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1/23

TEMA 4.

ROS Y CORRIENTES. MODELOS DEOXGENO

1. Demanda bioqumica de oxgeno

2. Demanda qumica de oxgeno3. Ecuacin de Streeter-Phelps4. Parmetros de control. Modelos

1

Francisco Javier Bayo BernalCalidad de AguasGrado en Ingeniera CivilUniversidad Politcnica de Cartagena

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2/23

OXIDACIN DE

COMPUESTOS ORGNICOSFOSFORADOS

OXIDACIN DE

COMPUESTOS ORGNICOSNITROGENADOS

OXIDACIN DECOMPUESTOS ORGNICOS

AZUFRADOS

microorganismosaerobiosCxHyOz + O2 CO2 + H2O + Q

Cantidad de oxgeno necesaria (mg/L) para

que los microorganismos aerobios puedanoxidar metablicamente la materia orgnica

presente en la muestra de agua hasta dixidode carbono y agua

Definicin 1. Demanda bioqumica de oxgeno

2

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Cintica

CINTICA DE PRIMER ORDENt1

t

Ldt

dL

K=

Lt =Lae-K1t

1 ETAPA (DBOC)

2 ETAPA (DBOC+DBON)

DBON

yt =La-Lt

La

DBO(

mg/L)

La DBO ltimaL

t DBO remanente

yt DBO ejercidaK1 Constante de desoxigenacin

tiempo (das)

1. Demanda bioqumica de oxgeno

3

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Cintica

CINTICA DE PRIMER ORDEN

dtL

dL1

t

t K= = tL

Lt

t dtKL

dLt

a 01

tL

Lln 1a

t K=

tK

e 1

L

L

a

t = tKat eLL 1

=tk

at LL 110 =

K1 = 2,303 k1k1 = 0,434 K1

DBO5 (A) > DBO5 (B)La (A) = La (B)

A

La

DBO(

mg/L)

tiempo (das)

A K1 = 0,30B K1 = 0,10

B

5

DBO5 (A)

DBO5 (B)

1. Demanda bioqumica de oxgeno

4

inica

fina

L

L

tK

_

_

1 log1

=

CLCULO K1

inica

fina

L

L

t

k_

_

1 ln1

=

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Determinacin

OxiTop IS 6 Medida de la disminucin en la presin aparecida en el interiorde las botellas de incubacin, por el consumo de oxgeno por parte de los

microorganismos del agua

A = Lectura del cabezal el 5 daF = Factor de correccinD = Dilucin de la muestra

DBO5 (mg/L) = A F D

Volumen de muestra (mL) Rango de medida (mg/L) Factor

432 0-40 1

365 0-80 2

250 0-200 5

164 0-400 10

97 0-800 20

43,5 0-2000 50

22,7 0-4000 100

1. Demanda bioqumica de oxgeno

5

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Definicin

PROCESO LENTO (5 das) SUSTANCIAS NO BIODEGRADABLES

Determinacin DBO Inconvenientes

Cantidad de oxgeno necesaria (mg/l) consumidopor las materias reductoras presentes en el agua,

sin intervencin de organismos vivos

DQOs

Coagulacin-floculacin ZnSO4 filtracin ( = 0,45 m)

Fcilmentebiodegradable

cidos grasos voltiles, hidratos de carbono sencillos,

Lentamentebiodegradable

Requiere hidrlisis extracelular antes de ingresar en la clula

Inerte Requiere hidrlisis extracelular antes de ingresar en la clula

PRESENCIA DE SUSTANCIAS TXICAS

6

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REFLUJO CON DICROMATO POTSICO

Determinacin

Xn- + Cr6+ Cr3+ + Xn+

350 nm Hasta 40 mg/l420 nm Hasta 150 mg/l620 nm Hasta 15.000 mg/l

Relacin DBO5/DQO

Cr2O7= + 6 Cl- + 14 H+ 3 Cl2 + 2 Cr3+ + 7 H2OInterferencia de cloruros

(> 2000 mg/L)

Standard Method (APHA, 1999) HgSO4:Cl (10:1) HgCl2

DBO5 / DQO < 0,2 (NO BIOD.) DBO5 / DQO > 0,6 (BIOD.)

DQO/DBO5 = 1,5 m.o. degradableDQO/DBO5 = 2,0 m.o. moderadamente degradable

DQO/DBO5 = 10,0 m.o. degradable 7

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Modelo

( )ctKa

ac e

K

LKOD 1

1 =

ECUACIN DE STREETER-PHELPS

3. Ecuacin de Streeter-PhelpsFUENTES DE OXGENO

Aportacin del cauce

Aportacin del vertido

Reaireacin superficial

Fotosntesis

Descenso temperaturaDilucin por corrientes no contaminadas

SUMIDEROS DE OXGENO

Materia orgnica en suspensin

Fangos del bentos (DOS)

Respiracin de organismos acuticos

Respiracin fitoplancton

Incremento de la temperaturaNitrificacin

Materia inorgnica

DFICIT CRTICO DE OXGENO

Caudal mnimo (sequa o poca de estiaje) T [OD] actividad microorganismos

8

( ) tKditKtKa

a aa eODee

KK

LKD

+

=

1

1

1

1K

Kf a=

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9/23

ODsat

t=0

dficit de oxgeno hastaalcanzar el valor de

saturacin (ODdi)

t=t

OD0

oxgeno aportado en elintervalo t=0 a t=t

Concentracindeoxgenodisueltoa

saturacin(mg/l)

tiempo

TIEMPO CRTICO

3. Ecuacin de Streeter-Phelps

=

a

adi

a

a

cLK

KKOD

K

K

KKt

1ln

1

1

1

11

Distancia entre punto de vertido yvalor mnimo de oxgeno

DISTANCIA CRTICA

cSc tvS =

Modelo

ODdi

OD(

mg/l)

ODsat

0

ODC

tC tiempo - distancia

curso de agua

entrada deagua residual

ODmin

sC

9

OD0

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10/23

Reaireacin

VIENTO VELOCIDAD CORRIENTE PROFUNDIDAD

20372,0317,0782,0 vvvKa +=

Banks and Herrera (1977). Effect of wind and rain on surface reaeration.

Journal of Environmental Engineering 103: 489-504.

5,1

5,090,3

h

uKa =

673,1

969,0

01,5huKa =

Churchill et al. (1962). The prediction of streamreareation rates. Journal of the Sanitary Engineering

Division, American Society of Civil Engineers 88: 1-46.

85,1

67,035,5

h

uKa =

IMAGEN TOMADA DE:http://www.ecy.wa.gov/programs/eap/models/rates_and_constants/Sect3-1.pdf.

03/11/2011

OConnor and Dobbins (1958). Mechanism ofreaeration in natural streams. Transactions of

the American Society of Civil EngineersTransaction 123: 641-684.

Owens et al. (1964). Some reaerationstudies in streams. International Journal

of Air and Water Pollution 8: 469-486.10

tOD

OD

K di

df

a

=

lnCLCULO BSICO

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11/23

Temperatura

IMAGEN TOMADA DE:Bahadori and Vuthaluru (2010). Simple Arrhenius-type function accuratelypredicts dissolved oxygen saturation concentrations in aquatic systems.

Process Safety and Environmental Protection 88: 335-340.

)3015(47,1)155(01,15,01,0 120

1 CCdK

)20(20

11

= TT

KK ARRHENIUS

IMAGEN TOMADA DE:Jhaet al. (2001). Refinement of predictive reareation equations for a typical Indian

river. Hydrological Processes 15: 1047-1060. 11

32 000077774,00079910,041022,0652,14 TTTODsat +=

Tabla ASCE

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Fotosntesis

2612622 666 OOHCOHCO luz ++

VELOCIDAD DE LA CORRIENTE

PROFUNDIDAD

TEMPERATURA

NUTRIENTES

LUZ SOLAR

Variacin en la produccin diaria Entre 0,5 g/m2 y 60 g/m2

Produccin primaria

Correlacionada con la clorofila a F = 0,25 Cla

ESTADO TRFICO DEDOS LAGOS SEGN

NIVELES DE CL-A

IMAGEN TOMADA DE:Fang and Stefan (1995). Interaction between oxygen

transfer mechanisms in lake models. Journal ofEnvironmental Engineering 121: 447-454.

12

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Respiracin

ESTIMACIN

Consumo de oxgeno

R = 0,1 Cla Fitop 1,08T-20 R = 0,0025 Cla

CLOROFILA A

IMAGEN TOMADA DE:http://www.fkp.jku.at/fkp/forschung/PorSil.aspx.

03/11/2011

Tasa de respiracin (g O2/m2d) Lugar Referencia

4,59 Ro Tmesis (primavera) Kowalczewski and Lack (1971)

0,09 Ro Tmesis (otoo) Kowalczewski and Lack (1971)

2,02 2,30 Ro Bfalo (Pennsylvania) McDiffettet al. (1972)

1,00 5,00 Valores para modelizacin Jrgensen (1979)

2,00 Valor para modelizacin Bonnet and Wessen (2001)

1,50 Valor para modelizacin Lopeset al. (2008)

Kowalczewski and Lack (1971). Primary production and respiration of the phytoplankton of theRivers Thames and Kennet at Reading. Freshwater Biology 1: 197-212.

McDiffettet al. (1972). An estimate of primary productivity in a Pennsylvania trout stream using adiurnal oxygen curve technique. The American Midland Naturalist 87: 564-570.

Jrgensen (1979). Handbook of Environmental Data and Ecological Parameters. PergamonPress: New York.

Bonnet and Wessen (2001). ELMO, a 3-D water quality model for nutrients and chlorophyll: firstapplication on a lacustrine ecosystem. Ecological Modelling 141: 19-33.

Lopeset al. (2008). Validation of a water quality model for the Ria de Aveiro lagoon, Portugal.Environmental Modelling & Software 23: 479-494.

Cla biomasa fitoplancton

13

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14/23

Nitrificacin

2NH4+

+ 3O2

2NO2-

+ 4H+

+ 2H2O2NO2- + O2 2NO3-

NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O

2O2 : 1N 4,57 gO : 1 gN O2 : 2N 1,14 gO : 1 gN

NITRIFICACINTERICA

DBON = 4,57 (N-org+N-NH3) + 1,14 (N-NO2-) == 4,57 NTK

DKLKLK

dt

dDaNNt 1 +=STREETER-PHELPS AMPLIADA

14

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15/23

Desnitrificacin

MODELOS DE TRANSFERENCIA DE N2 EN CANAL ABIERTO

Turbulencia bntica

( ) ( ) 3

21

1

530

580

6024min

=

dKK aN Churchill et al. (1962)

OConnor & Dobbins (1958)

Owens et al. (1964)

103,0 > sz

u

Modelo de vientosmv /8>

IMGENES TOMADAS DE:

Jhaet al. (2001). Refinement of predictive reareation equations for a typical Indian river. HydrologicalProcesses 15: 1047-1060. 15

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DOS

Demanda de oxgeno por lossedimentos del cauce, lago, fangos de

depuradora, CINTICA DE ORDEN CERO

Entre 0,05 10 g/m2 dGDOS

16

28,0

1

OD

DOS

DOS=

Zonas de invertebrados bnticos

H

tGDOS DOS

28,3=

Correccin Arrhenius (= 1,046)

IMAGEN TOMADA DE:http://wetlandinfo.derm.qld.gov.au.

09/03/2012

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17/23

DOS

z

A

A

DOSaCl

Y

kLkaClLP

z

ODAK

zAt

OD

OaCl

T

rr

t

T

bbZ

+

=

"""")min(

2""

20

20

max

FORMULACIN UNIDIMENSIONAL ENESTADO NO ESTACIONARIO PARA UN LAGO

Difusin vertical Fotosntesis DBO5 Respiracin DOS

Fang and Stefan (1995). Interaction between oxygen transfer mechanisms in lake models. Journal of Environmental

Engineering 121: 447-454. 17

DEPSITO DE FANGO ORGNICO

( )tKaadacum eK

LL 11

1

= ( )tkaadacumk

LL 1101

303,2 1

=

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SOME ENGLISH TERMSTO BE FAMILIAR WITH

Clorofila Chlorophyll

Curva de dficit de oxgeno Oxygen sag curve

DBO ltima Ultimate BOD

Demanda bioqumica de oxgeno Biochemical oxygen demand (BOD)

Demanda de oxgeno por sedimentos Sediment oxygen demand (SOD)

Demanda qumica de oxgeno Chemical oxygen demand (COD)

Fotosntesis Photosynthesis

Fuente de oxgeno

Oxygen source Oxgeno disuelto Dissolved oxygen

Produccin primaria Primary production

Sumidero de oxgeno Oxygen sink

Turbulencia del bentos

Benthic turbulence 18

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19

CSERD: MODELO DE OXGENO DISUELTO

CLCULO DE LA CURVA DE DFICIT DE OXGENO

ANLISIS DE LA CURVA DE DFICIT DE OXGENO

CLCULO DE LA CONSTANTE DE REAIREACIN

CLCULO DE LOS SDT EN FUNCIN DE LA CONDUCTIVIDAD

http://ponce.tv/onlinesalinity.phphttp://ponce.tv/onlineoxygenation.phphttp://ponce.tv/onlinedosaganalysis.phphttp://ponce.tv/onlinedo.phphttp://www.shodor.org/refdesk/Resources/Models/DissolvedOxygen/

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20/23

20

QUAL2K MODEL

IMAGEN TOMADA DE: www.gifmania.com.es

WATER QUALITY

EXAMPLE FOR CIVIL

ENGINEERS

RESTORING THE

DANUBE RIVERSEDIMENTS IN

STREAMS I

SEDIMENTS IN

STREAMS II

SEDIMENTS IN

STREAMS III

http://www.epa.gov/athens/wwqtsc/html/qual2k.htmlhttp://www.youtube.com/watch?v=S-5-vGfQq80http://www.youtube.com/watch?v=S-5-vGfQq80http://www.youtube.com/watch?v=S-5-vGfQq80http://www.youtube.com/watch?v=GsUnlXBeHKUhttp://www.youtube.com/watch?v=GsUnlXBeHKUhttp://www.youtube.com/watch?v=DwIEZypzveIhttp://www.youtube.com/watch?v=DwIEZypzveIhttp://www.youtube.com/watch?v=n-yR5qDyV6Mhttp://www.youtube.com/watch?v=n-yR5qDyV6Mhttp://www.youtube.com/watch?v=n-yR5qDyV6Mhttp://www.youtube.com/watch?v=6hhOn9-A55ghttp://www.youtube.com/watch?v=6hhOn9-A55ghttp://www.youtube.com/watch?v=6hhOn9-A55ghttp://www.youtube.com/watch?v=n-yR5qDyV6Mhttp://www.youtube.com/watch?v=DwIEZypzveIhttp://www.youtube.com/watch?v=GsUnlXBeHKUhttp://www.youtube.com/watch?v=S-5-vGfQq80http://www.epa.gov/athens/wwqtsc/html/qual2k.html

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21

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Bahadori, A., Vuthaluru, H.B. (2010). Simple Arrhenius-type functionaccurately predicts dissolved oxygen saturation concentrations in aquaticsystems.Process Safety and Environmental Protection 88: 335-340.

Banks, R.B., Herrera, F.F. (1977). Effect of wind and rain on surfacereaeration.Journal of Environmental Engineering 103: 489-504.

Bonnet, M.P., Wessen, K. (2001). ELMO, a 3-D water quality model fornutrients and chlorophyll: first application on a lacustrine ecosystem.Ecological Modelling 141: 19-33.

Churchill, M.A., Elmore, H.L., Buckingham, R.A. (1962). The prediction ofstream reareation rates.Journal of the Sanitary Engineering Division,American Society of Civil Engineers 88: 1-46.

Fang, X., Stefan, H.G. (1995). Interaction between oxygen transfer mechanisms in lake models.Journal of Environmental Engineering 121:447-454.

Jha, R., Ojha, C.S.P., Bhatia, K.K.S. (2001). Refinement of predictivereareation equations for a typical Indian river.Hydrological Processes 15:

1047-1060.

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22

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Jrgensen, S.E. (1979).Handbook of Environmental Data and EcologicalParameters. Pergamon Press: New York.

Kowalczewski, A., Lack, T.J. (1971). Primary production and respirationof the phytoplankton of the Rivers Thames and Kennet at Reading.Freshwater Biology 1: 197-212.

Lopes, J.F., Silva, C.I., Cardoso, A.C. (2008). Validation of a water qualitymodel for the Ria de Aveiro lagoon, Portugal.Environmental Modelling &Software 23: 479-494.

McDiffett, W.F., Carr, A.E., Young, D.L. (1972). An estimate of primaryproductivity in a Pennsylvania trout stream using a diurnal oxygen curve

technique.The American Midland Naturalist 87: 564-570. OConnor, D.J., Dobbins, W.E. (1958). Mechanism of reaeration innatural streams.Transaction of the American Society of Civil Engineers123: 641-684.

Owens, M., Edwards, R.W., Gibbs, J.W. (1964). Some reaeration studiesin streams.International Journal of Air and Water Pollution 8:469-486.

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23

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Streeter, H.W., Phelps, E.B. (1925). A Study of Pollution and NaturalPurification of the Ohio River. III. Factors Concerned in the Phenomena

of Oxidation and Reaeration. (Reprinted by U.S. Department of Health,Education, & Welfare. Vol 146. 1958. Public Health Bulletin).