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Saneamiento … un viaje

con NEMO

El objetivo de los sistemas de

saneamiento es recoger el agua

contaminada, …

2

…, conducirla fuera de los núcleos

urbanos, de forma que no suponga

ningún peligro para la salud humana, …

…, reducir su nivel de contam

inación, …

3

… y devolverla de forma

adecuada al medio acuático natural.

¿Qué transportamos en las

redes de saneamiento?

¿Cuánto y Cómo?

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¿Qué vimos en el viaje de NEMO?

• Flujo en lámina libre• El agua fluye con alta velocidad (altas pendientes de las

alcantarillas)• Composición del agua: materia orgánica (sólidos)• Red ramificada (alcantarillas � colector)• Entronque de las alcantarillas con los colectores, en

altura• Estructuras de alivio (no todo el agua llega a la EDAR)• Red subterránea

Redes de saneamiento (I):Composición del agua residual y

criterios de diseño

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Objetivos del tema

- Conocer cuáles los parámetros de indicadores de contaminación más característicos del agua residual urbana, y los órdenes de magnitud de éstos.

- Entender cómo cuantificamos la materia orgánica y los sólidos en suspensión en el agua residual urbana.

- Derivar algunos criterios utilizados en el diseño de redes de saneamiento, que resultan de considerar las características del fluido que se transporta

- Conocer los ‘tipos’ de agua residuales urbanas, según su procedencia, y los ‘tipos’ de redes, según el tipo de agua que lleven.

Referencias

• [1] Chapra, 1997. Surface Water Quality Modelling. McGraw-Hill

• [2] Ingeniería de las aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Ed. McGraw-Hill.

• [3] Delleur, J. W. 2001. Sediment movement in drainage systems. In Mays, L. Stormwater collection systems design handbook. Chapter 14.

• [4] Orozco y otros. 2003. Contaminación Ambiental. Una visión desde la Química. Ed. Thompson.

• [5] Butler and Davis, 2004. Urban Drainage. SecondEdition.

• [6] Erosion and Sedimentation Manual. Edited by the United States Department of Interior, Bureau of Reclamation. 2006.

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Parámetros indicadores de contaminación

• FísicosCaracterísticas 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);

• BiológicosBacterias, virus, hongos, algas � coliformes

Parámetros indicadores de contaminación

• FísicosCaracterísticas 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);

• BiológicosBacterias, virus, hongos, algas � coliformes

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Tipo de parámetro Parámetro Unidades Contaminación fuerte Contaminación media Contaminación ligera

Sol. Suspensión Mg/l 500 300 100

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

Temperatura ºC 10-20 10-20 10-20

Color Gris-negro Gris-negro Gris-negro

Olor SH2 SH2 SH2

Químicos D.B.O.5 MgO2/l 300 200 100

D.Q.O. MgO2/l 800 450 160

pH. 6-9 6-9 6-9

N. total Mg/l 86 50 25

N. orgánico Mg/l 35 20 10

NH4+ Mg/l 50 30 15

NO3- Mg/l 0,4 0,2 0,1

NO2- Mg/l 0,1 0,05 0

P total Mg/l 17 7 2

Cl- Mg/l 175 100 15

Grasas Mg/l 40 20 0

Biológicos 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

Físicos

Químicos

Biológicos

Parámetro

Indicadores de contaminación fecal ¡Patógenos!!! �RED SUBTERRÁNEA BAJO LARED DE ABASTECIMIENTO

1. Sólidos en el agua

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• 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 � disueltos y coloidales+ no-filtrables � 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 orgánica+ Fracción fija � fracción inorgánica

* según se volatilice o no a 550 ± 5oC

Definiciones

9

Problemas derivados de la

presencia de sólidos

10

Problemas derivados de la

presencia de sólidos

- Los sólidos tienden a depositarse, disminuyendo la sección útil de la conducción- Si la deposición es continuada y los sólidos llegan a consolidarse, pueden obturar e inutilizar colectores y alcantarillas- El agua residual, en vez de circular por gravedad circularía en carga, con el consiguiente peligro de rebose y afloramiento en superficie

¿Cómo evitar que sedimenten los sólidos?

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0.01

0.1

1

10

1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06

Rep

suspension

motion

no motion

bedload transport

negligible suspension

bedload and suspended load transport

sand gravelsilt

∗τ 50bf∗τ c

Diagrama de Shields, con criterio de suspensión

( )ν

pp

p

dgRd=Re

pp

b

Rg

d

u

Rg

d

2 *=

=∗

ρ

ττ

0wu b ==∗ρ

τ

Velocidad de fricción

0

*SgRu h=

Rh = Radio hidráulico

S0 = pendiente de la conducción

f = factor de fricción (Darcy)

U = velocidad media

ε = Rugosidad (2.5x10-3 m para el cemento)

2

8.14log2

−

=

εhR

22

*8

Uf

u =

12

Fg = m x g = ρsV g

Fe = ρw V g

V = 1/6 π dp3

Ap = 1/4 π dp2

dp

D

p

w

ws

C

dgw

−=

ρ

ρρ

3

42

0En equilibrio

Ff = CDApρww0

2/2

Velocidad de sedimentación

R

µ/)(Re 0 pdw=

CD

Régimen laminar Régimen turbulentoTransición

13

µ/)(Re 0 pdw=

CD

<<++

<

=

10000) Re(1 34.0Re

3

Re

24

laminar)régimen 1, (Re Re

24

DC

Ff = CDAρww0

2/2

Fg = m x g = ρsV g

Fe = ρw V g

V = 1/6 π dp3

A = 1/4 π dp2

dp

Velocidad de sedimentación

2

018

pRdg

wµ

=

Ley de Stokes(régimen laminar)

Ley de Newton(régimen turbulento)

pRdg

w44.0

0 ≈

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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. 2650 kg/m3, y el diámetro característico de la arena de tamaño medio es de 250-500 µm (usa 300 µm).

Encuentra la velocidad mínima y la pendiente mínima en la alcantarilla para que no se produzca deposición

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m/m

00

* )8/( wUfSgRu h ≥==

Pendientes mínimas para alcantarillas

Velocidades mínimas

Pendientesmínimas

Diámetros mínimos

Objetivo: auto-limpiezaLos valores mínimos depende del tipo de sedimentos que

transporte, del tipo de red, del tipo de conducción (ej. sifones).

- Pozos de registro, para facilitar el mantenimiento- Bombeos en zonas con poca pendiente

Criterios de diseño

y elementos en redes

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Adaptaciones de la red a la topografía

(pendiente insuficiente)

Desagüeh

h

Estaciones de bombeo

Velocidades máximas

Pendientesmáximas

Objetivo: conservación

i.e. evitar la abrasión de los materiales por el poder erosivo del agua.

-Diseño de rápidos en zonas con mucha pendiente.

- Protecciones especiales en el fondo



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Desagüe

Rápidos

Adaptaciones de la red a la topografía

(pendiente excesiva)

2. Materia orgánica, oxígeno y otros gases

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Materia orgánica en el agua residual

- ¡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 (25-50%) + grasas (10%) + otras moléculas orgánicas (agentes tensioactivos, contaminantes orgánicos prioritarios, COV y pesticidas)

� Grupo complejo de sustancias

¿Cómo cuantificamos el contenido orgánico?

g

g0

C6H12O6 +6O2 → 6CO2 + 6H2O180 g 192 g

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¿Cómo cuantificamos el contenido orgánico?

L

L0

Materia orgánica, en equivalentes de oxígeno

Balances de masa en

un recipiente cerrado

kVLdt

VLd−=

)(Materia orgánica

Oxígeno

)exp()( 0 ktLtL −=⇒

)()( 000

kteLLoto

−−−=

Demanda ‘ejercida’ bioquímica de oxígeno, DBO = f(tiempo)!!!

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DBO y materia orgánica

L0e-kt

Tiempo (días)

Materia orgánica

L0

Con

cent

raci

ón (

mgO

/ l)

L0- L0e-kt

DBO y materia orgánica

L0e-kt

DBO = L0(1 - e-kt)

Tiempo (días)

Materia orgánica

L0

Con

cent

raci

ón (

mgO

/ l)

21

¿DBO5 vs. DBOu?

)1(0

tkeLy

−−=Recordad que definimos DBO como

i.e. es una función del tiempo.

)1()1(

5

50

5

05 k

k

e

yLeLy

−

−

−=→−=

DBO5 es la DBO para 5 días, i.e.

DBO5 Valores guía

• Aguas muy puras DBO5 < 3 mg/l O2

• Pureza intermedia 3<DBO5< 5• Agua contaminada DBO5> 5• Agua residual urbana DBO5 ≈ 100-400• Industria agroalimentaria DBO5 < 1000

Inconvenientes del 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

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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

DBO DQO

Microorganismos oxidantes

Ejemplo 2

Determinar la DBO de 1 día y la DBO última 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

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Ejemplo 3

Suponed agua residual, con 200 mg/L de DBOu (= L0!!) y que inicialmente tiene 10

mg/L de oxígeno. ¿En cuanto tiempo desaparece el oxígeno del agua? Si el

agua se mueve a 0.6 m/s, qué distancia recorre antes de que se consuma todo el oxígeno? La constante de reacción k =

0.23 d-1

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(Thiobacillus)

CORROSIÓN de alcantarillas de hormigón (H2SO4reacciona con el cemento y el hierro)

Peligro potencial para los operarios

Problemas derivados de la ausencia de oxígeno

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• Ventilación (pozos de registro, chimeneas, …)• Diseño � pendientes y velocidades mínimas que

minimicen el tiempo de transporte, y faciliten la auto-limpieza

• Limpieza periódica mecánica y química � pozos de registro (acceso a la red)

• Selección adecuada de materiales (recubrimiento de las armaduras, utilización de áridos calizos o dolomíticos, conductos de gres o material plástico …), que depende de la composición del agua residual

Infiltracionesy aportaciones incontroladas

Escorrentía urbana (pluviales)

- Contaminación orgánica (+sales disueltas y S.S. inorgánicos).- Biodegradables (DBO5/DQO ≈ 0,5)- Nutrientes (N y P)- Sin productos tóxicos

-Contaminación según el tipo de industria-Solamente se podrán verter a la red aguas industriales que sean asimilables a urbanas

-Contaminación por S.S., óxidos de S y N, metales pesados, papel, vidrio, desgaste de neumáticos, derrames de combustibles, aceites y grasas-Composición = f (duración de eventos de lluvia y del tiempo entre eventos)

Doméstica o sanitaria

(zonas residenciales, comerciales y públicas)

Agua residual urbana

Industrial

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Aguas ‘negras’Caudales estables






Industrial

Aguas ‘blancas’Caudales más

altos y variables, que ocurren de forma episódica






Industrial

Red separativa sanitaria(por gravedad o a presión)

… y de aguas pluviales(por gravedad)

Red (o sistema) unitaria(por gravedad)

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Sistema unitario

Sistema separativo

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Ejercicio propuesto

Suponed agua residual, con 400 mg/L de DBOu (= L0!!) y que inicialmente tiene 8 mg/L de oxígeno.

Si el agua se mueve a 1 m/s, en las alcantarillas, ¿desaparecerá el oxígeno antes de

llegar a la EDAR, situada a unos 10 km de la ciudad? La constante de reacción k = 0.23 d-1

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