modelo dbo od
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PARAMETROS DE CONTROL AMBIENTAL SEPTIEMBRE 2013
ERIS--- USAC—GUATEMALA 1
MODELOS DE RIO DBO-OD
Mariela Yulissa Rodríguez García
RESUMEN
La materia orgánica es un elemento presenta en la mayoría de los ríos, estos hacen un trabajo de
autodepuración por medio del movimiento de las aguas, hay puntos en donde el contenido de oxígeno disuelto
es muy bajo por lo cual es déficit de oxígeno disuelto es alto suscitándose a determinado tiempo, el modelo
de rio DBO-OD proporciona la metodología para el estudio de tiempos crítico y déficit, fundamentándose en las
características del rio como la velocidad media, profundidad y pendiente.
ABSTRACT.
The organic material is an element present in most of the rivers, they do work autodepuration through movement
of water, there are points where the dissolved oxygen content is very low making it deficiency of dissolved
oxygen is high thereby giving rise to a certain time, the model of BOD-DO river provides the methodology for
the study of critical times and deficits, building on river characteristics such as average speed, depth and slope.
INTRODUCCIÓN
La mayoría de ríos recibe descargas
continuas provenientes de actividades
humanas, siendo estas las que más
afectan la calidad del agua, los ríos
poseen un sistema de autodepuración, la
efectividad depende de la cantidad de
carga orgánica, distancia que estas
recorren y la pendiente que es vital para
la generación de turbulencia base para
oxigenar el cuerpo de agua.
La modelación DBO-OD, permite
establecer la relación de materia orgánica
con el déficit de oxígeno disuelto en rio. El
contenido de oxígeno disuelto, que es
vital para los ecosistemas y especies que
dependen directamente del cuerpo de
agua, motivo que incita a realizar estudios
que permitan establecer la calidad de
agua.
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MARCO TEORICO
Oxígeno disuelto
Oxígeno disuelto es la cantidad libre de
gas en el agua que no se encuentra
combinado ni con hidrogeno (formando
Agua) ni con los sólidos existentes en el
agua. El oxígeno disuelto es vital para la
vida marina.
El principal factor por el cual hay una
disminución de oxigeno es la oxidación de
materia orgánica contenida en los
desechos que están en contacto directo
con el agua, esta se puede presentar de
varias formas:
En suspensión gruesa, fácil de
sedimentar
Suspensión fina y de manera
disuelta, difícil de sedimentar, por
lo cual permanece suspendida en
el fluido.
El oxígeno disuelto viene influido por la
temperatura, salinidad, presión
atmosférica que depende la altura del
lugar sobre el nivel del mar, presión
hidrostática.
Demanda Bioquímica de Oxigeno
DBO
La demanda bioquímica de oxígeno
(DBO) generalmente se define como la
cantidad de oxígeno requerido por las
bacterias, mientras que la estabilización
de la materia orgánica descomponible en
condiciones aeróbicas. El término
descomponible se puede interpretar en el
sentido de que la materia orgánica puede
servir de alimento para las bacterias, y la
energía se deriva de su oxidación.
Modelo de ríos DBO-OD
Este modelo considera los principales
procesos que afectan la concentración de
OD en el agua, su importancia se enfoca
en la preservación de la vida acuática y
ecosistemas que dependen del OD en el
agua.
Este modelo es derivado de la ecuación
básica de calidad de agua, ecuación de
conservación de masa.
El principal proceso que afecta el
contenido de oxígeno en el agua es el
consumo de los microorganismos que se
encuentran en el agua, encargados de la
descomposición de materia orgánica. La
materia orgánica puede provenir de
fuentes internas y externas, dentro de las
internas se encuentran los organismos
acuáticos que mueren, animales y
plantas. En cuanto a fuentes externas se
encuentran las descargas originadas por
actividades humanas, actividades
agrícolas realizadas directamente al
cuerpo de agua.
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La aireación es un proceso fundamental,
mediante la cual el oxígeno en el cuerpo
de agua es recuperado a través de
movimientos de turbulencia y difusión
molecular. Este proceso reduce el déficit
de oxígeno disuelto en el agua, el cual es
definido por la diferencia entre el oxígeno
disuelto de saturación y el nivel de
contenido de oxígeno disuelto en el
cuerpo de agua estudiado.
El modelo de ríos DBO-OD se basa en los
postulados de Streeter y Phelps, siendo
este un modelo de carácter
unidimensional, aplicación a ríos y
considerando un vertido contrata de
aguas residuales.
Modelo tradicional de DBO-OD, curva
característica de la evolución del
oxígeno disuelto
En este modelo la descomposición de la
materia orgánica biodegradable es
expresada por un proceso de decaimiento
de la DBO(L), de primer orden, en función
del tiempo (t), donde el tiempo es igual a
la distancia aguas debajo de la descarga,
dividido la velocidad de la corriente.
𝜕𝐿
𝜕𝑡= −𝐾1𝐿
Integrando la ecuación
𝐿 = 𝐿𝑜𝑒−𝐾1𝑡
Donde:
L=concentración de DBO en el agua
Lo= concentración inicial de DBO en
la corriente, después de la descarga
K1=coeficiente de descomposición
bioquímica de la materia orgánica
T= tiempo de viaje en (Días)
La ecuación de agotamiento del oxígeno,
tiene un punto crítico donde el contenido
de oxígeno disuelto en el agua es el más
bajo, coincidiendo con el mayor déficit de
oxígeno disuelto. Tiempo crítico, que
corresponde a la distancia aguas abajo X
critica, donde se encuentra localizado el
punto crítico, punto más bajo en la curva.
PROCEDIMIENTO
Para realizar la determinación del tiempo
crítico y D critico se cuenta con
información de la descarga y del cuerpo
receptor.
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Descarga Cuerpo Receptor
Q m3/d 100,000 Q m3/s 8.5
Q m3/s 1.16 Vel km/h 2 0.56 m/s
Temperatura °C 20 Temperatura °C 15
DBO mg/L 200 DBO mg/L 1
OD mg/L 0 OD mg/L 90 % de saturación 9.135
S m/m 0.0015
H m 2
Cloruros 0
Calcular la concentración de DBO
en el rio contemplando la descarga
de aguas crudas.
𝐿𝑜 =𝐶1𝑄1+ 𝐶2𝑄2
𝑄1𝑄2 EC. 1
Calcular la concentración de OD
inicial en el rio contemplando la
descarga de aguas crudas.
Calculo de OD en el rio,
tomando en cuenta su % de
saturación, verificando su
contenido de cloruros.
Calculo de concentración
inicial de OD con la EC1
Calculo de la constante K2,
utilizando la fórmula de O’Connor y
Dobbins, la cual cumple con los
parámetros de profundidad y
velocidad.
𝐾2 = 4.8 𝑆0.25𝐻−1.25 EC.2
Tomando como parámetro
fundamental la velocidad del cuerpo
de agua, se establece que se trabaja
con un rio rápido y de caídas
múltiples por lo que la relación
seleccionada es:
𝐾2
𝐾1= 5 EC.3
De la ecuación 3 se despeja para
encontrar el valor de K1
Se debe tomar en cuenta que las
ecuaciones anteriores fueron
establecidas para una temperatura
de 20 °C, por lo cual se realiza las
correcciones.
K1 𝐾(𝑥) = 𝐾(20) ∗ 𝐹(𝑇−20) F1= 1.047
K2 F2= 1.028
Calculo de déficit de oxígeno
disuelto
𝐷0 = (𝑂𝐷 100% 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 − 𝑂𝐷 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙)
Calculo de tiempo critico
𝑡𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜 =1
(𝐾2 − 𝐾1)∗ ln (
𝐾2
𝐾1) ∗ (1 −
𝐷0 ∗ (𝐾2 − 𝐾1)
𝐿𝑜 ∗ 𝐾1)
Calculo de D critico
𝐷𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜 =𝐾1
𝐾2∗ 𝐿𝑜 ∗ 𝑒−𝐾1∗𝑡𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜
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RESULTADOS
Lo 24.9 mg/L Do 2.11 mg/L
ODo 8.04 mg/L T critico 4.07 días
K2 0.32 dias-1 D criticó 3.66 mg/L
K1 0.06 dias-1 OD critico 6.49 mg/L
Curva de Variación de DBO con respecto al tiempo
DISCUSION DE RESULTADOS
La concentración inicial de
oxígeno disuelto saturado se
propone con una concentración
de cloruros igual a cero,
circunstancia poco frecuente
debido a que toda el agua tiene
contenido de minerales, por lo
cual los cloruros siempre están
presentes aun bajas
concentraciones.
En la determinación de K2
coeficiente de aireación, se utiliza
la ecuación de O´Connor y
Dobbins, aun tomando en cuenta
que la velocidad quedaba un
poco arriba del rango
recomendado para la utilización
de esta ecuación, a pesar de que
la ecuación de Churchill cumplía
tanto en velocidad y profundidad
de la corriente, no se utilizó
debido a que experimentalmente
la ecuación de O’Connor y
Dobbins brinda un
comportamiento más acertado.
La constante K1 desoxigenación
debido a la descomposición de la
materia orgánica, es calculada
por medio del coeficiente de
autodepuración 𝐹 =𝐾2
𝐾1, basado
en las características del cuerpo
de agua, al no contar con más
descripción acerca del cuerpo de
agua evaluado se toma como
parámetro determinante la
velocidad, que solo puede
afirmar la rapidez de la corriente.
17.5
20
22.5
25
27.5
30
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
CO
NC
ENTR
AC
ION
DE
DB
O E
N
mg/
L
TIEMPO EN DIAS
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CONCLUSIONES
Transcurridos 4.07 días, se tendrá
en mayor déficit de oxígeno disuelto,
siendo este de 3.66 mg/L, dejando
una concentración de 6.49 mg/L de
OD, si hay ecosistemas y especies
que no toleren está perdida de
oxígeno disuelto su supervivencia
se verá afectada, la zona en la cual
se debe poner especial atención se
encuentra a 40 metros de donde se
realiza la descarga siendo esta la
distancia critica.
Para realizar la construcción de un
modelo DBO-OD acertado, se debe
contar con todos los datos precisos,
que brinden al evaluador
características de la corriente
estudiada para poder establecer con
mayor fundamento sus criterios.
Al no existir más descargas en un
tramo extenso de la corriente este
tiene la facilidad de oxigenarse y
recuperar la cantidad de oxígeno
disuelto, pero si al contrario hay más
descargas el oxígeno disuelto no se
recuperara.
La modelación DBO-OD de Phelps
asume que a lo largo del estudio
tiene una profundidad constante,
situación que en la realidad no es
cierta.
BIBLIOGRAFÍA
1. Instrumentación industrial. Antonio
Creus. Ediciones Macombo, octava
edición. Barcelona España 2011.
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5. Introducción a la modelación
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José Ernesto Mancera Pineda.