1. Ciencia

Origen, recogida,
transporte y evacuació
evacuación
de aguas residuales
¿Qué?
¿Cuánto?
¿Cómo?
1
Referencias
• [1] Chapra, 1997. Surface Water Quality Modelling.
McGraw-Hill
• [2] Ingeniería de las aguas residuales. Tratamiento,
vertido y reutilización. Ed. McGraw-Hill.
• [3] Saneamiento y alcantarillado: vertidos de aguas
residuales. Aurelio Hernández. Ed. Paraninfo.
• [4] Orozco y otros. 2003. Contaminación Ambiental. Una
visión desde la Química. Ed. Thompson.
• [5] Chanson, H., 2004. Environmental hydraulics of open
channel flows, Elsevier.
• [6] Erosion and Sedimentation Manual. Edited by the
United States Department of Interior, Bureau of
Reclamation. 2006.
Concepto de
contaminació
contaminación
2
Definición
• «La contaminación consiste en una modificación,
generalmente, provocada por el hombre, de la calidad del
agua, haciéndola impropia o peligrosa para el consumo
humano, la industria, la agricultura, la pesca y las actividades
recreativas, así como para los animales domésticos y la vida
natural» (Carta del Agua, Consejo de Europa, 1968)
• «Un agua está contaminada cuando se ve alterada su
composición o estado, directa o indirectamente, como
consecuencia de la actividad humana, de tal modo que quede
menos apta para uno o todos los usos a que va destinada,
para los que sería apta en su calidad natural» (C.E.E. de las
Naciones Unidas, 1961)
• «La acción y el efecto de introducir materias, o formas de
energía, o inducir condiciones en el agua que, de modo
directo o indirecto, impliquen una alteración perjudicial de su
calidad en relación con los usos posteriores o con su función
ecológica» (Ley de Aguas)
Aspectos clave
• No partimos del agua pura, sino de la
calidad/composición natural del agua
• Se considera contaminación la provocada de
forma directa/indirecta por la actividad humana
• La calidad se define en función de los usos
• Los mecanismos de contaminación son
múltiples, asociados a cambios en el régimen de
movimiento natural
Otros
Usos consuntivos
• Composición
y la calidad del
agua son
- Generación
de energía eléctrica
- Urbano, doméstico
propiedades
dinámicas (i.e.
cambian
con (acuicultura)
el
- Medio
de vida acuático
o
abastecimiento
Navegación
tiempo)
- Industrial
- Agropecuario
- Recreativo o estético
- Otros: medioambientales
3
Los Ojos del Guadiana y las
Tablas de Daimiel
(Caso 1)
90 hm3
8-12
2121-5533
µmhos/cm
30-40
90 hm3
715-1047 µmhos/cm
20
4
Perturbaciones
•
•
Década de los 1960: El Instituto
de Colonización promovió la
canalización y desecación del
río Guadiana y sus afluentes,
para el uso agrícola de sus
márgenes. Con el fin de
preservar el valor ecológico del
lugar es declarado Parque
Nacional a final de la década de
los 60.
Años 70 y 80: El INC del MOP
promovió la explotación de
aguas subterráneas para riego,
lo cual produjo un descenso
pronunciado de los niveles
freáticos de los acuíferos y con
ello …
8-12
20-70 hm3
0!!
0!! hm3
0!!
5
Perturbaciones
•
•
Década de los 1960: El Instituto
de Colonización promovió la
canalización y desecación del
río Guadiana y sus afluentes,
para el uso agrícola de sus
márgenes. Con el fin de
preservar el valor ecológico del
lugar es declarado Parque
Nacional a final de la década de
los 60.
Años 70 y 80: El INC del MOP
promovió la explotación de
aguas subterráneas para riego,
lo cual produjo un descenso
pronunciado de los niveles
freáticos de los acuíferos y con
ello …
Consecuencias
•
•
•
•
•
•
•
Disminución de la superficie
de encharcamiento
Aumento de la salinidad de
las Tablas.
Reducción de especies
nidificantes
Sustitución de especies
(masiega
carrizo)
Combustión espontánea de
turberas
Colapsos y subsidencias del
terreno
Emisión de gases tóxicos
6
Toolik Lake, Alaska
(Caso 2)
7
Aspectos clave
• No partimos del agua pura, sino de la
calidad/composición natural del agua
• Se considera contaminación la provocada de
forma directa/indirecta por la actividad humana
• La calidad se define en función de los usos
• Los mecanismos de contaminación son
múltiples y asociados a cambios en el régimen
de movimiento natural
• Composición y la calidad del agua son
propiedades dinámicas (i.e. cambian con el
tiempo y en el espacio)
Parámetros indicadores
• Físicos
Características organolépticas (color, olor y sabor),
turbidez y sólidos totales, temperatura y
conductividad
• Químicos
Indicadores de materia orgánica (DBO, DQO, COT);
salinidad, dureza y cloruros; pH (acidez y alcalinidad);
nutrientes vegetales (N y P), metales pesados y
contaminantes prioritarios; oxígeno disuelto y otros
gases (sulfuro de hidrógeno);
• Biológicos
Bacterias, virus, hongos, algas
coliformes
8
Tipo de Parámetro
parámetro
Físicos
Parámetro
Químicos
Contaminación ligera
500
300
S.S. volátiles
Mg/l
400
250
70
S.S. fijos
Mg/l
100
50
30
Sol totales
Mg/l
1000
500
200
S.T. volátiles
Mg/l
700
350
120
S.T. fijos
Mg/l
300
150
80
S. disueltos
Mg/l
500
200
100
S. D. Volátiles
Mg/l
300
100
50
S.D. fijos
Mg/l
200
100
50
ºC
10-20
10-20
10-20
Color
Gris-negro
Gris-negro
Gris-negro
Olor
SH2
SH2
100
SH2
D.B.O.5
MgO2/l
300
200
100
D.Q.O.
MgO2/l
800
450
160
6-9
6-9
6-9
pH.
N. total
Mg/l
86
50
25
N. orgánico
Mg/l
35
20
10
NH4+
Mg/l
NO3-
Mg/l
NO2-
Mg/l
0,1
0,05
0
P total
Mg/l
17
7
2
Cl-
Mg/l
175
100
15
Grasas
BiológicosBiológicos
Contaminación fuerte Contaminación media
Mg/l
Temperatura
Químicos
Unidades
Sol. Suspensión
Indicadores
de contaminación
fecal15
50
30
0,4
0,2
0,1
¡Patógenos!
Mg/l
40
20
0
Coli totales
NMP/l
109
5 x 108
108
Coli fecales
NMP/l
108
5 x 107
107
Virus totales
Ui/l
10000
5000
1000
Parámetros indicadores
• Físicos
Características organolépticas (color, olor y sabor),
turbidez y sólidos totales, temperatura y
conductividad
• Químicos
Indicadores de materia orgánica (DBO, DQO, COT);
salinidad, dureza y cloruros; pH (acidez y alcalinidad);
nutrientes vegetales (N y P), metales pesados y
contaminantes prioritarios; oxígeno disuelto y otros
gases (sulfuro de hidrógeno);
• Biológicos
Bacterias, virus, hongos, algas
coliformes
9
Sólidos en el agua
Definiciones
• Sólidos totales (mg/l) - residuo después de someter al
agua a un proceso de evaporación a 103-105 oC.
• Sólidos sedimentables (ml/l) – volumen de sólidos que
sedimentan el fondo de un cono Imhoff en 60 min.
• Sólidos totales* = filtrables
+ no-filtrables
disueltos y coloidales
suspensión
* según pase o no por un filtro de fibra de vidrio de 1.2 µm (Whatman GF/C)
•
SF y SS = Fracción volátil
+ Fracción fija
fracción orgánica
fracción fija
* según se volatilice o no a 550 ± 5oC
10
11
Turbidez
• Es un fenómeno óptico por el que la luz es
dispersada o absorbida por sólidos en
suspensión o coloidales,
• Se cuantifica midiendo la atenuación de la
intensidad luminosa en un medio de espesor l
k = coeficiente de atenuación (m-1)
1 I
I = I 0 exp(−kl) → k = ln 0
l I
• Se mide como transparencia (disco de secchi, ó
coef. de atenuación), o en unidades
nefelométricas NTU
Deposición y erosión
Fg = m x g = ρsV g
dp
Ff = CDρww02/2
2
En equilibrio w0 =
V = 1/6 π dp3
A = 1/4 π dp2
Fe = ρw V g
4  ρs − ρw  d p

g
3  ρ w  CD
¿?
12
Coeficiente de arrastre
Ley de Stokes (régimen laminar)
CD
CD =
24 24µ
=
Re w0 d p
Régimen
turbulento
Re = ( w0 d p ) / µ
Velocidad de sedimentación
• Ley de Stokes (régimen laminar)
w0 =
g ρs − ρw 2 g
2
d p = Rd p
18 ρ w
18
• Ley de Newton (régimen turbulento)
w0 ≈
g
Rd p
0.44
13
Erosión: umbral de movimiento
2
1
D
FD = ρπc D   u 2f
2
2
u( z )
Fuerza de arrastre
Fc
4
D
Fg = ρπRg  
3
2
FD
3
Peso sumergido de la partícula
Fc = µ c Fg
Fuerza de resistencia de
Coulomb
Condición para el movimiento :
FD = Fc
Diagrama de Shields
(con criterio de suspensión)
10
bedload and suspended load transport
u∗ = w0
negligible suspension
1
τ∗ =
τb
=
ρRgd
suspension
p
ττ∗bf∗c 50
u*2
Rgd p
gRd p d p
Re p motion
=
ν
0.1
bedload transport
no motion
silt
0.01
1.E+00
sand
1.E+01
gravel
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.E+06
Rep
14
Ejemplo 1
Una suspensión de partículas de arena circula por una
alcantarilla de hormigón circular de 300 mm, que fluye
completamente llena. La densidad del sílice es ca. 2200
kg/m3, y el diámetro característico de la arena 0.0625 mm
¿? Encontrar la velocidad mínima en la alcantarilla para
que no se produzca deposición
Determinación de velocidad mínima para suspensión
Datos
rho_sólido
rho_agua
R
g (m/s^2)
dp (m)
D (m)
eps (m)
2200
1000
1.2
9.81
6.25E-05
0.3
2.50E-03
Densidad del cuarzo (kg/m3)
Densidad del agua (kg/m3)
(rho_sólido - rho_agua)/rho_agua
Aceleración de la gravedad
Diámetro de la particula
Diámetro de la tubería
Altura de rugosidad (White, Mecánica de Fluidos)
Cálculos
w0 (m/s)
u* (m/s)
A (m^2)
P
Rh
f
0.040892042
0.040892042
0.070686
0.94248
0.075
3.57E-02
k
tau_crit
0.004458784
1.672159091
Velocidad de sedimentación (régimen turbulento)
Velocidad de fricción crítica
Area de la tubería
Perimetro
Radio hidráulico
Coef. Fricción de Darcy para
flujo tubulento f = ( 2.0log(14.8 Rh/eps )^(-2)
Coef. Arrastre (k = f/8)
tau = rho x (u*) ^ 2
Resultados
Umin (m/s)
Pte (mínima)
0.612393478
0.002272727
u=sqrt(u*^2/K)
S = tau/(rho_agua x g x Rh)
15
Materia org
orgá
ánica, oxí
oxígeno
y otros gases
Materia orgánica
- ¡Casi un 75% de sólidos en suspensión y un
40% de los sólidos filtrables son compuestos
orgánicos!
- Formados por combinaciones de C, H, O, N y P
+ otros elementos (S, Fe)
- Proteinas (40-60%) + hidratos de carbono (2550%) + grasas (10%) + otras moléculas
orgánicas (agentes tensioactivos,
contaminantes orgánicos prioritarios, COV y
pesticidas)
Grupo complejo de sustancias ¿Cómo
cuantificamos el contenido orgánico?
16
Reacción de descomposición de
materia orgánica
C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O
“1 molécula de glucosa reacciona con 6 moléculas de oxígeno
para dar 6 moléculas de dióxido de carbono y 6 de agua”
1 mol = 6.024 x 1023 (NA) moléculas/átomos
“1 MOLES de glucosa reacciona con 6 MOLES de oxígeno para
dar 6 MOLES de dióxido de carbono y 6 MOLES de agua”
Pero, ¡normalmente utilizamos unidades de masa (kg ó
gramos)! ¿Cuántos gramos de oxígeno se necesitan para
oxidar 1 g de glucosa, por ejemplo?
razón estequiométrica
(rog)
17
Cinética de las reacciones
aA+bB
cC+dD
** a,b,c,d = coeficientes estequiométricos
** A,B,C,D = reactivos y productos
Ley de Acción de Masas: el ritmo al que se produce la
reacción es proporcional a la concentración [ ] de los
reactivos, i.e.
d [ A] / dt = −k g ([ A], [ B],...)
g = función que establece
Constante de reacción
F ( cond. ambientales )
mediante experimentación
d [ A]
= − k[ A]α [ B]β
dt
α+β = n (orden de la reacción)
Orden de las reacciones
Reacciones de orden cero
dc
= −k
dt
k ~ ML-3T-1
c = c0 − kt
Reacciones de orden 1
dc
= − kc
dt
k ~ T-1
c = c0 exp(−kt )
Reacciones de orden 2
dc
= −kc 2
dt
k ~ M-1L3T-1
1 1
= + kt
c c0
18
Constantes de reacción
• Orden cero: p.ej. k0 = 0.2 mg/L/día
nos dice la tasa a la cual la concentración del
contaminante cambia en un día
• Orden uno: p.ej. k1 = 0.1 años-1 ¿?


( kt ) 2
c = c0 exp(−kt ) = c0 1 − kt +
+ ... ≅ c0 (1 − kt )
2!


Fracción del contaminante que se pierde por
unidad de tiempo. Ej. 0.1 años-1
10% se pierde
en un año
Pero …
Si k = 6 días-1
¿600% se pierde en un día?
La aproximación de 1er orden no
es correcta para x > 0.5
¡ k < 0.5 !
Cambio de unidades, ej. 6 días-1
k = 6/24 horas-1
¡25% se pierde en una hora!
19
Medida del contenido orgánico
g
g0
C6H12O6 +6O2 → 6CO2 + 6H2O
Respiración (descomposición)
Balances de masa
Glucosa
V
dg
= −k1Vg
dt
Oxígeno
V
d (rog g )
do
=V
= −rog k1Vg
dt
dt
g = g 0 exp(−k1t )
o = o0 − rog g 0 (1 − e − k1t )
Demanda ‘ejercida’ bioquímica de oxígeno, DBO
rog = razón estequiométrica entre el oxígeno consumido y la cantidad
de glucosa que se descompone
20
DBO y materia orgánica oxidable
rogg0- y = rogg0e-kt=L0e-kt
= rogg0
DBO = rogg0(1 - e-kt)
¿DBO5 vs. DBOu?
Recordad que definimos DBO como y = L0 (1 − e k1t )
i.e. es una función del tiempo.
DBO5 es la DBO para 5 días, i.e.
y5 = L0 (1 − e k1 5 ) → L0 =
y5
(1 − e k1 5 )
21
DBO5 Valores guí
guía
•
•
•
•
•
Aguas muy puras
Pureza intermedia
Agua contaminada
Agua residual urbana
Industria agroalimentaria
DBO5 < 3 mg/l O2
3<DBO5< 5
DBO5> 5
DBO5 ≈ 100-400
DBO5 < 1000
Inconvenientes del mé
método
- Larga duración de la determinación
- Su valor puede verse afectado por la presencia de
sustancias tóxicas para las bacterias
- No detecta sustancias poco degradables
- Difícil de aplicar a aguas residuales industriales
DBO
Microorganismos
oxidantes
DQO
Agentes químicos oxidantes
(dicromato/permanganato)
DQO - Se valoran todos los compuestos orgánicos
(biodegradables o no), y otras especies químicas (ej. Fe++,
Mn++, etc) oxidables, es rápido (3h), y se expresa en mg O2/l
DBO/DQO indicador del tipo de contaminación
- DBO5/DQO < 0.2 – contaminantes no biodegradables
- DBO5/DQO > 0.6 – contaminación orgánica
Carbono orgá
orgánico total (TOC)
Mide la cantidad de CO2 (medido por absorción en infrarrojo),
que se desprende de una muestra al ser calcinada (mg C/l)
22
Ejemplo 2
Determinar la DBO de 1 día y la DBO última
de la primera fase de un agua residual
cuya DBO a los 5 días a 20oC es de 200
mg/l. La constante de reacción k = 0.23 d-1
Oxígeno y otros gases
Fuentes de O2
- Disolución de O2 atmosf.
V
Sumideros de O2
- Degradación de la M.O.
do
= Disolución− kdVL
dt
23
Disolución de gases
Ley de Henry (en equilibrio)
H e = p / cl
p = presión parcial del gas en la atmósfera (atm)
cl = conc. del gas en agua (moles/m3)
He = constante de Henry (atm m3 mol-1)
Ley de los gases perfectos
p
cg =
RT
R = 8.206 atm m3 (K mol)-1
T = Temperatura (K)
cg= conc. del gas en aire (mol m-3 )
H e = RT
cg
cl
⇒
 H 
= He ' = e 
cl
 RT 
cg
Algunas constantes de Henry
24
Flujos de disolución de gases
• Concepto de flujo, J (kg/m2/s)
• Flujos proporcionales a los gradientes, y en el
sentido de los gradientes decrecientes
• El flujo de un gas (ej. oxígeno) a través de la
interfase agua-gas lo expresamos como
 pg

J = kl 
− o  = kl (os − o )
 He

Velocidad de
re-aireación (LT-1) =
f (velocidad y calado)
Degradación y oxígeno disuelto
Fuentes de O2
Sumideros de O2
- Disolución de O2 atmosf.
V
- Degradación de la M.O.
do
= kaV (os − o) − kdVL
dt
Degradación
Aeróbica (DO > 2 mg/l)
Anaeróbica
+2.7E3J/mol
C6H12O6 +6O2
6CO2 + 6H2O
C6H12O6 +SO42-
2CO2 + 2H2O + S2- + 2C2H4O2 +144 J/mol
25
CORROSIÓN de
alcantarillas de
hormigón (H2SO4
reacciona con el
cemento
y el hierro)
(Thiobacillus)
Peligro potencial
para los operarios
26
¿Cómo controlar la corrosión?
• Control en origen de las descargas que aportan materia
orgánica
• Aireación
• Adición de productos químicos tales como cloro,
peróxido de hidrógeno y otros agentes oxidantes
• Limpieza periódica mecánica y química
• Ventilación
• Diseño
pendientes mínimas
• Materiales seleccionados (recubrimiento de las
armaduras, utilización de áridos calizos o dolomíticos,
conductos de gres o material plástico …)
¿Qué aprendimos de las redes de
saneamiento?
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Redes unitarias / separativas
ramificadas
flujo por gravedad
conductos subterráneos
por debajo de los conductos de abastecimiento, …
con una velocidad o pendiente mínimas
pozos de registro, para facilitar la limpieza
ventilación
adición de oxidantes
no todos los materiales valen
necesidad de mantenimiento
control de aportes en origen
27