modelos vertimientos 2015
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Modelo streeter y phelpsTRANSCRIPT
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
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