1

Origen, recogida, Origen, recogida, Origen, recogida, Origen, recogida,

transporte y evacuacitransporte y evacuacitransporte y evacuacitransporte y evacuacióóóón n n n

de aguas residualesde aguas residualesde aguas residualesde aguas residuales

¿Qué?

¿Cuánto?

¿Cómo?

2

Referencias

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

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

• [3] Saneamiento y alcantarillado: vertidos de aguas residuales. Aurelio Hernández. Ed. Paraninfo.

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

• [5] Chanson, H., 2004. Environmental hydraulics of open channel flows, Elsevier.

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

Concepto de Concepto de Concepto de Concepto de

contaminacicontaminacicontaminacicontaminacióóóónnnn

3

Definición

• «La contaminación consiste en una modificación, generalmente, provocada por el hombre, de la calidad del agua, haciéndola impropia o peligrosa para el consumo humano, la industria, la agricultura, la pesca y las actividadesrecreativas, así como para los animales domésticos y la vida natural» (Carta del Agua, Consejo de Europa, 1968)

• «Un agua está contaminada cuando se ve alterada su composición o estado, directa o indirectamente, como consecuencia de la actividad humana, de tal modo que quede menos apta para uno o todos los usos a que va destinada, para los que sería apta en su calidad natural» (C.E.E. de las Naciones Unidas, 1961)

• «La acción y el efecto de introducir materias, o formas de energía, o inducir condiciones en el agua que, de modo directo o indirecto, impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los usos posteriores o con su función ecológica» (Ley de Aguas)

• No partimos del agua pura, sino de la calidad/composición natural del agua

• Se considera contaminación la provocada de forma directa/indirecta por la actividad humana

• La calidad se define en función de los usos• Los mecanismos de contaminación son

múltiples, asociados a cambios en el régimen de movimiento natural

• Composición y la calidad del agua son propiedades dinámicas (i.e. cambian con el tiempo)

Aspectos clave

Usos consuntivos

- Urbano, doméstico

o abastecimiento

- Industrial

- Agropecuario

Otros- Generación de energía eléctrica

- Medio de vida acuático (acuicultura)

- Navegación

- Recreativo o estético

- Otros: medioambientales

4

Los Ojos del Guadiana y las

Tablas de Daimiel

(Caso 1)

8-12

20

30-40

90 hm3

715-1047 µmhos/cm

90 hm3

2121-5533 µmhos/cm

5

Perturbaciones

• Década de los 1960: El Instituto de Colonización promovió la canalización y desecación del río Guadiana y sus afluentes, para el uso agrícola de sus márgenes. Con el fin de preservar el valor ecológico del lugar es declarado Parque Nacional a final de la década de los 60.

• Años 70 y 80: El INC del MOP promovió la explotación de aguas subterráneas para riego, lo cual produjo un descenso pronunciado de los niveles freáticos de los acuíferos y con ello …

20-70 hm3

0!! hm3

8-12

0!!

0!!

6

Perturbaciones

• Década de los 1960: El Instituto de Colonización promovió la canalización y desecación del río Guadiana y sus afluentes, para el uso agrícola de sus márgenes. Con el fin de preservar el valor ecológico del lugar es declarado Parque Nacional a final de la década de los 60.

• Años 70 y 80: El INC del MOP promovió la explotación de aguas subterráneas para riego, lo cual produjo un descenso pronunciado de los niveles freáticos de los acuíferos y con ello …

• Disminución de la superficie de encharcamiento

• Aumento de la salinidad de las Tablas.

• Reducción de especies nidificantes

• Sustitución de especies (masiega � carrizo)

• Combustión espontánea de turberas

• Colapsos y subsidencias del terreno

• Emisión de gases tóxicos

Consecuencias

7

Toolik Lake, Alaska

(Caso 2)

8

Aspectos clave

• No partimos del agua pura, sino de la calidad/composición natural del agua

• Se considera contaminación la provocada de forma directa/indirecta por la actividad humana

• La calidad se define en función de los usos• Los mecanismos de contaminación son

múltiples y asociados a cambios en el régimen de movimiento natural

• Composición y la calidad del agua son propiedades dinámicas (i.e. cambian con el tiempo y en el espacio)

Parámetros indicadores

• 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

9

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!

Parámetros indicadores

• 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

10

SSSSóóóólidos en el agualidos en el agualidos en el agualidos en el agua

• 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 fija

* según se volatilice o no a 550 ± 5oC

Definiciones

11

12

Turbidez

• Es un fenómeno óptico por el que la luz es dispersada o absorbida por sólidos en suspensión o coloidales,

• Se cuantifica midiendo la atenuación de la intensidad luminosa en un medio de espesor l � k = coeficiente de atenuación (m-1)

• Se mide como transparencia (disco de secchi, ócoef. de atenuación), o en unidades nefelométricas NTU

I

IkkII 0

0 ln1

)exp(l

l =→−=

Deposición y erosión

Fg = m x g = ρsV g

Fe = ρw V g

V = 1/6 π dp3

A = 1/4 π dp2

dp

D

p

w

ws

C

dgw

−=

ρ

ρρ

3

42

0En equilibrio ¿?

Ff = CDρww02/2

13

Coeficiente de arrastre

µ/)(Re 0 pdw=

CD

p

Ddw

C0

24

Re

24 µ==

Ley de Stokes (régimen laminar)

Régimen turbulento

Velocidad de sedimentación

• Ley de Stokes (régimen laminar)

• Ley de Newton (régimen turbulento)

22

01818

pp

w

ws Rdg

dg

w =−

=ρ

ρρ

pRdg

w44.0

0 ≈

14

Erosión: umbral de movimiento

Condición para el movimiento : cD FF =

FDFc

)z(u

gcc

g

fDD

FF

DRgF

uD

cF

µ

ρπ

ρπ

=

=

=

3

2

2

23

4

22

1

Fuerza de arrastre

Peso sumergido de la partícula

Fuerza de resistencia de

Coulomb

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

0wu =∗

∗τ c

Diagrama de Shields

(con criterio de suspensión)

pp

b

Rgd

u

Rgd

2

*==∗

ρ

ττ

ν

pp

p

dgRd=Re

15

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. 2200 kg/m3, y el diámetro característico de la arena 0.0625 mm

¿? Encontrar la velocidad mínima en la alcantarilla para

que no se produzca deposición

Determinación de velocidad mínima para suspensión

Datosrho_sólido 2200 Densidad del cuarzo (kg/m3)

rho_agua 1000 Densidad del agua (kg/m3)

R 1.2 (rho_sólido - rho_agua)/rho_agua

g (m/s^2) 9.81 Aceleración de la gravedad

dp (m) 6.25E-05 Diámetro de la particula

D (m) 0.3 Diámetro de la tubería

eps (m) 2.50E-03 Altura de rugosidad (White, Mecánica de Fluidos)

Cálculosw0 (m/s) 0.040892042 Velocidad de sedimentación (régimen turbulento)

u* (m/s) 0.040892042 Velocidad de fricción crítica

A (m^2) 0.070686 Area de la tubería

P 0.94248 Perimetro

Rh 0.075 Radio hidráulico

f 3.57E-02 Coef. Fricción de Darcy para

flujo tubulento f = ( 2.0log(14.8 Rh/eps )^(-2)

k 0.004458784 Coef. Arrastre (k = f/8)

tau_crit 1.672159091 tau = rho x (u*) ^ 2

ResultadosUmin (m/s) 0.612393478 u=sqrt(u*^2/K)

Pte (mínima) 0.002272727 S = tau/(rho_agua x g x Rh)

16

Materia orgMateria orgMateria orgMateria orgáááánica, oxnica, oxnica, oxnica, oxíííígeno geno geno geno y otros gasesy otros gasesy otros gasesy otros gases

Materia orgánica

- ¡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?

17

Reacción de descomposición de materia orgánica

C6H12O6 + 6O2 ���� 6CO2 + 6H2O“1 molécula de glucosa reacciona con 6 moléculas de oxígeno para dar 6 moléculas de dióxido de carbono y 6 de agua”

1 mol = 6.024 x 1023 (NA) moléculas/átomos

“1 MOLES de glucosa reacciona con 6 MOLES de oxígeno para dar 6 MOLES de dióxido de carbono y 6 MOLES de agua”

Pero, ¡normalmente utilizamos unidades de masa (kg ó

gramos)! ¿Cuántos gramos de oxígeno se necesitan para oxidar 1 g de glucosa, por ejemplo? � razón estequiométrica

(rog)

18

Cinética de las reacciones

],...)[],([/][ BAgkdtAd −=

a A + b B ���� c C + d D

** a,b,c,d = coeficientes estequiométricos** A,B,C,D = reactivos y productos

βα ][][][

BAkdt

Ad−= α+β = n (orden de la reacción)

Ley de Acción de Masas: el ritmo al que se produce la

reacción es proporcional a la concentración [ ] de los

reactivos, i.e.

Constante de reacción

F ( cond. ambientales )

g = función que establece

mediante experimentación

kdt

dc−= k ~ ML-3T-1 ktcc −= 0

Orden de las reacciones

Reacciones de orden cero

kcdt

dc−= k ~ T-1 )exp(0 ktcc −=

Reacciones de orden 1

2kcdt

dc−= k ~ M-1L3T-1

11

0

ktcc

+=

Reacciones de orden 2

19

Constantes de reacción

• Orden cero: p.ej. k0 = 0.2 mg/L/día

nos dice la tasa a la cual la concentración del

contaminante cambia en un día

( )ktckt

ktcktcc −≅

++−=−= 1...

!2

)(1)exp( 0

2

00

Fracción del contaminante que se pierde por

unidad de tiempo. Ej. 0.1 años-1 � 10% se pierde

en un año

• Orden uno: p.ej. k1 = 0.1 años-1 ¿?

Pero …

Cambio de unidades, ej. 6 días-1

k = 6/24 horas-1 � ¡25% se pierde en una hora!

La aproximación de 1er orden no

es correcta para x > 0.5

Si k = 6 días-1 � ¿600% se pierde en un día?

¡ k < 0.5 !

20

Medida del contenido orgánico

C6H12O6 +6O2 → 6CO2 + 6H2ORespiración (descomposición)

g

g0

Balances de masa

Vgkdt

dgV 1−=Glucosa

Vgkrdt

grdV

dt

doV og

og

1

)(−==Oxígeno

rog = razón estequiométrica entre el oxígeno consumido y la cantidad

de glucosa que se descompone

)exp( 10 tkgg −=

)1( 1

00

tk

og egroo−−−=

Demanda ‘ejercida’ bioquímica de oxígeno, DBO

21

DBO y materia orgánica oxidable

rogg0- y = rogg0e-kt=L0e

-kt

DBO = rogg0(1 - e-kt)

= rogg0

¿DBO5 vs. DBOu?

)1( 1

0

tkeLy −=Recordad que definimos DBO como

i.e. es una función del tiempo.

)1()1(

5

50

5

051

1

k

k

e

yLeLy

−=→−=

DBO5 es la DBO para 5 días, i.e.

22

DBODBODBODBO5555 Valores guValores guValores guValores guííííaaaa

• 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 mInconvenientes del mInconvenientes del mInconvenientes del méééétodotodotodotodo

- 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

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

Carbono orgCarbono orgCarbono orgCarbono orgáááánico total (TOC)nico total (TOC)nico total (TOC)nico total (TOC)

Mide la cantidad de CO2 (medido por absorción en infrarrojo),

que se desprende de una muestra al ser calcinada (mg C/l)

Microorganismos

oxidantes

23

Ejemplo 2

Determinar la DBO de 1 día y la DBO última de la primera fase 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

Oxígeno y otros gases

Fuentes de O2

- Disolución de O2 atmosf.

Sumideros de O2

- Degradación de la M.O.

VLkdt

doV d−= Disolución

24

Disolución de gases

==⇒=

RT

HH

c

c

c

cRTH e

e

l

g

l

g

e '

Ley de Henry (en equilibrio)

p = presión parcial del gas en la atmósfera (atm)

cl = conc. del gas en agua (moles/m3)

He = constante de Henry (atm m3 mol-1)le cpH /=

Ley de los gases perfectos

RT

pcg =

R = 8.206 atm m3 (K mol)-1

T = Temperatura (K)

cg= conc. del gas en aire (mol m-3 )

Algunas constantes de Henry

25

Flujos de disolución de gases

• Concepto de flujo, J (kg/m2/s)

• Flujos proporcionales a los gradientes, y en el

sentido de los gradientes decrecientes

• El flujo de un gas (ej. oxígeno) a través de la interfase agua-gas lo expresamos como

( )ookoH

pkJ sl

e

g

l −=

−=

Velocidad de

re-aireación (LT-1) = f (velocidad y calado)

Degradación y oxígeno disuelto

Degradación

Fuentes de O2

- Disolución de O2 atmosf.

Sumideros de O2

- Degradación de la M.O.

Aeróbica (DO > 2 mg/l) Anaeróbica

C6H12O6 +6O2 � 6CO2 + 6H2O +2.7E3J/mol

C6H12O6 +SO42- � 2CO2 + 2H2O + S2- + 2C2H4O2 +144 J/mol

VLkooVkdt

doV dsa −−= )(

26

(Thiobacillus)

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

Peligro potencial para los operarios

27

¿Cómo controlar la corrosión?

• Control en origen de las descargas que aportan materia orgánica

• Aireación

• Adición de productos químicos tales como cloro, peróxido de hidrógeno y otros agentes oxidantes

• Limpieza periódica mecánica y química

• Ventilación

• Diseño � pendientes mínimas

• Materiales seleccionados (recubrimiento de las armaduras, utilización de áridos calizos o dolomíticos, conductos de gres o material plástico …)

¿Qué aprendimos de las redes de

saneamiento?

• Redes unitarias / separativas

• ramificadas

• flujo por gravedad

• conductos subterráneos

• por debajo de los conductos de abastecimiento, …

• con una velocidad o pendiente mínimas

• pozos de registro, para facilitar la limpieza

• ventilación

• adición de oxidantes

• no todos los materiales valen

• necesidad de mantenimiento

• control de aportes en origen