meteorológica e a área modelada;
Período de tempo dos dados coletados.
Além disso, a representatividade dos dados é comprometida se a distância entre a fonte e o receptor for muito grande. Da mesma forma, características físicas tais como relevo e topografia da área afetam a representatividade.
Ainda sobre a representatividade, deve-se dar preferência a dados on-site
(coletados na própria área estudada) ao invés de dados off-site (provenientes de aeroportos próximos, por exemplo). Em caso de dados on-site, geralmente é utilizado um ano de dados. Para dados off-site, são exigidos cinco anos de dados, a fim de dar uma mais confiabilidade à modelagem (USEPA, 2012).
3.5.1 Modelos Gaussianos
Modelo gaussiano geralmente é referido como o conjunto de equações que formam uma base para estimação da concentração de poluentes emitidos de fontes pontuais. Empregando um sistema de eixos tridimensional, com a origem no solo, o modelo assume que a concentração de uma pluma em constante emissão é proporcional a taxa de emissão, que essa concentração é diluída pelo vento no ponto de emissão por uma taxa inversamente proporcional à velocidade do vento e que a concentração média dos poluentes nos eixos y e z são bem representadas por distribuições gaussianas (BOUBEL et al., 1994). A Figura 7 representa um modelo de pluma gaussiano com uma fonte pontual.
Figura 7: Pluma gaussiana e sua dispersão nos três eixos considerados.
Em modelos gaussianos, assume-se que a diluição da pluma de poluentes é regida pelos seguintes mecanismos:
Na direção x (a favor do vento ou downwind), a pluma é diluída pelo vento;
Na direção y (perpendicular ao vento ou crosswind), a pluma é diluída por movimentos aleatórios de parcelas de ar. A propagação da pluma no eixo y é ilimitada.
Na direção z (vertical), a pluma é diluída por movimentos aleatórios de parcelas de ar. A propagação da pluma no eixo z é delimitada pelo solo e por inversões de temperatura elevada, impedindo a ascensão da pluma até elevadas altitudes.
Enquanto a diluição no eixo x é assumida como um resultado de um processo conhecido, a diluição nos eixos y e z são resultados por processos aleatórios, desta forma fornecendo uma concentração aleatoriamente variável. Enquanto o cálculo de concentrações instantâneas não é o objetivo deste tipo de modelo, o que se espera de um modelo gaussiano é a concentração média do poluente c̅ (VISSCHER, 2014).
Desta forma, a equação gaussiana da pluma pode ser subdividida em três partes, cada uma representando um mecanismo de diluição em cada eixo, conforme a equação abaixo:
c̅ = � � �
(8)Onde Cx, φy e φz são os parâmetros de diluição em cada eixo e descritos nas fórmulas abaixo:
� =
��̅ (9)Onde:
Q é a taxa de emissão (mg/s);
u̅ é a velocidade média do vento (m/s).
� =
√ ����� (−
�²2)
(10)Onde:
y é a distância lateral do eixo da pluma (m);
σy é um parâmetro de propagação na direção horizontal (m).
Onde:
z é a altura acima da superfície (m);
σz é um parâmetro de propagação na direção vertical (m);
h é a altura efetiva da fonte (m) e é a soma da altura da chaminé com a elevação da pluma.
Por fim, combinando as equações 9, 10 e 11, obtem-se a equação gaussiana da pluma clássica:
c̅ =
��̅� ��{��� [−
−ℎ ²�2] + ��� [−
+ℎ ²�2]}
(12)O modelo gaussiano só é valido ao se considerar as seguintes hipóteses:
A emissão a partir da fonte de poluição é constante;
Direção e velocidade do vento são constantes no espaço e tempo;
Turbulência atmosférica é constante no espaço e tempo;
Velocidade do vento superior a 1 m/s. Velocidades inferiores a este valor tornam o modelo bastante impreciso;
Conservação de massa na pluma.
De forma resumida, o modelo gaussiano assume que a massa de poluentes não passa por reações químicas ou outros processos de remoção enquanto se distanciam da fonte emissora e que estes poluentes são refletidos para o centro da pluma ao tocar o solo ou o topo da camada de mistura (VISSCHER, 2014).
Por fim, modelos gaussianos exigem os seguintes dados para fornecerem resultados próximos à realidade:
Localização dos receptores em relação à fonte (x, y e z);
Dados de emissão (diâmetro e altura da fonte, taxa de emissão, temperatura e velocidade de saída dos gases);
Meteorologia (direção e velocidade do vento, temperatura ambiente, estabilidade atmosférica e pressão atmosférica);
Topografia e rugosidade do terreno;
3.5.2 ISC3 e SCREEN3
Complex) é um modelo que foi utilizado pela USEPA durante muitos anos devido a sua capacidade de modelar fontes múltiplas. Entretanto, em 2005, este órgão ambiental adotou uma nova política que substitui o ISC3 pelo modelo AERMOD (AMS/EPA Regulatory Model), a ser discutido a seguir (SILVERMAN et al., 2007).
O ISC3 utiliza dados meteorológicos e é capaz de modelar a emissão de fontes em ponto, área e volume, além de modelar a deposição de poluentes e camadas de inversão térmica (VISSCHER, 2014).
O modelo possui duas variações: short-term (ISCST3) e long-term
(ISCLT3), para curtos e longos períodos de tempo, respectivamente. O ISCST3 utiliza dados meteorológicos horários para definir as condições de ascensão da pluma, seu transporte, difusão e deposição, fornecendo concentrações médias para 1 hora e 24 horas. O ISCLT3 utiliza dados meteorológicos na forma de histogramas para fornecer concentrações médias mensais, sazonais ou anuais (USEPA, 1995). O modelo também leva em consideração o fenômeno de downwash através do uso do PRIME.
O SCREEN3 é uma versão do ISC3 para finalidades de screening. Entende-se por screening a abordagem inicial para determinação de concentrações de poluentes através de uma modelagem rápida e simplificada, avaliando a necessidade ou não de investir recursos para uma modelagem mais refinada.
Ao contrário do ISC3, o SCREEN3 não modela fontes múltiplas e não requer dados meteorológicos. No lugar, ele utiliza condições meteorológicas fixas definidas pelo usuário e, a partir dessas definições, determina o pior cenário para a concentração de poluentes.
3.5.3 AERMOD
O AERMOD é um modelo gaussiano de pluma que incorpora a dispersão de poluentes atmosféricas baseado no estudo da turbulência na Camada Limite Planetária (CLP) e conceitos de escala, possibilitando a modelagem de fontes elevadas ou na superfície e em terrenos simples ou complexos (EPA, 2016).
O AERMOD substituiu o ISC3, por apresentar novos algoritmos e parametrizações para a simulação de fenômenos como ascensão da pluma,
