MODELOS VERTIMIENTOS EN CUERPOS DE AGUA

Curso de Saneamiento Ambiental

COMPOSICION TIPICA DEL AGUA

RESIDUAL DOMESTICA

PARAMETRO UNIDAD RANGO Mínimo Máximo Promedio

DBO5 mg/l 110 400 210 DQO mg/l 250 1000 500 SST mg/l 100 350 210 NTK mg/l 20 85 35 Fósforo Total mg/l 4 15 7 Grasas y Aceites mg/l 50 150 90 ColiformesTotales NMP/100 ml 10

6 10

9 10

7

Coliformes Fecales NMP/100 ml 103 10

7 10

6

Fuente: Tratamiento de aguas residuales (Romero,J.)

APORTES PERCAPITA PARA AGUAS

RESIDUALES DOMESTICAS

PARAMETRO UNIDAD RANGO Mínimo Máximo Promedio

DBO5 g/hab.d 25 80 50 SST g/hab.d 30 100 50 NH3 – N g/hab.d 7.4 11 8.4 NTK - N g/hab.d 9.3 13.7 12 ColiformesTotales NMP/100 ml 2X10

8 2X10

11 2X10

11

Fuente: RAS - 2000

COMPOSICION DE RESIDUOS

INDUSTRIAS TEXTIL Y CUERO

INDUSTRIA pH DBO5

(mg/L)

DQO

(mg/L)

SST

(mg/L)

Algodón 8 - 12 200 - 1000 400 - 1800 200

Lana (limpiado) 9 – 11 2000 - 5000 2000 - 5000 3000 - 30000

Lana

(compuesta)

9 – 10 1000 1000 - 2000 100

Curtiembre 11 - 12 1000 - 2000 2000 - 4000 2000 - 3000

COMPOSICION RESIDUOS DE

INDUSTRIAS DE ALIMENTOS

INDUSTRIA pH DBO5

(mg/L)

DQO

(mg/L)

SST

(mg/L)

Cervecerías 4 - 6 850 - 1600 1700 - 3000 90

Destilerías - 7000 - 20000 10000 - 60000 Bajo

Lácteos ácido 600 - 1200 1500 - 2500 200 - 400

Frigoríficos 7 1500 - 2500 2000 - 4000 800

Productos

agrícolas

7.5 – 8.5 500 - 1000 1000 - 2000 1500 - 3000

Avícola 6.5 – 9.0 500 - 800 600 - 1100 450 - 800

COMPOSICION RESIDUOS

INDUSTRIA DE MATERIALES

INDUSTRIA pH DBO5

(mg/L)

DQO

(mg/L)

SST

(mg/L)

Pulpa (sulfito) - 1400 - 1700 1000 - 10000 variable

Pulpa Kraft 5 – 9 100 - 350 170 - 600 75 – 300

Papel y cartón - 100 - 450 300 - 1400 40 – 100

Cartón prensado - 850 950 1350

Refinerías 2 – 6 100 - 500 150 - 800 130 - 600

Ciclo del carbono

Aerobio

El oxigeno oxida el

material orgánico

Conversión de CO2 en

compuestos orgánicos

Anaerobios

Los organismos facultativos

y anaerobios suplantan a

los aerobios

Conversión de CO2 y

gases en compuestos

orgánicos (humus y

gases)

Ciclo del nitrógeno y fosforo

Las bacterias descomponen

proteínas de origen animal y vegetal

produciendo nitrógeno amoniacal el

cual se oxida a nitritos y nitratos.

Las plantas producen tejido vegetal

Las aguas residuales frescas

contienen nitrógeno en forma de

proteína y urea

Ciclo del azufreComponente de aminoácidos y proteínas

Azufre orgánico

Sulfuro de hidrógeno (H2S)

Azufre elemental (S)

Sulfato (SO4-2)

En presencia de oxigeno el sulfuro de

hidrógeno se oxida rápidamente a azufre

elemental.

Bajo condiciones anaerobias el sulfuro

se oxida a azufre y luego a sulfato por

acción de bacterias y algas.

Algunas bacterias reducen el sulfato a sulfuro de hidrógeno:

Tóxico para muchos microorganismos

Precipita algunos metales necesarios para crecimiento bacterial (hierro)

Malos olores

Formulación de modelos de OD

en riosLas funciones principales de utilización de

OD en un rio son:

• DBO carbonácea, dispersa y disuelta

• DBO nitrogenácea

• DBO bental

• OD utilizado en respiración de plantas

acuáticas

• Residuos que demandan oxigeno

Procesos de transformación y remoción de

constituyentes

Factores de mayor interés en la autodepuración de corrientes:

Desoxigenación por actividad bacterial

Reaireación superficial

Demanda de oxigeno de los sedimentos

Fotosíntesis y respiración de algas

Procesos que se presentan en depuración de aguas residuales:

Conversión bacterial

Reacciones químicas

Adsorción y desorción de gases

Degradación natural

Sedimentación

Volatilización

Velocidad de depuración según el proceso:

Conversión bacterial

Reacciones químicas

Degradación natural

n

Tc Ckr rc = velocidad de conversión, M/L3T

kT = coeficiente cinético de reacción de primer orden, (M/L3)n-1/T

C = Concentración del constituyente, (M/L3)n

n = orden de reacción

kDBOrc rc = velocidad de conversión, M/L3T

k = coeficiente cinético de reacción de primer orden, 1/T

DBO = Cantidad de material orgánico remanente, M/L3

Nkr dd rd = velocidad de degradación, no/T

kd = coeficiente cinético de reacción de primer orden, 1/T

N = Cantidad remanente de organismos, número

Velocidad de depuración según el proceso:

Adsorción y desorción de gases

Sedimentación

CCV

Akr SRc

rc = velocidad de conversión, M/L3T

kR = coeficiente de absorción, L/T

A = área de transferencia, L2

V = volumen, L3

CS = concentración de saturación en el líquido, M/L3

C = Cantidad de constituyente en el líquido, M/L3

SSH

Vr S

s rs = velocidad de sedimentación, 1/T

Vs = velocidad de asentamiento, L/T

H = profundidad, L

SS = sólidos sedimentables, L3/L3

La degradación individual de un constituyente puede expresarse como

una reacción de primer orden:

Integrando se obtiene:

El tiempo al cual Co/C = 2, esta dado por:

Persistencia a largo plazo de constituyentes

en el ambiente

Ckdt

dCT

C = concentración en el tiempo t

t = tiempo

kT = coeficiente cinético de reacción de primer orden (1/T)

Co = concentración en el tiempo cerotkC

CT

o ln

TT kkt

693.02ln

21 t1/2 = tiempo de vida medio

Ejercicio

Determinar el tiempo requerido para reducir a la mitad la concentración

inicial de tolueno y dieldrin arrojados a una laguna poco profunda

utilizada en el tratamiento de agua residual.

Suponga que los coeficiente cinéticos de remoción de primer orden son:

tolueno 0.0665/h

dieldrin 2.665 x 10-5/h

Balance de masa en punto de

descarga

Dilución inicial

Concentración resultante de mezcla

completa e instantánea:

Aplicable para OD, DBO, sólidos suspendidos, temperatura…

¿mezcla completa? Longitud de mezcla

Qv - Cv

Qr - Cr wrwwrr QQCQCQC

wr

wwrr

QQ

QCQCC

Ejercicio

Una descarga puntual y una corriente receptora a nivel del

mar tienen las siguientes características:

Hacer el balance de masa para la temperatura y el OD

asumiendo mezcla completa

valor Vertimiento Rio

Flujo (m3/s) 0,463 5,787

Temp (oC) 28 20

OD (mg/L) 2 7,5

OD sat (mg/L) 7,827 9,002

Ox

ígen

o D

isu

elto

, C

DISTANCIA (km)

Punto de descarga

Concentración de saturación = Cs

D0

D = Déficit de oxígeno = Cs-C

Río

Modelo de disminución de oxígeno (Streeter y Phelps,

1925)

Desarrollado para predecir los efectos de la descarga de material orgánico

biodegradable sobre el oxígeno disuelto de un río o corriente de agua

Efectos del vertimiento de agua residual a un cuerpo con baja

disponibilidad de Oxígeno Disuelto (OD):

Se alcanzaran condiciones anaerobias

El agua se tornará turbia y oscura

Los sólidos sedimentables formaran depósitos en el lecho del cuerpo de

agua y serán degradados bajo condiciones anaerobias

Donde el OD es cero se producirá sulfuro de hidrógeno, amoniaco (olores)

Afectará la disponibilidad de oxígeno para los peces

La autopurificación permitirá que el OD aumente hasta que los efectos

ocasionados por la descarga sean mínimos

A altas temperaturas la acción bacterial es más eficiente, pero se reduce la

concentración de OD, lo cual hace más exigente las condiciones de cuerpos de agua

poluidos en climas cálidos, especialmente si hay caudales bajos

Desoxigenación y Reoxigenación

Procesos simultáneos con velocidades diferentes: Déficit de Oxígeno

Cs: concentración de saturación de oxígeno

C: concentración actual de oxígeno disuelto

Velocidad de desoxigenación:

Velocidad de reoxigenación:

CCD S

tD DBOkr 1

CCkDkr sR 22

rD = velocidad de desoxigenación, mg/L*d

k1 = coeficiente cinético de desoxigenación, 1/d (d-1)

DBOt = DBO carbonácea remanente al tiempo t, mg/L

rR = velocidad de reoxigenación, mg/L*d

k2 = coeficiente cinético de reoxigenación, 1/d (d-1)

D = déficit de oxígeno disuelto, mg/L

EJERCICIO

Calcular el Deficit de oxígeno para la mezcla anterior, teniendo en cuenta que a la T

de mezcla el OD sat es de 8,917 gm/L

valor Vertimiento Rio

Flujo (m3/s) 0,463 5,787

Temp (oC) 28 20

OD (mg/L) 2 7,5

OD sat (mg/L) 7,827 9,002

Ecuación de Streeter y Phelps: determina la cantidad de OD en función del tiempo de

transporte:

Donde: Dt: déficit de oxígeno disuelto en el tiempo t, mg/L

DBOU: DBO última carbonácea en el punto de descarga, mg/L

t: tiempo de transporte en días

D0: déficit inicial de oxígeno disuelto, mg/L

K1: constante de desoxigenación en base e, d-1

K2: constante de reaireación, en base e, d-1

Cuando el agua residual se vierte a una corriente de agua, los valores de Dt, DBOU y

D0 corresponden a las características de la mezcla.

tKtKtK

t eDeeKK

DBOUKD 221

0

12

1

DkLkdt

dD21

En condiciones críticas:

Donde: Dt: déficit de oxígeno disuelto crítico en el tiempo t,c mg/L

DBOU: DBO última carbonácea en el punto de descarga, mg/L

t:c tiempo crítico de transporte en días

K1, K2: constantes de desoxigenación y reaireación

Cuando el agua residual se vierte a una corriente de agua, los valores de Dt,

DBOU y D0 corresponden a las características de la mezcla.

cC

oc

tK

C

tvX

DBOUK

KKD

K

K

KKt

DBOUeK

KD c

*

)(1(ln

1

1

12

1

2

12

2

1 1

Fórmulas empíricas para K2

Pesquisador Fórmula Faixa de aplicação

O´Connor e

Dobbins (1958)

0,6m<H<4,0m

0,05m/s<V<0,8m/s

Churchill et al

(1962)

0,6m<H<4,0m

0,8m/s<V<1,5m/s

Owens et al0,1m<H<0,6m

0,05m/s<V<1,5m/s

5,15,0

2 73,3 HVK

67,197,0

2 0,5 HVK

85,167,0

2 3,5 HVK

K2 (dia-1)

V = velocidad media del agua (m/s)

H = Altura média de lâmina de água (m)

Valores comunes para coeficiente de reoxigenación

)20(

20,2,2

)20(

20,1,1

)022,1(

)047,1(

T

T

T

T

KK

KK

Cuerpo de agua Intervalo de k2 a

20ºC (d-1)

Pequeños estanques y agua en reposo 0.10 – 0.23

Ríos muy lentos y lagos 0.23 – 0.35

Ríos largos de velocidad baja 0.35 – 0.46

Ríos largos de velocidad moderada 0.46 – 0.69

Ríos rápidos 0.69 – 1.15

Rabiones y cascadas > 1.15

Correcciones por temperatura:

EjercicioUn rio con un caudal de 25m3/s a temperatura de 14ºC tiene un OD de 7,0 mg/l y una

DBOU de 4,0 mg/l aguas arriba de la descarga de un agua residual. El caudal de las

aguas residuales es de 5m3/s a temperatura de 18ºC y con DBO5 de 150 mg/L y OD

de 2,0 mg/L. La velocidad del rio es de 0,5 m/s, la profundidad media del flujo 1,0 m y

la ecuación empírica para calcular K2 es:

Donde

K2 = constante de reaireación, base neperiana en d-1

V= velocidad del flujo, en m/s ; H= profundidad del flujo en m

K1=0,25 d-1

OD de saturación= 7,5 mg/L

Determinar : Deficit inicial de OD

Tiempo de flujo al punto critico

Distancia al punto crítico y Longitud del rio con OD< 4,0 mg/l

Curva SAG para el rio

longitud del rio con OD<4,0 mg/L

33,12 2,2H

Vk

Oxigeno disuelto a saturación (mg/L):

T: temperatura (°C) H: elevación (msnm) ODm: oxigeno disuelto medido (mg/L)

Los valores de OD disminuyen con la temperatura

Porcentaje de saturación:

Oxigeno disuelto requerido por los peces:Mínimo 5 mg/L en 16 de 24 horas

No menor de 3 mg/L en cualquier período