ia capitulo 6
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554048-0
INGENIERIA AMBIENTAL
CAPITULO 6
Ingeniera de la Calidad del Agua
6.1. Naturaleza de los Problemas de
Calidad del agua
Tendencias preocupantes:
Aumento de la poblacin
Aumento del consumo per cpita de agua
Deterioro de la calidad de fuentes de agua
Se requieren nuevas estrategias para conservar y reusar agua:
Expandir nuestro conocimiento acerca de los impactos toxicolgicos y
ambientales de contaminantes.
Desarrollar capacidades eficientes y econmicas para repurificar agua
previamente usada.
Desarrollar y aplicar tcnicas de conservacin de agua mejoradas para
disminuir el uso de agua agrcola, industrial y domstico.
Anticipar problemas de calidad del agua.
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Principales causas de contaminacin del agua:
Clase de
Contaminante
Fuentes puntuales Fuentes difusas
Aguas residuales
municipales
Aguas residuales
industriales
Escorrenta
agrcola
Escorrenta
urbana
DBO
Nutrientes
Patgenos
Slidos suspendidos
Sales
Metales txicos
Orgnicos txicos
Calor
6.1.1 Rios
Los efectos de las descargas contaminantes dependen de las caractersticas de los ros:
Volumen de agua y flujo, profundidad
Tipo de sedimento
Vegetacin aledaa y uso del suelo
Clima
Problemas de calidad del agua ms prevalentes en ros:
Slidos suspendidos (sofocan huevos de peces, destruccin de hbitat para insectos acuticos, menor penetracin de luz).
Nutrientes (crecimiento excesivo de algas y plantas, disminucin de especies de peces)
Patgenos (problemas de salud en humanos)
Sustancias agotadoras de oxgeno (problemas para vida acutica)
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Curva de agotamiento de oxgeno
disuelto (OD)
La concentracin de OD aguas abajo de una descarga de
aguas residuales est controlada por los procesos:
Consumo de oxgeno por biodegradacin de contaminantes orgnicos.
Incorporacin de oxgeno por aireacin en la superficie.
Streeter y Phelps (1925) desarrollaron un modelo para
predecir la evolucin del contenido de OD de un rio:
Xc
ODmin
OD0
ODs
Dc
Descarga de aguas
residuales (x=0)
Rio abajo de descarga
El consumo de oxgeno es proporcional a la demanda bioqumica de oxgeno
(DBO):
= =
Asumiendo mezcla completa en el punto de descarga:
OD 0 =
DBO 0 =
La DBO decae exponencialmente hacia aguas abajo:
= 0 !"
donde la variable t, puede ser reemplazada por el tiempo de trnsito del flujo
t = $ % , U es la velocidad del flujo aguas debajo de la descarga (' + '))/A,
y A es el area de la seccin transversal del rio:
= = 0
!"* +
Los subndices r y w se
refieren al ro y descarga
respectivamente.
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La tasa de reaireacin es expresada usando el modelo de doble pelcula:
,-. = -. /
donde / es la concentracin de saturacin de oxgeno disuelto en agua expuesta a
aire.
Asumiendo que el rio acta como un RFP ideal, puede escribirse el balance de masa
estacionario de oxgeno disuelto en una seccin de rio:
%0 $ %0 $ + $ + ,-.3$ + 0$ = 0
Dividiendo por Ax y reordenado: % * (**)*
+ ,-.)
6+ = 0
Tomando el lmite cuando $ 0: %()
*= ,-.
)
6+
x xw
Area vertical = AArea horizontal = wx
U
Jgl
Reemplazando las expresiones para Jgl y rO2, se obtiene:
%()
*= -.
)
6/ 0
!"* +
Definiendo como nueva varible el dficit de oxgeno = / , entonces
: = :, y la constante de reaireacin = -. 3 0:
%
*= + 0
!"* +
Dada la condicin de borde que para x=0, el dficit es ; = / (0), la solucin
es:
La concentracin mnima de oxgeno puede calcularse igualando la derivada del dficit
: :$ = 0 en la ecuacin diferencial:
A su vez, la distancia crtica Xc, se obtiene de la diferenciacin de D(x) respecto de x,
igualando el resultado a cero, y resolviendo para x=Xc:
$ =(0)
!"* + ! +
? =%
@A
1
;
(0)
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Ejemplo: Proteccin de la poblacin de truchas aguas abajo de la descarga de una
planta de tratamiento de aguas servidas.
La ciudad de Manzanar est ubicada a lo largo del ro Frio. La ciudad est buscando un
permiso de la SISS para permitirle descargar sus aguas servidas parcialmente tratadas
al rio Frio. Las autoridades permitirn la descarga si la ciudad puede demostrar que la
poblacin de truchas en el rio no ser afectada. Las truchas requieren una
concentracin mnima de 3 mg/L de oxgeno disuelto para sobrevivir. Dada la
siguiente informacin sobre la descarga de aguas servidas y el rio, estime la
concentracin mnima de oxgeno en el rio para determinar si la ciudad debe o no
aumentar la capacidad de tratamiento de la planta.
Qw= 0.5 m3/s ODs= 9 mg/L
Qr = 9 m3/s DBOw= 80 mg/L
A = 20 m2 DBOr= 0.1 mg/L
ODw= 0.2 mg/L Constante de decaimiento de DBO: k1 = 0.2 d-1
ODr= 8 mg/L Constante de reaireacin para el rio: k2= 0.4 d-1
Primero, se requiere calcular la concentracin de OD y DBO en la mezcla de agua de
rio y agua residual:
OD 0 =CDE
FH
DI
J;.
DE
F;.L
DI
J
HMI/N";.LMI/N"= 7,6mg/L
DBO 0 =;.
DE
FH
DI
JC;
DE
F;.L
DI
J
HVIWN";.LVIWN"= 4,3mg/L
Eldficitdeoxgenoenelpuntodedescargaes
; = / = 9Vl
m 7,6
Vl
m= 1,4mg/L
y lavelocidaddelrioaguasdebajodeladescarga,U,puedecalcularsecomo
% =
6= 9,5mt/s 20m = 0,48ms =41kmd
Entoncespuedecalcularseladistanciacrticayeldficitcrtico:
? =xyVzN"
;.xN" ;.N"@A
;.xN"
;.N"1
,xVl/m ;.xN" ;.N"
;.N"x.tVl/m= 61km
=;.N"
;.xN"4.3
Vl
mexp 0.2: 61km 41kmd = 3.9mg/L
Aslaconcentracinmnimadeoxgenosera/ = 9 3.9 = 5.1mg/L
La ciudad debera poder descargar sin necesidad de ampliar la planta.
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6.1.2 Lagos y Embalses
La calidad del agua de lagos est controlada por:
Caractersticas fsicas (morfolga, geologa, luz, temperatura y viento)
Productividad biolgica (lagos eutrficos versus oligotrficos)
En particular, la estratificacin trmica es un factor que puede
afectar significativamente la calidad del agua:
5 1510 20Temperatura (oC)
2
4
6
8
10
12
Pro
fun
did
ad
(m
)
Epilimnion
Termoclina
Hipolimnion
5 1510 20Temperatura (oC)
2
4
6
8
10
12
Pro
fun
did
ad
(m
)
0
(a) Condiciones de verano (b) Condiciones de invierno
Mezcla inducida por el viento:
En lagos estratificados trmicamente pueden resultar condiciones anaerbicas en el hipolimnion:
Reduccin de especies de peces y vida acutica
Acumulacin de productos de degradacin txicos (H2S, CH4, NH3)
Liberacin de nutrientes asociados a los sedimentos.
Problemas de calidad ms comunes en paises desarrollados: nutrientes, Hg, slidos suspendidos.
(a) Lago estratificado
trmicamente
(b) Lago no estratificado
Termoclina
Viento Viento
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6.1.3 Aguas Subterrneas
Esquema de un acufero:
98% del agua dulce (no congelada) est en el subsuelo.
50% del abastecimiento de agua potable es desde fuentes
subterrneas (sectores rurales mayoritariamente).
Acuitardo
Franja capilar
Zona saturada
(acufero)
Zona vadosaSuperficie fretica
Problemas relacionados con el recurso aguas subterrnea:
Sobreexplotacin
Subsidencia del terreno
Intrusin salina
Contaminacin
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Fuentes comunes de contaminacin de agua subterrnea:
Fuente de contaminacin Ranking
Fuentes diseadas para descargar sustancias:
Fosas spticas 4
Aplicacin sobre el suelo de aguas residuales y lodos
Descargas no planificadas de tratamiento, almacenamiento, y disposicin:
Rellenos de residuos peligrosos 1
Rellenos sanitarios 2
Estanques de almacenamiento y tuberas 5
Descargas que resultan como consecuencia de otras actividades:
Aplicaciones de pesticidas y fertilizantes 3
Disposicin de residuos animales 6
Drenaje de minas 7
Perforacin de petrleo 8
Intrusin salina 9
Escorrenta urbana
Deposicin atmosfrica
Fuentes diseadas para transportar sustancias:
Camiones, trenes, oleoductos
Patrones de migracin de descargas de LNAPL y DNAPL:
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6.1.4 Ocanos y Estuarios
Los ocanos cubren el 75% de la superficie del planeta y
contienen agua que es demasiado salina para su consumo.
Las aguas costeras menos salinas que se encuentran donde los
rios desembocan en los ocanos se llaman aguas estuariales
(estuarios):
Estn sujetas a la accin de las mareas
Son generalmente muy productivas
Sostienen grandes poblaciones de peces, mariscos, y vida salvaje.
En los ocanos, las variaciones de temperatura son mayores
que las de salinidad similitud con lagos.
En los estuarios, los perfiles de salinidad, ms que los de
temperatura, influencian la estratificacin (1000~1025 kg m-3).
Estratificacin en un estuario causada por salinidad variable:
El principal problema de calidad del agua de los estuarios es la eutrofizacin.
Emisarios submarinos: su funcin es minimizar el riesgo de contaminancin de playas por descarga de agua residual parcialmente tratada.
Por la menor densidad, el agua residual tiende a flotar (promover mezcla para minimizar ascenso).
Acumulacin de slidos suspendidos puede provocar daos al ecosistema acutico (toxicidad de partculas).
Ocano RioFlujo de agua dulce
Cua salina
Estuario totalmente
estratificado
Ocano Rio
Estuario casi totalmente
mezclado
Ocano Rio
Estuario parcialmente
estratificado
S SSS
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6.2. Normas de Calidad del Agua y
Sistemas de Tratamiento. Generalidades.
Normas ambientales que regulan la calidad del agua:
Normas de emisin:
DS90 Descarga a Aguas Marinas y Continentales Superficiales
DS609 Descarga a Sistemas de Alcantarillado
DS46 Descarga a Aguas Subterrneas
Normas de calidad
Primaria: Calidad del agua potable NCh409Of2005Parte 1: Requisitos
Secundarias: Calidad de cuerpos receptores actualmente en elaboracin.
6.2.2 Sistemas de Tratamiento
Cloro y flor
Carbn activado
Estanque de sedimentacin FiltracinFloculacin
Adicin coagulante y mezcla rpida
(Olores, sabores y colores)Sulfato de Aluminio
(desinfeccin y establecimiento de cloro libre residual en el sistema de distribucin)
(remocin de flculos no sedimentados)
Estanque de sedimentacin
Cal ceniza de soda
Aireador Mezclador FloculacinFiltro
Cloro Flor
CO2Recarbonatacin
Remocin de dureza precipitada no sedimentada
Tratamiento de Agua: Agua Superficial
Tratamiento de Agua: Agua Subterrnea
La Mochita
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CloracinSedimentacin
secundariaLodos
activados
Sedimentacin
primaria
Cmara de
contacto
Espesamiento
de lodos
Digestin de
lodos
Retorno de lodos activados
Rejas Desarenador
Tratamiento de Aguas Servidas : Planta Tpica
6.3. Mtodos de Tratamiento Fsico
6.3.1 Sedimentacin
En los estanques de sedimentacin o clarificadores, se utiliza
la fuerza de gravedad para separar partculas suspendidas del
agua.
La sedimentacin se aplica tanto al tratamiento de agua como
al de aguas residuales.
Seccin vertical de un estanque de
sedimentacin rectangular ideal:
EntradaSalidaZona de lodos
H
L
U U
v
Zona de
sedimentacin
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Trayectorias de partculas en estanques de sedimentacin rectangulares
ideales:
Eficiencia de remocin, : fraccin de partculas entrantes que son removidas del agua.
Si }
+
entonces = 100%
Si }
+