Velocidades de sedimentação de sólidos orgânicos grosseiros

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12436 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A velocidade de sedimentação de uma partícula é um parâmetro integral na modelagem e projeto de águas pluviais. A velocidade de sedimentação pode ser usada para prever o destino e o transporte das partículas de águas pluviais e se as partículas contribuem para a carga de nutrientes em uma bacia hidrográfica. A previsão da velocidade de sedimentação para partículas inorgânicas é geralmente bem pesquisada e bem compreendida. As partículas orgânicas tendem a variar amplamente nas suas propriedades físicas e atualmente não existem padrões definidos ou equações empíricas para estimar a velocidade de sedimentação das partículas orgânicas. Este artigo apresenta dados de experimentos de velocidade de sedimentação de folhas de árvores e sementes para entender melhor como as partículas orgânicas se sedimentam no contexto de equações de velocidade de sedimentação, como a desenvolvida por Ferguson e Church. A análise dos dados coletados mostrou que o segundo dos dois coeficientes de arrasto (C2) utilizados na Equação de Ferguson e Church era sensível ao tipo e formato da partícula. Calculando a média de C2 por tipo de partícula e espécie, houve uma correlação entre a velocidade de sedimentação observada e a velocidade de sedimentação prevista pela Equação de Ferguson e Church (R2 = 0,83). Com esses resultados, modeladores e projetistas de águas pluviais estão equipados com uma melhor compreensão de como representar partículas orgânicas comuns em termos de velocidade de sedimentação. Pesquisas adicionais sobre uma variedade mais ampla de tipos e espécies de partículas orgânicas expandiriam o conjunto de dados aqui apresentado.

A urbanização levou a desafios únicos na gestão da água em cidades dominadas por superfícies impermeáveis. A necessidade de tratar, armazenar e infiltrar água para o benefício dos seres humanos e do ambiente é fundamental à medida que as populações urbanas continuam a crescer e as alterações climáticas intensificam os fenómenos meteorológicos1. As águas pluviais, águas pluviais que escorrem de superfícies impermeáveis, são conhecidas como um transportador particularmente amplo de poluentes. As águas pluviais transportam poluentes químicos, físicos e biológicos para a água receptora, degradando a qualidade da água e o habitat aquático2.

As águas pluviais são tratadas por meio de Medidas de Controle de Águas Pluviais (SCMs), que são estruturas projetadas para infiltrar, armazenar ou tratar o escoamento de águas pluviais com base em princípios científicos básicos3. Nas áreas residenciais urbanas, os detritos orgânicos e inorgânicos grosseiros são poluentes que suscitam grande preocupação2. Partículas orgânicas e inorgânicas grossas consistem em metais4, sedimentos com nutrientes ligados5 e materiais que lixiviam nutrientes6.

Muitos SCM residenciais urbanos dependem da sedimentação para tratar águas pluviais3, tornando a velocidade de sedimentação um parâmetro chave no projeto e avaliação. Por exemplo, bacias de águas pluviais são um SCM muito comum encontrado ao longo de estradas e estacionamentos. As bacias de águas pluviais reduzem o total de sólidos suspensos e o total de fósforo que entram nos corpos d'água a jusante, armazenando as águas pluviais e permitindo que os sedimentos se depositem no fundo da bacia antes de liberar a água na saída7.

A velocidade de sedimentação (w) é uma propriedade física das partículas que depende do tamanho, forma e densidade da partícula. A velocidade de sedimentação para uma variedade de tamanhos de partículas pode ser usada na modelagem de tratamento de águas pluviais para estimar a eficiência de retenção de bacias8. A sedimentação também pode ser estimada com uma gama de valores de velocidade de sedimentação, e esta informação é necessária para informar quando uma bacia de infiltração encheria e precisaria ser dragada.

Vários estudos exploram e prevêem velocidades de sedimentação de partículas minerais não esféricas9,10,11,12. A velocidade de sedimentação pode ser calculada para partículas com diâmetro conhecido (D) e gravidade específica (SG) usando a Lei de Stokes13. Os cálculos da Lei de Stokes assumem que a partícula em queda é esférica, o que geralmente é válido para partículas minerais ou sedimentares. Os coeficientes de arrasto C1 (aplicáveis ​​ao fluxo laminar) e C2 (aplicáveis ​​ao fluxo turbulento) podem ser ajustados para prever velocidades de sedimentação de minerais não esféricos .