Agua Residual

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9 C A P Í T U L O 1 En el capítulo se han seleccionado ejercicios relacionados con el tratamiento de aguas residuales, por ser este tema de importancia presente y futura en la depuración y saneamiento de las ciudades, así como en los programas de ahorro de agua. Se introducen algunos conceptos y definiciones muy específicos que el lector deberá consultar en la literatura especializada. No se sigue un orden estricto en la complejidad de las soluciones, porque éste varía de acuerdo a los antecedentes o preferencias del lector.

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agua residual

Transcript of Agua Residual

  • 9

    C A P T U L O 1

    En el captulo se han seleccionado ejercicios relacionados con el

    tratamiento de aguas residuales, por ser este tema de importancia presente y

    futura en la depuracin y saneamiento de las ciudades, as como en los

    programas de ahorro de agua. Se introducen algunos conceptos y definiciones

    muy especficos que el lector deber consultar en la literatura especializada.

    No se sigue un orden estricto en la complejidad de las soluciones, porque

    ste vara de acuerdo a los antecedentes o preferencias del lector.

  • 10

    Problema 1.1

    Una planta depuradora de aguas residuales con una produccin de

    , descarga el efluente lquido con una Demanda Bioqumica de Oxgeno

    (DBO) de

    en un ro. Si la DBO del ro aguas arriba del punto de descarga es

    , a caudal mnimo de

    , calcular la DBO del ro aguas abajo de la

    descarga, suponiendo mezclado perfecto.

    Figura 1.1.- Esquema para el problema 1.1.

    Solucin

    Sea un intervalo de tiempo de un segundo. El balance de materia de

    componentes (flujo), ya que se supone que no hay acumulacin en el volumen de

    control, es:

    3

    ?

    3

    Volumen de

    control

    3

  • 11

    Mientras que el balance de carga de contaminantes es:

    donde

    [ ]

    de carga de contaminantes aguas arriba.

    3

    3

    3 3

    Por lo tanto

    3

    Problema 1.2

    Los lodos primarios (PSS) y secundarios (SSS) de agua residual se

    separan en un espesador. Si los lodos PSS se producen a

    con 1% de

    slidos secos (DS) y los SSS a

    a 3 por 100 DS. Determinar el porcentaje

    de DS en el producto final.

    Figura 1.2.- Esquena para el problema 1.2.

    %

    %

    Proceso

    ?%

  • 12

    Solucin

    %

    %

    %

    Porcentaje de slidos secos

    %

    Problema 1.3

    Cada da se tratan 3 de agua residual en una planta depuradora

    municipal. El efluente contiene

    de slidos en suspension. El agua

    clarificada tiene una concentracin de slidos en suspensin de

    Determinar

    la masa de lodos producidos diariamente en el clarificador.

  • 13

    Figura 1.3.- Vista parcial de una planta depuradora de aguas residuales.

    Figura 1.4.- Esquema del problema 1.3.

    Realizaremos un balance de materia alrededor del clarificador

    ?

    Clarificador

    9

  • 14

    Por tanto

    9

    Proponga un plan de manejo de estos lodos.

    Problema 1.4

    Considere dos sistemas de tratamiento de efluentes:

    Lodos activados

    Filtro percolador

    Y dos tipos de efluentes:

    Domsticos: con una concentracion de DBO de

    Industrial:con una concentracion de DBO de

    Las condiciones de operacin vienen dadas como:

    SSLM: slidos suspendidos en el licor mezclado.

  • 15

    Determinar las concentraciones del efluente de salida de cada reactor

    utilizando tanto un modelo de primer orden como modelos cinticos reales.

    Solucin

    1. Lodos activados para efluente domstico.

    a) Considerar el modelo de primer orden y determinar k.

    donde concetracin en masa

    Por lo tanto

    La ecuacin de primer orden para el reactor de lodos

    activados es:

    donde

  • 16

    Para , la concentracion del efluente es 9

    b) Considere la cintica real:

    Ya que

    Tanto esta concentracin como la anterior deben compararse con la

    permitida por la norma correspondiente.

    As que el modelo de primer orden y la cintica real son compatibles para el

    efluente domstico.

    2. Lodos activados, efluente industrial.

    a) Considrese el modelo de primer orden:

  • 17

    9

    b) Considrese la cintica real

    9

    9

    9

    El modelo de primer orden y la cintica real no son compatibles en este

    caso.

    3. Filtro percolador-residual domstico.

    1. Considrese el modelo de primer orden (discontinuo o flujo en

    pistn)

    como antes

    Sustituyendo

  • 18

    2. Considrese la cintica real:

    En un proceso discontinuio, , por tanto V=constante, ya

    que en la ecuacin del balance de materia se convierte en

    Para el filtro percolador

    Para

  • 19

    4. Filtro percolador, efluente industrial.

    1. Modelo de primer orden, con un tiempo de retencin hidrulica de

    2. Cintica real

    Para

    Para

  • 20

    Resumen de resultados

    Tabla 1.1.- Resumen de resultados del problema 1.4.

    Sistema de

    tratamiento

    Tipo de

    residuos

    DBO afluente

    Modelo DBO efluente

    Lodos

    activados

    Domstico 200 Primer orden 14.9

    Cintica real 17.1

    Industrial 4,000 Primer orden 296

    Cintica real 2,488

    Filtro

    percolador

    Domstico 200 Primer orden 16.4

    Cintica real 64

    Industrial 4,000 Primer orden 27

    Cintica real 3,200

    De lo anterior se deduce que existan varias anomalas:

    Para efluentes domsticos en el reactor de lodos activados es suficiente un

    modelo de primer orden, ya que la concentracin de reactivo es igual en

    todo punto a la concentracin de salida.

    El modelo de primer orden es errneo para efluentes domsticos al usar el

    reactor de flujo pistn, ya que el tipo de reaccin tiene un perfil de

    concentracin. La concentracin es mxima en el extremo de entrada y

    mnima en el extremo de salida.

    Para efluentes de alta DBO, el supuesto de primer orden es notariamente

    insatisfactorio.

  • 21

    Problema 1.5

    Determinar el tiempo requerido para reducir a la mitad la concentracin

    inicial de tolueno y dieldrn arrojados a una laguna poco profunda utilizada en el

    tratamiento de agua residual. Supngase que los coeficientes cinticos de

    remocin de primer orden para tolueno y dieldrin son

    y

    ,

    respectivamente.

    Solucin

    Empleando la informacin del enunciado, determine el tiempo requerido para

    que las concentraciones en la laguna de tratamiento sean iguales a la mitad de la

    concentracin inicial.

    Para el tolueno

    9

    9

    Para Dieldrn

    9

    El tiempo requerido para que la concentracin de dieldrin sea igual a la

    mitad del valor inicial puede ser argumento para el desarrollo y utilizacin de

    agroqumicos que sean de rpida degradacin ambiental.

  • 22

    Problema 1.6

    Considerar un lago con rea superficial de y profundidad media de

    . Supngase que el lago se encuentra ubicado en la zona con precipitacin

    y evaporacin media anual de y , respectivamente. El lago es

    alimentado por un caudal cuyo afluente promedio es de

    . El aporte de la

    escorrenta superficial al lago se puede omitir. El efluente del lago se maneja de tal

    forma que la elevacin de la superficie del mismo permanece constante y no

    existen viviendas alrededor de ste. Si la concentracin de fsforo en el afluente y

    en el agua de lluvia son

    y

    , respectivamente, calcular la

    concentracin de fsforo del lago bajo condiciones de estado estable. Supngase

    que el aporte del agua subterrnea es cero, que el fsforo se precipita con una

    velocidad de primer orden y que su coeficiente cintico de precipitacin es

    .

    Se planea ubicar sobre el permetro del lago unidades de vivienda

    familiar. El agua del lago servir como fuente de abastecimiento y despus de ser

    sometida a filtracin ser distribuida a las viviendas del proyecto. El agua residual

    generada por las viviendas ser tratada en sistemas individuales de tanque

    sptico y campos de infiltracin y el efluente ser vertido indirectamente al lago. Si

    la concentracin de fsforo en el efluente vertido al lago es de

    , determine la

    concentracin en el lago bajo condiciones de estado estable En qu porcentaje

    se incrementa la concentracin de fsforo en el lago con respecto a la condicin

    de antes del proyecto? Supngase que el nmero promedio de personas por

    vivienda es y que el uso de agua es

    .

    Solucin

    Primera parte, concentracin de fsforo antes de proyecto

  • 23

    Convierta todos los caudales a

    y calcule su caudal efluente

    a. Precipitacin de lluvia:

    3

    b. Evaporacin:

    99

    3

    c. Calcule el efluente:

    99 3

    d. Calcule M:

    3

    3

    ( ) (

    3

    ) ( )

    3

    e. Calcule :

  • 24

    3

    (

    )

    3

    3

    f. Calcule la concentracin del fsforo en el lago:

    (

    )

    g. Prepare un balance de masa para el fsforo:

    Una vez conocida la concentracin de fsforo en el lago, se puede calcular el

    flujo msico de fsforo en el efluente y la cantidad de fsforo en solucin que

    abandon el sistema. Estos valores se pueden emplear junto con las cargas

    importantes de fsforo para completar el balance de masa.

    a. Flujo msico en la corriente efluente:

    3

    (

    )

    3

    b. Flujo msico de fsforo debido a la precipitacin qumica:

    3

    3

  • 25

    c. Flujo msico de fsforo en la corriente afluente:

    3

    (

    )

    3

    d. Flujo msico de fsforo debido a la precipitacin de agua de

    lluvia:

    3

    (

    )

    3 9

    Si la concentracin de fsforo se calcul correctamente, la suma de las

    corrientes de fsforo de entrada debe ser igual a la suma de las corrientes de

    fsforo de salida, es decir:

    [

    ] [

    ] [

    ] [

    ]

    9

    Se puede observar que la ecuacin de flujo msico de fsforo est

    balanceada.

    Segunda parte, concentracin de fsforo despus del proyecto

    h. Convierta los caudales en

    y calcule el caudal efluente.

    a. Agua para abastecimiento:

  • 26

    (

    ) (

    ) (

    ) (

    ) (

    3 )

    b. Agua residual:

    (

    ) (

    ) (

    3

    ) (

    ) (

    )

    3

    c. Calcule el caudal efluente:

    99 3

    i. Calcule , y la concentracin de fsforo:

    3

    ( )

    3

    ( )

    3

    3

    3 3

    ( ) (

    )

    3

    3

    j. Determine el incremento porcentual en la concentracin de fsforo

    respecto a la condicin antes del proyecto.

  • 27

    % %

    Como consecuencia de la realizacin de un proyecto sobre aguas

    residuales, se puede esperar que la concentracin de fsforo en el lago aumente

    31 por ciento. Generalmente, antes de la ejecucin de un proyecto como ste, se

    debe investigar el impacto ambiental que ocasiona la descarga de nutrientes como

    nitrgeno y potasio sobre la vegetacin acutica. Adems, si los residentes

    emplean fertilizantes comerciales para sus prados y jardines, debe considerarse

    tambin el impacto adicional que ocasiona esta prctica.

    Problema 1.7

    Una ciudad vierte

    de agua residual tratada a en un ro

    cercano. La promedio del efluente de la planta de tratamiento es de 30

    a

    El valor de a es 0.30 . El efluente despus de la aireacin

    contiene cerca de

    de oxgeno disuelto. Las caractersticas de la fuente

    receptora, aguas arriba del punto de descarga, son las siguientes: caudal mnimo

    , profundidad promedio , velocidad promedio del ro

    ,

    temperatura del ro , del ro

    a y el porcentaje de saturacin

    de oxgeno disuelto 9 % Determinar el dficit crtico de oxgeno y su ubicacin.

    Calcular tambin la DBO5 a 20C de una muestra de agua tomada en el punto

    crtico. Emplear como coeficientes de correccin por temperatura para y

    para . Representar grficamente la curva de disminucin de oxgeno

    disuelto.

  • 28

    Solucin

    1. Defina las relaciones que se van a emplear para determinar el caudal,

    , dficit de oxgeno disuelto (OD) y temperatura, justo aguas abajo del

    punto de descarga, suponiendo que el agua residual vertida se mezcla

    completamente con el agua del ro.

    Tabla 1.2.- Balance para el problema 1.7.

    2. Determine el oxgeno disuelto en el ro antes de la descarga :

    9

    (de tablas)

    9 9 9

    3. Determine temperatura, oxgeno disuelto, DBO5 y DBOU de mezcla

  • 29

    3

    4. Determine el valor de k2

    9

    3

    9

    3

    Frmula usual en Ingeniera Ambiental para corrientes de aguas.

    5. Corrija los coeficientes cinticos a 18C

    6. Determine y

    a. La concentracin de saturacin de OD a 18C es:

    a = 9

    (de tablas)

    b. El dficit inicial de OD es:

    9 9

  • 30

    c. El tiempo crtico se obtiene con la siguiente frmula usual de la

    Ingeniera Ambiental.

    [

    (

    )]

    [

    (

    )]

    d. La distancia crtica es:

    3

    7. Determine el dficit crtico,

    3

    9

    8. Determine la de una muestra tomada en

    3

    3

  • 31

    9. La curva de disminucin de oxgeno disuelto se representa grficamente en

    la siguiente figura.

    Figura 1.5.- Tiempo contra oxgeno disuelto,

    para el problema 1.7

    Aunque el anlisis de disminucin de oxgeno presenta un buen

    nmero de limitaciones, el ejercicio de aplicacin es til porque su fortaleza

    radica en la consideracin de las transformaciones que ocurren en la

    corriente y sus interrelaciones. Para vencer las evidentes limitaciones del

    anlisis de disminucin de oxgeno, se han desarrollado modelos por tramos

    en los que se consideran un buen nmero de variables.

    Problema 1.8

    El efluente de una planta de tratamiento de aguas residuales municipales

    tiene un gasto de 1

    , y es de mala calidad pues contiene

    de

    compuestos de fsforo (presentados como

    ). La descarga va al ro con un

    gasto aguas arriba de

    y una concentracin en fondo de fosforo en

    ). Cul

  • 32

    es la concentracin resultante de fsforo (en

    ) del ro despus de la descarga

    de la planta?

    Figura 1.6.- Esquema para el problema 1.8.

    Solucin

    Para resolver este problema, se aplican dos balances de materia para

    determinar, primero, el gasto volumtrico corriente abajo y, segundo, la

    concentracin de fsforo aguas abajo . Primero debe escogerse un volumen

    de control. Para tener la certeza de que los flujos de entrada y de salida crucen los

    lmites del volumen de control, ste debe atravesar el ro aguas arriba y aguas

    abajo del desage y debe atravesar tambin el tubo de descarga. El volumen de

    control seleccionado se indica en la figura anterior con la lnea discontinua. Para

    extenderse ro abajo lo suficiente se supone que el agua residual descargada y el

    agua del ro se mezclan bien antes de que salga del volumen de control. Mientras

    la suposicin se cumpla, no es importante para el anlisis qu tan lejos aguas

    abajo se extienda el volumen de control.

    Antes de empezar el anlisis, debe determinarse si se trata de un problema

    en estado estable o no, y si el trmino de la reaccin qumica no ser cero. Puesto

    que el planteamiento del problema no menciona en absoluto el tiempo, y es

    Descarga de una planta de

    tratamiento por medio de

    tuberas.

  • 33

    razonable suponer que el ro y la descarga de agua residual han estado fluyendo

    por algn tiempo y continuarn hacindolo, se trata de un problema de estado

    estable. Adems, este problema se refiere a la concentracin que resulta de la

    mezcla rpida del ro con el flujo de salida. Por lo tanto, es posible definir que el

    volumen de control ser lo suficientemente pequeo para suponer que la

    degradacin qumica o biolgica es insignificante durante el tiempo que la mezcla

    pasa en el volumen de control y as poder tratar este problema como uno de

    estado estable.

    Primero, debemos determinar el gasto de aguas abajo, . Este se

    encuentra por medio de un balance de masa sobre la masa total del ro. En este

    caso, la concentracin del ro en unidades de

    , es simplemente la

    densidad del agua, :

    Donde el trmino conservativo se ha fijado como cero porque la

    masa de aguas se conserva. Puesto que este es un problema de estado estable,

    . Por lo tanto, mientras la densidad sea constante, , o

    .

    Despus, se determina la concentracin de fsforo aguas abajo del tubo de

    descarga, . sta se encuentra utilizando la ecuacin estndar de balance de

    materia en condiciones de estado estable y sin formacin o decaimiento qumico:

  • 34

    (

    3

    )

    3

    3

    Problema 1.9

    Un reactor de flujo completamente mezclado (RFCM) se utiliza para tratar

    un desecho industrial, empleando una reaccin que disminuye el contaminante de

    a cuerdo con una cintica de primer orden con

    . El volumen del

    reactor es de 3, el gasto volumtrico de la nica entrada y salida, es de

    , y la concentracin de entrada del contaminante es de

    Cul es la

    concentracin de salida despus del tratamiento?

    Figura 1.7.- Esquema para el problema 1.9.

    Solucin

    El volumen de control obvio es el mismo tanque, el problema pregunta la

    concentracin constante de salida, y todas las condiciones del problema son

    constantes, por lo tanto, se trata de un problema en estado estable (

    ). La

    ecuacin de balance de materia con un trmino de decaimiento de primer orden

    es

  • 35

    3

    3

    3