Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales

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Tecnológico de Estudios Superiores del Oriente del

Estado de México.

(TESOEM)

INGENIERÍA AMBIENTAL.

DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE

AGUAS RESIDUALES.

Realizó: Miriam Vega Loyola.

EDO. MÉXICO. MARZO, 2010. Gobierno del

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Contenido Página

UNIDAD I Aguas Residuales. Introducción.

1.1 Historia. 1

1.2 Orígenes y cantidades. 7

1.3 Comportamiento de caudales contra tiempo. 10

1.4 Medición de caudales y análisis del comportamiento. 12

1.5 Métodos para medición de caudales. 15

1.6 Características químicas, físicas, fisicoquímicas y biológicas. 27

1.7 Muestreo de Aguas residuales. 46

1.8 Determinación de gastos másicos. 53

1.9 Aguas residuales de origen industrial 57

.

UNIDAD II Procesos para Separación de Contaminantes.

2.1 Procesos físicos. 64

2.2 Procesos químicos. 69

2.3 Procesos fisicoquímicos.

2.4 Diseño conceptual de una planta.

UNIDAD III Procesos Físicos de Separación.

3.1 Cribado (rejillas y cribas). 77

3.2 Almacenamiento de excedentes (“igualación”). 83

3.3 Mezclado. 86

3.4 Floculación. 89

3.5 Sedimentación (desarenación y clarificación) 91

3.6 Flotación. 102

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UNIDAD IV Tratamiento de Lodos.

4.1 Orígenes y formas de tratamiento (posibles combinaciones) 117

4.2 Cantidades y características. 118

4.3 Espesamiento. 120

4.4 Digestión aerobia y anaerobia. 123

4.5 Deshidratación. 127 4.5.1. Filtración. 4.5.2. Centrifugación. 4.5.3. Lechos de secado. 4.5.4. Estanques. 4.6 Composteo. 4.7 Acondicionamiento químico y térmico.

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ÍNDICE DE TABLAS

No. Tabla Contenido Página

1.1 Composición Típica de las ARD 7

1.2 Conservantes y métodos de conservación para las muestras de agua.

52

2.1

2.2

Aplicaciones de l as oper aciones físicas uni tarias en el tratamiento de A.R.

Productos químicos empleados en el tratamiento del AR

66

70

3.1 Características del tipo de rejas. 78

3.2 3.3

3.4

Propósitos del cribado.

Tipos de sedimentación que intervienen en el tratamiento del agua residual.

Solubilidad del aire a P=1 atm y diferente Temperatura

80 92

106

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ÍNDICE DE FIGURAS

No. de Figura Contenido Página

1.1 Variación típica horaria del caudal de AR. 10

1.2 Sección transversal para el método área-velocidad 19 1.3 Inyección de un volumen conocido de trazador. 20 1.4 1.5 1.6 Vertedor rectangular. Vertedor triangular. Vertedor Cipolletti 23 24 25 3.1 Rejas inclinadas. 79 3.2 3.3 3.4 4.1 4.2

Diagrama de flujo de una PTAR con igualamiento en línea.

Diagrama de un sistema de flotación sin recirculación Diagrama de un sistema de flotación con recirculación

Espesador Filtro Banda 85 107 109 122 128

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ÍNDICE DE CUADROS

No. de Cuadro Contenido Página

1.1 Cronología del tratamiento de agua a nivel mundial. 4 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Cronología del tratamiento de Agua en México. Clasificación de sólidos.

Tamaño de los sólidos. Características Físicas. Características Químicas. Características Biológicas. 5 28 29 32 39 45

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UNIDAD I

AGUAS RESIDUALES.

OBJETIVO.

El estudiante podrá identificar y analizar la problemática de los cuerpos de agua en el paí s, por medio d e muestreos y s us c aracterísticas físicas, q uímicas y biológicas del v ital l íquido, c on el fin de proponer u n pr oceso de t ratamiento de agua residual.

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Ing. Miriam Vega Loyola.

1.1 Historia.

Aunque la captación y drenaje de aguas pluviales datan de tiempos antiguos, el almacenamiento de aguas residuales tiene su primer precedente en el siglo XIX. El tratamiento sistemático de las aguas residuales surgió a finales del siglo pasado y principios del presente. El desarrollo de la teoría del germen en la segunda mitad del s iglo pas ado por Koch y P asteur m arcó el i nicio de u na n ueva er a en el saneamiento. A ntes de es ta ép oca l a r elación de ent re contaminación y enfermedades habí a s ido es tudiada t an s ólo l igeramente, y la bac teriología, en aquel entonces en sus inicios no h abía sido aplicada al tratamiento de l as aguas residuales.

El t ratamiento y l a el iminación de l as ag uas r esiduales n o r ecibió demasiada atención a finales del siglo XIX porque la magnitud de los daños causados por las descargas no t ratadas, no er a i mportante y por que s e di sponía de g randes cantidades de terreno para su evacuación. A principios del siglo XX, sin embargo, los daños y las condiciones sanitarias trajeron consigo una creciente demanda de que el tratamiento de las aguas residuales tuviera más eficacia. La imposibilidad de disponer de zonas suficientes para la evacuación en la tierra de agua residual no t ratada, es pecialmente e n l as g randes c iudades, l levó a l a ad opción de métodos de tratamiento más intensos.

A lo largo de la historia, la calidad del agua potable ha sido un factor determinante del bi enestar hu mano. Las en fermedades pr opagadas p or ag ua “ potable” contaminada c on m ateria f ecal di ezmaron a l a pobl ación de c iudades ent eras. Incluso actualmente, el ag ua i nsalubre c ontaminada p or fuentes nat urales o humanas sigue causando grandes problemas a las personas que se ven obligadas a us arla, t anto para b eber c omo p ara l a i rrigación de h ortalizas y ot ras pl antas comestibles crudas.

Aunque hay todavía epidemias ocasionales de enfermedades bacterianas y virales causadas p or ag entes i nfecciosos transportados en el agua pot able, como el

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2 cólera, l a pol iomielitis y ot ras, l as en fermedades pr opagadas po r el la es tán, e n general, bi en c ontroladas y el ag ua p otable en l os países t ecnológicamente desarrollados es tá ahora notablemente l ibre d e l os agentes c ausantes de enfermedades q ue er an c ontaminantes m uy c omunes del ag ua hace s olo u nas décadas.

Los seres humanos han almacenado y distribuido el agua durante siglos. En la época en que el hombre era cazador y recolector utilizaba agua de río para

beber, y l os pr imeros as entamientos h umanos s e l levaron a cabo de m anera continua cerca de l agos y r íos. Cuando no existían es tos r ecursos l as personas aprovechaban agua subterránea que extraían mediante la construcción de pozos.

El crecimiento de las capitales antiguas, centros religiosos y comerciales se dan alrededor de cuerpos de agua, la construcción de acueductos y drenajes se dio en la antigua Roma.

Alrededor del a ño 3 00 A.C. l a c iudad d e P akistán ut ilizaba i nstalaciones y necesitaba un suministro de agua muy grande, esta ciudad contaba con servicios de baño público, instalaciones de agua caliente y baños.

En la antigua Grecia el agua de escorrentía, agua de pozos y agua de lluvia eran utilizadas en épo cas muy t empranas. D ebido al c recimiento de l a po blación s e vieron obl igados al almacenamiento y di stribución ( mediante l a c onstrucción d e una r ed). Los g riegos f ueron de l os pr imeros en t ener i nterés e n l a c alidad del agua. Ellos utilizaban embalses de aireación.

Los r omanos fueron los m ayores ar quitectos en c onstrucciones de r edes de distribución de agua que han existido a l o largo de l a historia. Utilizaban recursos de ag ua s ubterránea, r íos y ag ua de es correntía par a s u aprovechamiento, construían pr esas p ara el almacenamiento r etención ar tificial del ag ua. Ellos consideraban que el agua de m ejor c alidad er a aquella proveniente de l as montañas.

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Desde el año 500 al 1500 D.C. hubo poco desarrollo en relación con los sistemas de tratamiento del agua. Durante la edad media se manifestaron gran cantidad de problemas de higiene, a causa de que a los sistemas de distribución del plomo, se vertían residuos y excrementos.

El pr imer s istema de s uministro de agua pot able fue c onstruido e n E scocia, alrededor del año 1804 por John Gibbs.

En 1806 en Paris empieza a funcionar la mayor planta de tratamiento de agua. El agua sedimentaba durante 12 horas antes de su filtración. Los filtros consistían de arena, carbón.

En 1827 el Ingles James Simplón construye un filtro de arena para la purificación del agua potable. Hoy en día se considera el primer sistema efectivo utilizado con fines de salud pública.

En 1830 el nuevo continente da inicio a los primeros tratamientos.

En 1849-1853, Londres, las aguas residuales convirtieron al Támesis en una masa de desechos y 20000 humanos murieron por cólera.

1903, Filadelfia se proponen otros métodos de desinfección alterna como ozono (O3) y rayos ultravioleta (uv).

1908 se utiliza el cloro por primera vez como desinfectante en E.U.

1972 un estudio revela 36 sustancias químicas en diferentes cuerpos de agua y se da inicio a la legislación.

2010 dr enaje pr ofundo d e ag uas r esiduales q ue pretende c ontrolar l a contaminación.

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4 Algunos de los antecedentes en materia del tratamiento de agua a nivel mundial y nacional, se presentan en los siguientes cuadros No.1.1 y No.1.2 respectivamente.

Cuadro No.1.1 Cronología del tratamiento de agua a nivel mundial.

3000 A.C. Aparecen los primeros suministros de agua. Pakistán 1300 A.C. Se emplean los primeros tratamientos de purificación de agua. Egipto 500 A.C. Se emplean los primeros

métodos de separación de residuos. Grecia-Asia

250 A.C. Se crean las primeras redes de suministro de agua. Grecia 1804 D.C. Se transporta agua filtrada a ciudades de Escocia 1800 D.C. Problemas de higiene en el agua. Europa 1500 D.C. Se construyen las primeras tuberías de plomo. Europa 1806 Se construye la primera planta de tratamiento de agua en Paris 1827 Se construye un filtro de agua potable para la purificación.

1992 La asamblea general declaro que el día Mundial del agua se celebrara el 22 de marzo de cada año. 500 al 1500 D.C. Se implementan las primeras letrinas en Europa Central 2009 UNICEF apoya programas de agua, saneamiento e higiene en más de 90 países del mundo

2003 La asamblea general proclamó el periodo

2005 a 2015 decenio internacional para la acción “el agua fuente de vida”

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Cuadro No.1.2 Cronología del tratamiento de Agua en México.

2000

Población fronteriza no cuenta con plantas de tratamiento de agua. 1997 Se crea un programa sobre la construcción de las más grandes plantas de T.A.R. 2001 México no recibirá una gota de agua y tendrá que darse la suspensión del líquido en colonias.

2002

Se reforma un sistema de potabilización de tratamiento de agua que ayudara a la población

2003

Cámara de diputados otorga financiamiento para problemas de contaminación del agua en México.

1996

La Sociedad Mexicana de aguas (SMA) y la Water Enviroment Federation s e reúnen para l a operación de sistemas de agua potable y T.A.R.

1928

Se reúne el secretario de obras y servicios del D.F con representantes de la Comisión Nacional del Agua.

1987

La USDA(1) _{aprobó el}

tratamiento de agua caliente en todos l os es tados exportadores de México excepto Chiapas.

1989

Primeros acuerdos ent re estados que c onforman l a cuenca Ler ma-Chápala sobre l a i mportancia del agua.

2007

CNA afirmó que México ha llegado al límite de lo permisible en el tratamiento de aguas residuales.

2006

El Banco mundial se refirió a la situación del agua en México y su contaminación

2005

Se emite una norma para el tratamiento de aguas residuales en la zona metropolitana de la ciudad de México NODF/003-AGUA-2002 2009 En la ciudad de México se generan casi 24m3_{/s de agua} residuales 2008 Los Mexicanos no cuidamos el agua porque nos cuesta poco CONAGUA

2009

CNA afirmó que México requiere cambios en la política hídrica del país, se plantea construir más de 100 plantas de tratamiento

2009

Marcelo Ebrard subrayo que se debe garantizar el abastecimiento del líquido a la Ciudad

(1) Departamento de Agricultura de Estados unidos

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6 El tratamiento de aguas residuales es esencial para garantizar el ciclo de agua y contribuir a la limpieza de los ríos, humedales, acuíferos y demás cuerpos de agua que se ven expuestos a l os efectos de la contaminación por descargas de ag uas residuales sin tratar. La CONAGUA recordó que en 2012, se espera haber logrado que el 60 por ciento de las aguas residuales de México reciban tratamiento dentro del problema del recurso hídrico.

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1.2 Origen y Cantidades.

La determinación de la cantidad de aguas residuales a eliminar de una comunidad es fundamental p ara el pr oyecto de i nstalaciones d e al macenamiento, bombeo, tratamiento y evacuación. Además dada la reciente tendencia de la agrupación de municipios par a el t ratamiento y ev acuación, es i mportante poder di sponer d e datos precisos sobre las cantidades actuales y las previstas en un futuro.

La cantidad y concentración de las aguas residuales es función de su origen y de sus componentes, por lo que las cargas equivalentes o contribuciones per-cápita por día varían de una ciudad a otra y de un país a otro. Para ciudades grandes se pueden us ar la t abla N o.1.1, como v alores de r eferencia; par a c omunidades pequeñas o ár eas rurales l as ag uas r esiduales s on p redominantemente domésticas.

Parámetro Magnitud mg/l

Sólidos totales 720

Sólidos disueltos 500

Sólidos disueltos volátiles 200

Sólidos suspendidos 220

Sólidos suspendidos volátiles 165

Sólidos sedimentables 10 DBO 220 COT 160 DQO 500 Nitrógeno total 40 Nitrógeno orgánico 15 Nitrógeno amoniacal 25 Fósforo orgánico 3 Fósforo inorgánico 5 Cloruros 50 Alcalinidad 100 Grasas 100

Tabla No.1.1 Composición Típica de las ARD Fuente. Metcalf, 1994 Los componentes de un caudal pueden incluir:

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8 a) Agua r esidual do méstica ( procedente de r esidencias, i nstalaciones

comerciales o públicos).

b) Agua residual industrial (predominan residuos industriales).

c) Infiltración y c onexiones i ncontroladas ( es el agua que ent ra de forma no controlada en l a r ed del al cantarillado pr ocedente del s ubsuelo). O bi en agua pluvial que es descargada a la red (alcantarillado).

d) Agua pluvial resultante de la escorrentía superficial.

Toda ag ua residual (A.R.) afecta en alguna m anera l a c alidad del ag ua de l a fuente o c uerpo d e a gua r eceptor. S in embargo, s e dice q ue un ag ua r esidual causa c ontaminación solamente c uando i ntroduce c ondiciones o c aracterísticas que hac en el ag ua de l a f uente o c uerpo r eceptor i naceptable par a el us o propuesto de l a misma, por ejemplo, n o se pu ede d ecir q ue l as ag uas de l a alcantarilla domiciliaria contaminan las aguas del alcantarillado sanitario municipal.

La mayoría de l as A.R. son de origen doméstico urbano por lo tanto los métodos de t ratamiento t radicionales i ncluían g randes d epósitos d e hormigón d onde s e llevó a cabo la sedimentación, filtración y cloración, en la actualidad el tratamiento de A.R. lleva varios procesos de tratamientos, equipos y operaciones unitarias en el futuro hay que considerar nuevas tecnologías, nuevos procesos y por lo tanto nuevas líneas de tratamiento así como la modificación de los antiguos.

En al gunos c asos p ara el ab astecimiento, se pue de c lasificar d e ac uerdo a su origen en:

a) Aguas superficiales b) Aguas subterráneas

c) Aguas meteorológicas o meteóricas

Aguas s uperficiales: son aquellas pr ovenientes de l as corrientes naturales como ríos, arroyos, lagos, embalses que están contaminados en su mayoría, por lo tanto existe una v ariación en l a l ocalidad. Al es currir por l a s uperficie l as c orrientes naturales se contaminan convirtiéndolas en muchos casos en aguas nocivas.

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Aguas subterráneas: son las que penetran por las porosidades del suelo mediante infiltración, provocan poca turbidez y se divide en agua freática y artesiana.

Agua freática: están suspendidas entre la superficie de la tierra y la primera capa impenetrable se mueve libremente, se encuentra a presión atmosférica.

Agua artesiana: es la que está contenida entre dos estratos impermeables no se mueve libremente, está confinada y tiene una presión diferente a la atmosférica.

En la eliminación de aguas residuales y pluviales se utilizan tres tipos de redes de alcantarillado: s anitarias, pl uviales y uni tarias. C uando ut ilizan s istemas independientes par a r ecolectar l as ag uas r esiduales ( redes s anitarias) y a guas pluviales ( redes pl uviales), l os c audales d e ag ua r esidual en l as al cantarillas sanitarias se componen de tres grandes elementos: 1) agua residual doméstica; 2) agua residual industrial, y 3) infiltración y conexiones incontroladas.

Donde ex iste un s istema de alcantarillado único, l os c audales d e ag ua r esidual incluyen l os c uatro c omponentes m encionados an teriormente, en es te caso el porcentaje d e l os c omponentes del ag ua residual v aría s egún l as c ondiciones locales y la época del año.

En ár eas q ue t ienen alcantarillado, l os c audales d el ag ua r esidual s e pueden determinar nor malmente a par tir de datos p rocedentes de a foros ex istentes p or medición directa. En zonas de nueva construcción, los caudales correspondientes se obt ienen del an álisis de l os dat os de pobl ación y s us c orrespondientes dotaciones de agua previstas, o bi en a partir de estimaciones de los caudales de agua residual per cápita en poblaciones similares.

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10 Dadas l as c aracterísticas y variaciones en l a des carga de ag uas r esiduales, a l sistema de alcantarillado, el tipo o sistema de alcantarillado usado, la diferencia en las c ostumbres de l a c omunidad a portante, el r égimen de operación d e l as industrias t ratadoras, el c lima, et c., l os c audales de ag uas r esiduales oscilan ampliamente durante el año, cambian de un día a otro y fluctúan de una hora a otra, todos los factores anteriores entre otros deben de t enerse en cuenta en l a predicción de las variaciones del caudal y, por consiguiente, de l a concentración de las aguas residuales afluentes a una planta de tratamiento. Una curva típica de descarga de aguas residuales, para un alcantarillado separado, puede observarse en la figura 1.1.

Fig. No.1.1 Variación típica horaria del caudal de AR.

Los caudales mínimos ocurren en las primeras horas de la mañana, entre las 2:00 y las 5:30; durante dichas horas el consumo es mínimo y el flujo es básicamente por infiltración y pequeñas cantidades de AR. El caudal máximo ocurre entre las 7:00 y l as 10: 00, c uando se pr esenta el consumo m áximo, ex iste, además, u n segundo c audal m áximo e ntre l as 1 5:00 y las 16: 00 hor as. E ntre l as 7: 00 y l as 19:00 el caudal de AR, es mayor que el caudal promedio, y durante la noche es menor que el promedio.

Cuando la infiltración es alta o existen conexiones de aguas pluviales, el régimen de lluvias puede influir notablemente sobre el caudal y, por consiguiente, sobre las

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características de ag ua r esidual. E l c onocimiento d e l as c argas hi dráulicas d e DBO y ot ros c ontaminantes, es esencial p ara ev aluar l os factores de diseño y operación d e un a pl anta d e t ratamiento. Generalmente l as v ariaciones d e D BO siguen l as del c audal, per o deb en det erminarse en c ada c aso par ticular. E n alcantarillados c ombinados s e pr esenta u na m ayor c oncentración de m aterial inorgánico que en al cantarillados sanitarios o separados, debido a la introducción de aguas pluviales; así mismo las variaciones del caudal y de concentración del AR son más extremas.

El régimen de caudales de una corriente de agua durante un período determinado, es el único término del balance hidrológico de una cuenca que puede ser medido directamente con una buena precisión. Los otros elementos de ese balance, como las precipitaciones, la evaporación, etc., no pueden ser sino estimados a partir de mediciones observadas en distintos puntos de la cuenca o deducidos de fórmulas hidrológicas, los cuales son siempre estimativos muy aproximados. El régimen de caudales es un da to básico, i ndispensable, par a todos l os diseños hi dráulicos y para m uchas obr as civiles en l os q ue el los s on parte i mportante c omo l as carreteras, pue ntes, acueductos, pr esas, etc. A sí l a i nstalación de m uchas "estaciones de aforo" que permitan observar, en una serie de años tan larga, como sea posible, los caudales escurridos en puntos característicos del río principal y, si fuera oportuno, de s us di versos af luentes, es el pr eámbulo d e t odo es tudio hidráulico de una cuenca. Sin embargo en países como el nuestro las estaciones de a foro de c audales s on i nexistentes en muchos s itios, l o q ue ha o bligado a recurrir a métodos ap roximados p ara l a estimación de l os c audales de diseño, como son los métodos de regionalización. Sin embargo jamás debe olvidarse que ningún método por bueno que sea reemplaza la medida directa.

Todos los ríos de cierto tamaño en una región se deben medir cerca de sus bocas lo m ismo q ue un c ierto nú mero de a fluentes. L as c orrientes que s e pi ensen aprovechar en un futuro deben ser instrumentadas.

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12 Para el diseño de estructuras hidráulicas y en g eneral obras relacionadas con el agua s e t rabaja c on una s erie de t érminos r elacionados c on el c audal q ue es necesario conocer. Los principales son:

Caudal medio diario. Es la tasa promedio de descarga en m3/s para un período de 24 horas. Se pu ede m edir m ediante un limnígrafo (dispositivo que permite el registro continuo de los niveles en el tiempo).

Caudal medio mensual Qm. S e c alcula hal lando par a c ada m es l a m edia aritmética de los caudales promedios diarios.

Caudal promedio mensual interanual. E s l a m edia de l os c audales medios mensuales para un mes dado durante un período de n años.

Caudal medio anual. Es la media de l os caudales promedios diarios durante un año.

Caudal máximo instantáneo anual. Es el máximo caudal que se presenta en un año det erminado. Para su det erminación es nec esario q ue l a es tación de aforo tenga limnígrafo. Si no es así se habla de caudal máximo promedio anual el cual es menor que el máximo instantáneo anual.

Caudal mínimo anual. Es el m enor c audal q ue s e pr esenta durante un añ o determinado.

El an álisis de l os c audales medios diarios g eneralmente pr esentan v alores variables, m ostrando, por un l ado, t endencias de ac uerdo c on l as es taciones o épocas de l luvia o de sequía, como por ejemplo valores mayores de c audales en las ép ocas de l luviosas q ue en l as de e stiaje. P or ot ro l ado, m uestran u na aleatoriedad en l a oc urrencia d e es tas v ariaciones, q ue d ependen d e u n g ran número de variables, posiblemente la lluvia y los factores geológicos son los más importantes.

Se pue de d efinir que el per iodo c onsiderado los caudales: máximo, m edio y mínimo, d e c uyos v alores dep ende g ran par te del pl anteamiento r elativo a l a utilización de los recursos hídricos.

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También es importante dentro de l os recursos hídricos de una hoya hidrográfica destacar el hecho de que el caudal mínimo puede ser alcanzado apenas durante un c ierto t iempo; en el c aso de q ue el per íodo d e es tiaje s ea m ás ex tenso, l os caudales es tarán pr óximos al m ínimo. Lo m ismo s e pu ede d ecir del c audal máximo.

De acuerdo al problema que se desee resolver, se debe conocer las variaciones de los caudales medios diarios y hasta horarios para un cuerpo de agua grande, si se requiere estudiar estiajes, por ejemplo, el conocimiento de los caudales medios mensuales puede ser suficiente.

Los factores m ás i mportantes q ue c ontribuyen a l a v ariación del c audal en u na corriente de agua son los siguientes:

Factores geológicos. Un cuerpo de agua bastante permeable, al recibir una cierta lluvia, da or igen a un a escorrentía con un pico achatado y bastante retrasado en relación c on el i nicio de en esa l luvia. E sto s e de be a q ue hay un a i nfiltración inicial, c on l a c onsiguiente acumulación d e aguas s ubterráneas q ue c ontribuirán posteriormente al hidrograma. Un cuerpo de agua relativamente impermeable, al recibir una cierta lluvia, da origen a una escorrentía superficial con pico agudo y no muy retrasada con respecto al inicio de esa lluvia.

Factores pl uviométricos. Ll uvias m uy i ntensas provocan c recientes en peq ueños cuerpos de agua. Las lluvias de menor intensidad pero con duración y cubrimiento grande provocan crecientes en grandes cuerpos de agua.

Es claro que lo que más interesa en relación con la escorrentía superficial es el volumen de lluvia total precipitada. El área del cuerpo de agua ésta asociada con la al tura de l luvia pr ecipitada para producir un a es correntía s uperficial determinada.

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14

Temperatura. Influye en la escorrentía de aguas subterráneas, la evaporación y la escorrentía s uperficial. E sta úl tima principalmente al c omienzo de s u pr oceso cuando el agua escurre en finas capas sobre grandes áreas hasta llegar al curso de agua.

Topografía. Influye en la infiltración y la escorrentía superficial. Un cuerpo de agua con bastante i nclinación d a origen a m ayor es correntía s uperficial y menor infiltración. En una cuenca plana el proceso rige de modo inverso.

Tipo de vegetación. Influye en la infiltración y la detención superficial.

Forma d e l a c uenca. U na c uenca r elativamente c ircular es más pr opensa a crecientes que cuenca alargada, dado que el tiempo de recorrido del agua desde los sitios más lejanos hasta el sitio de interés en esta última es similar, y se puede producir una mayor concentración de escorrentía superficial.

Finalmente, cuando una lluvia se dirige en el sentido de aguas arriba hacia aguas debajo de un a cuenca alargada, da or igen a m ayores picos de c reciente del que daría s i s e di rigiese en el s entido i nverso. Si s e c uenta con datos hi stóricos del caudal, por ej emplo, de 30 añ os, l a el ección del per iodo m ás c rítico de s equía, esto es de caudales m ínimos, durante el m ayor intervalo del tiempo t endrá un valor estadístico de 30 años de periodo de retorno. Cuando se cuenta apenas con 5 años de datos, el periodo más crítico de sequía puede no ser el adecuado para el dimensionamiento de la planta de tratamiento. En este caso se puede estudiar por análisis de frecuencias, esto es extrapolando la curva de probabilidades de los periodos de sequía. Cuando se cuenta con un pequeño número de datos se puede recurrir a la generación estadística de datos del caudal.

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1.5 Métodos para Medición de Caudales.

Un caudal se define como la cantidad de agua que corre en determinado lugar por unidad de tiempo. En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa por el r ío en una u nidad de tiempo. N ormalmente s e i dentifica c on el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, s e i dentifica c on el flujo m ásico o masa q ue pa sa por un área dada en la unidad de tiempo.

El régimen de c audales es un dat o básico, indispensable, para todos los diseños hidráulicos y para muchas obras civiles en los que ellos son parte importante como las carreteras, puentes, acueductos, presas, etc.

La medición de caudales es importante para los siguientes proyectos: a) Instalación de recolección

b) Bombeo c) Tratamiento d) Evacuación

Existen una diversidad de métodos y estructuras para medir caudales, algunos de los cuales se describen brevemente a continuación:

Tobera de Flujo

Hace uso del principio de Venturi, pero utilizan una tobera que se inserta en una tubería en lugar del tubo venturi para producir la presión diferencial.

Orificio

Es una a bertura c ilíndrica o pr ismática a t ravés de l a c ual f luye el líquido y determina el chorro en una salida que no toca de nuevo la pared del orificio. Se basa en el teorema de Torricelli.

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16 Medidores Magnéticos

Se induce una fuerza electromotriz o voltaje que es proporcional a la velocidad del conductor. Se b asa en l a l ey de F araday y es s imilar a m edidores electromagnéticos.

Placa de Orificio

Se inserta en una conducción cerrada una placa que tiene una abertura cilíndrica en el c entro. E l c audal s e det ermina a partir de l as l ecturas de pr esiones diferenciales.

Tubo Venturi

Se utiliza para medir caudales en conducciones cerradas, consta de 3 partes: a. Cono de entrada e n el c ual, el di ámetro de la t ubería s e r educe

gradualmente.

b. La garganta o sección contraída.

c. Cono de salida, en el cual el diámetro aumenta gradualmente hasta el de la tubería en la que se inserta el medidor.

Molinetes

Se utilizan par a l a determinación pr ecisa de l a v elocidad d e flujo e n g randes alcantarillas o canales, siempre y cuando no haya demasiada materia flotante que puedan obturar el medidor.

Medidas con Flotadores.

Son r aramente ut ilizados, ex cepto en c anales r ectangulares o par a l a determinación apr oximada de l a v elocidad del f lujo ent re d os p ozos de r egistro, existen tres tipos:

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2. Sumergido: Son más pesados que el agua, conectados con alambres finos a flotadores superficiales.

3. Varilla: M iden c on mucha pr ecisión de flujo, ut ilizados pr incipalmente e n canales.

Existen métodos eléctricos que son utilizados para medir el caudal de ag ua que fluye en u na c orriente, s uponen el us o d e un eq uipo q ue i ncluye pi las de conductividad, anemómetros de hilo caliente y anemómetros de película caliente. Aunque no son muy utilizados por la materia orgánica que trae el agua residual.

Tubo de Pitot

Útil en aforos de tubería de agua, no se aplica en aforos de alcantarilla debido a la materia en suspensión del agua residual, ya que existe la tendencia a obturarlo.

Trazadores Químicos y Radiactivos

Cuando se usa la sal como trazador, el tiempo de recorrido entre los puntos de control es medido con electrodos conectados a un a mperímetro o registrador. El tiempo recorrido se registra mediante contadores de radiactividad conectados en el exterior del tubo.

Trazadores con colorantes

Sirven para medir la velocidad en tuberías pequeñas, es uno de los métodos más utilizados y de m ayor éx ito, ent re l os colorantes ut ilizados es tán: eos ina, fluoresceína, rojo de congo, per manganato de pot asio, s adamina B y pont acil brillante B.

A continuación se describirá con más detalle algunos de estos métodos.

Los métodos para medir caudales pueden clasificarse en dos grandes categorías: métodos directos y métodos indirectos. En estas dos categorías los más utilizados son:

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18 a. Métodos directos:

a.1 Método área velocidad a.2 Dilución con trazadores

b. Métodos indirectos: b.1 Estructuras hidráulicas. b.2 Método área pendiente.

Con m uy pocas excepciones las medidas de caudal continuas en e l t iempo s on muy costosas, por lo que se relaciona el caudal con el nivel del agua, el cual se puede m edir m ucho más fácilmente q ue e l c audal. Las c urvas q ue relacionan estos niveles con el caudal son las llamadas curvas de calibración.

a. Métodos directos

a.1Método área velocidad.

Este método consiste básicamente en medir en un área transversal de la corriente, previamente d eterminada, l as v elocidades de flujo c on l as c uales s e puede obtener l uego el c audal. El l ugar el egido para hacer el aforo o m edición debe cumplir los siguientes requisitos:

 La sección transversal debe es tar bien definida y que en l o posible no se presente degradación del lecho.

 Debe tener fácil acceso.

 Debe estar en un sitio recto, para evitar las sobreelevaciones y cambios en la profundidad producidos por curvas.

 El sitio debe estar libre de efectos de controles aguas abajo, que puedan producir remansos que afecten luego los valores obtenidos.

Una de l os pr ocedimientos más c omunes em pleados e n es te m étodo es e l descrito a c ontinuación. En el s itio q ue s e dec idió hac er el a foro, s e hac e un levantamiento topográfico completo de la sección transversal, el cual dependiendo

(26)

de su ancho y profundidad, puede hacerse con una cinta métrica o con un equipo de topografía. La se cción escogida se divide en tramos iguales, como s e p uede observar en la figura No.1.2.

Fig. No.1.2 Sección transversal para el método área-velocidad

En cada vertical, de las varias en q ue se divide la sección, se miden velocidades con el cronómetro a 0.2, 0.6 y 0.8 de l a profundidad total. Cada vertical tiene su respectiva área de influencia (sombreada en la gráfica). Las verticales deben tener las siguientes características:

 El ancho entre ellas no debe ser mayor que 1/15 a 1/20 del ancho total de la sección.

 El caudal que pasa por cada área de influencia Ai no debe ser mayor que el 10% del caudal total.

 La diferencia de velocidades entre verticales no debe sobrepasar un 20%.

Cuando las profundidades de la sección son pequeñas, menores de 0.6 m, solo se mide l a v elocidad a 0. 6 de l a profundidad, v elocidad q ue s e considera representativa de la velocidad media de la vertical.

a.2 Dilución con trazadores

Esta t écnica s e us a en aq uellas c orrientes q ue pr esentan di ficultades par a la aplicación del método área velocidad o medidas con estructuras hidráulicas, como en c orrientes muy anc has o en r íos t orrenciales. S e pu ede i mplementar de d os maneras:

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20

1. Inyectar rápidamente un volumen de trazador. Este método es llamado también método de integración. Supóngase que en una sección 1 de un río se adiciona un peq ueño volumen de trazador (V1) c on una c oncentración

alta C1. Si ex iste en el r ío una c oncentración (Co), en el r ío, el per fil de

concentraciones se comporta con el tiempo, como lo muestra la figura 1.3.

Fig. No.1.3 Inyección de un volumen conocido de trazador.

2. Inyección a caudal constante. Se i nyecta un t razador en u na s ección dada a un caudal constante, con una concentración de trazador Co.

Es importante an otar que par a a plicar es te m étodo s e s upone q ue el flujo e s permanente. Los trazadores deben tener las siguientes propiedades:

 No de ben s er a bsorbidos por l os s edimentos o v egetación, ni de ben reaccionar químicamente.

 No deben ser tóxicos.

 Se deben detectar fácilmente en pequeñas concentraciones.  No deben ser costosos

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Los trazadores son de 3 tipos:

1. Químicos: de esta clase son la sal común y el dicromato de sodio 2. Fluorescentes: como la rodamina

3. Materiales radioactivos: lo s m ás us ados son el y odo 1 32, bromo 82, sodio.

La sal común puede detectarse con un er ror del 1% para concentraciones de 10 ppm. El dicromato de sodio puede detectarse a concentraciones de 0.2 ppm y los trazadores fluorescentes c on c oncentraciones d e 1/ 1011_{. Los t razadores}

radioactivos se detectan en c oncentraciones muy bajas (1/1014_{), sin embargo su}

utilización requiere personal muy especializado.

b. Métodos indirectos

Los métodos indirectos más utilizados son las estructuras hidráulicas y el método área -velocidad.

b.1Estructuras hidráulicas:

El principio de funcionamiento de todas las estructuras hidráulicas es establecer una s ección d e c ontrol, d onde a p artir de l a pr ofundidad s e p ueda estimar e l caudal. Las estructuras hidráulicas más comunes para este tipo de medidas son usar vertederos, canaletas y compuertas.

b.2 Método área-pendiente.

A v eces s e pr esentan c recientes en s itios do nde n o ex iste n ingún t ipo de instrumentación y c uya es timación s e r equiere p ara el diseño de estructuras hidráulicas t ales c omo pue ntes o c anales. Las c recientes d ejan huel las q ue permiten hac er una es timación apr oximada d el c audal, determinando l as propiedades geométricas de 2 secciones diferentes, separadas una distancia L y el coeficiente de rugosidad en el tramo.

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22

Métodos generales para medir caudales

a) Instalación de v ertederos o c anales P arshall ( canales abi ertos o alcantarillado principalmente llenos).

b) Métodos de l lenado d e r ecipientes par a caudales peq ueños o d escargas intermitentes (medición del tiempo en que el caudal permanece).

c) Estimación d e l os c audales de bo mbeo ( se es tima a par tir de l as características de la bomba).

d) Cronometrando el d esplazamiento de u n ob jeto flotante entre dos punt os fijos a lo largo de s u recorrido, se utiliza para alcantarillados parcialmente llenos, se tiene que medir la profundidad y estimar una velocidad media. e) Examen de los registros de uso de agua de la planta (tomando en cuenta

las pérdidas del agua debidas a la evaporación).

 Vertederos

Se emplean para medir el gasto del agua que fluye libremente (flujos relativamente pequeños), como se muestran en la figuras 1.4, 1.5 y 1.6.

Características:

a) Es un dispositivo hidráulico que consiste de una escotadura, a través de la cual s e hac e c ircular ag ua, pued en ser r ectangulares, t rapeciales, triangular o circular

b) son de pared delgada.

Se requiere conocer algunos parámetros para determinar el gasto:

a) cresta: es la altura del chorro de ag ua desde el nivel de l a cresta hasta la superficie medida a una distancia (d) antes de la crestas.

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b) Carga sobre la cresta; es el espesor del chorro de agua medida desde la crestas en el plano del vertedero y tiene un valor aproximado del 31% de la carga.

 Vertedor Rectangular

Fig. No. 1.4 Vertedor rectangular.

Las siguientes ecuaciones se aplican para calcular el gasto.

Con contracción. Q= 3.33 (L- n 0.1H)H3/2 _{Sistema Ingles} Q= 1.84 (L- n 0.1H)H3/2 _{Sistema Métrico} Sin contracción. Q= 1.84 LH3/2 Sistema Métrico. Q= 3.33 LH3/2 Sistema Ingles

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24 Donde:

Q= Caudal (m3/s)

n= Número de contracciones (en un lado o en los dos) L= Longitud de la cresta del vertedero (vertedor) (m)

H= Carga del vertedor (m)

Nota: Cuando el agua no tiene concentraciones laterales (n=0)

 Triangular

Es el más utilizado principalmente es el del ángulo 90º en su vértice inferior, sin embargo presenta u na g ran pér dida de c arga por l o t anto s e r ecomienda para caudales pequeños (menores a 110 l/s) y se muestra en la figura 1.5.

Fig. No.1.5 Vertedor triangular.

Q= 2.54 H5/2 _{Sistema Inglés}

Q= 1.40 H5/2 _{Sistema Métrico}

Q= 1.4 tg α H5/2_{Sistema Métrico}

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 Trapezoidal (vertedor Cipolletti)

Es un v ertedor que requiere que el talud de sus lados estén en l a proporción de 1:4, como se muestra en la figura 1.6

Fig. No.1.6 Vertedor Cipolletti

Q= 3.36 LH3/2 Sistema Ingles Q= 1.859 LH3/2 _{Sistema Métrico} Dónde: L= Largo cresta (m) H= Carga (cm) Ejemplo.

En un curso de agua está colocado un vertedor rectangular con dos contracciones, con una longitud de cresta 1.2 m y una carga de 0 .4 m. Calcular el gasto en el sistema métrico e inglés.

Datos:

n= 2 L= 1.2 m H= 0.4 m

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26 Sustituyendo para sistema ingles.

Q= 3.33 ((L- n 0.1H)H3/2

Q= 3.33 (3.9369 ft-(2*0.1*1.3124ft))(3.3124ft) 3/2

Q= 18.3963 ft3/s

1.2 m 3.2808 ft = 3.9372 ft 1 m

Sustituyendo para sistema métrico

Q= 1.84 (L-n0.1H)H3/2

Q= 1.84 (1.2- (2/0.1*0.4)*0.4)) 3/2

(34)

1.6 Características Químicas, Físicas, Fisicoquímicas y Biológicas.

El conocimiento de la naturaleza del agua residual es esencial para el proyecto de las instalaciones de almacenamiento, tratamiento y evacuación, y para la gestión de calidad del ambiente. Las propiedades físicas y los constituyentes químicos y biológicos de l as aguas residuales se encuentran, junto con sus procedencias en los cuadros No.1.5, No.1.6 y No.1.7 respectivamente.

La c aracterística f ísica m ás i mportante del ag ua r esidual es s u c ontenido de sólidos t otales, el c ual es tá c ompuesto por materia flotante y m ateria e n suspensión, en dispersión coloidal y en disolución, otras características físicas son la temperatura, color y olor. La procedencia de estos pueden ser; aguas residuales domésticas e i ndustriales, des integración nat ural d e c ontaminantes or gánicos, agua r esidual en d escomposición, v ertidos i ndustriales, er osión del s uelo, infiltración y conexiones incontroladas. A continuación se describirán algunos de estos parámetros:

Características Físicas.

Sólidos totales.

Analíticamente, el c ontenido de s ólidos t otales de un ag ua r esidual, s e d efine como l a materia q ue queda c omo r esiduo después de la ev aporación a 103°C-105°C. La m ateria total, sólidos y l íquidos – a veces se utiliza el término no del todo correcto, de sólidos totales -, existentes en un agua, se puede clasificar de la siguiente forma, ver cuadro No.1.3.

El término fijo engloba habitualmente materia de naturaleza inorgánica, m ientras que el término volátil se incluyen compuestos, en general, de naturaleza orgánica.

Dentro de todos estos t ipos d e s ustancias, l a materia en suspensión es responsable de los siguientes efectos.

(35)

28  Produce color aparente en el agua.

 Disminuye el pas o d e ener gía s olar, por l o q ue es r esponsable de u na menor actividad fotosintética.

 Ocasiona de pósitos s obre l as plantas ac uáticas y l as br anquias de l os peces.

 Ocasiona depósitos por sedimentación, con lo que favorece la aparición de condiciones a naerobias y di ficulta l a al imentación de l os s eres v ivos acuáticos.

Cuadro No.1.3 Clasificación de sólidos

Las sustancias filtrables son las responsables de:

 Aumentar la salinidad.

 Variar la solubilidad de oxígeno.

 Pueden i nducir t oxicidad por l a presencia ent re ellas d e de terminados compuestos. Materia en suspensión Sustancias filtrables Sedimentables No sedimentables Coloides Disueltas Fija Volátil Fija Volátil Volátil Volátil Fija Fija

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A causa de las diferentes formas en que pueden encontrarse las sustancias en el agua, s e m iden di versos par ámetros q ue h acen r eferencia a l as m ismas, entre estos se encuentran:

 Sólidos sedimentables.  Sólidos en suspensión.  Sólidos disueltos.  Sólidos fijos

El tamaño de dichos sólidos se puede observar en el siguiente cuadro No.1.4.

Cuadro No.1.4 Tamaño de los sólidos.

Temperatura.

Es una v ariable f ísica q ue i nfluye not ablemente e n l a c alidad d el ag ua, af ecta parámetros o características como:

 Solubilidad de gases y sales (Ley de Henry y curvas de solubilidad).

 Cinética de l as r eacciones q uímicas y bi oquímicas ( Aumento d e l a velocidad de reacción con la temperatura, ley de Arrhenius).

_{Desplazamientos de equilibrios químicos (Un aumento de la temperatura los} desplaza en el sentido en que son endotérmicos, principio de Le-Chatelier).  Tensión superficial.

 Desarrollo de organismos presentes en el agua. ´

´ ´

´

(37)

30 La influencia más interesante va a ser la disminución de la solubilidad del oxígeno al aumentar la temperatura y la aceleración de los procesos de putrefacción.

La c ontaminación por c alor s e debe, fundamentalmente, al us o del ag ua c omo medio de refrigeración en pr ocesos industriales. Se deben de aportar soluciones como la aplicación de torres de refrigeración o la construcción de albercas o lagos de retención del agua caliente, antes de la devolución al cauce receptor.

Conductividad.

Es una medida d e l a r esistencia q ue o pone el ag ua al pas o de l a c orriente eléctrica, la conductividad proporciona la concentración de los iones en disolución, una c onductividad el evada s e t raduce en una s alinidad el evada o en v alores anómalos d e pH . L a temperatura es u na v ariable q ue m odifica sensiblemente estos valores.

Color.

Hay que distinguir lo que se llama color aparente, que es el que presenta el agua bruta, del denominado color verdadero, que es el que se presenta cuando se ha eliminado la materia en suspensión.

El or igen del c olor pu ede s er de tipo i nterno ( debido a l os materiales di sueltos, dispersos o suspendidos) o de tipo externo (absorción de las radiaciones de mayor longitud de onda).

La coloración de un agua natural “no contaminada” es causada principalmente por: sustancia hú micas, ácidos t ánicos, h ojas, fitoplancton, s ales d e h ierro, et c. L os colores de las aguas residuales pueden ser debidos a una multitud de compuestos orgánicos e inorgánicos, que pueden estar en elevadas concentraciones: sales de cromo, c olorantes i ndustriales, ac eites; l as ag uas r esiduales ur banas r ecientes tienen color gris, que va pasando a oscuro e incluso negro.

(38)

Olor y Sabor.

El ol or y s abor es tán, en g eneral, í ntimamente relacionados. E xisten solamente cuatro sabores f undamentales: ácido, s alado, a margo y dul ce. J unto a ellos s e suele hablar de sabores metálico, a tierra, a moho, a farmacia, etc., en estrecha relación c on l os ol ores. L as fuentes de olor y s abor pu eden s er nat urales o artificiales. En general, los compuestos inorgánicos no producen olor, excepto el cloro, s ulfuro de hidrógeno, amoniaco y der ivados. Los c ompuestos or gánicos suelen producir tanto olores como sabores, entre estos, se destacan, los fenoles, clorofenoles, alquitranes, aldehídos, detergentes, ácidos grasos, índoles, también organismos vivos producen olores y sabores: algas, bacterias, hongos, así como la descomposición de vegetales y animales. Especialmente tienen malos olores y sabores las aguas residuales domésticas e industriales.

Turbidez.

La t urbidez de un ag ua es pr ovocada por la m ateria i nsoluble, en s uspensión o dispersión coloidal. Es un fenómeno óptico que consiste, esencialmente, en una absorción de luz combinada con un proceso de difusión. Las partículas insolubles responsables d e es ta t urbidez pued en s er apor tadas t anto por pr ocesos d e arrastre c omo de r emoción de tierras y t ambién p or v ertidos ur banos e industriales.

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Sólidos Tratamiento Olor Color CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Sulfuros Orgánicos (Coles podridas)

Ca, Na y SO4 que se añaden

al agua de suministro • Sedimentación • Coagulación

• Floculación

Sólidos en s uspensión conducen al des arenador desarrollo d e de pósitos de lodo y de las c ondiciones anaerobias SST, STT, SDT, SSF, SDF, SSV, STV, SDV Forma: • Coloidales • Flotantes • Suspensión • Dilución Procedencia:

• A.R. en descomposición. (M.O) • Vertidos industriales

• Microorganismos anaerobios Procedencia:

• ARD • ARI

• Desintegración natural de m ateriales Orgánicos Olor Sulfuro de Hidrógeno (Huevo Podrido) Sulfuros Orgánicos (Coles podridas) Sulfuros Orgánicos (Coles podridas) Aminas (Pescado) Eskatol (Fecal) Diaminas (Carne descompuesta)

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Características Químicas.

Con respecto a los compuestos orgánicos, debido a su gran variedad, procedentes del hombre y la naturaleza, sus componentes moleculares no s uelen expresarse individualmente en u n anál isis de ag ua. Aunque s e pu eden determinar por separado, p or ejemplo, uno muy c onocido: el al quil benc il s ulfonato ( ABS). Es posible que en el caso de no tener una información precisa, se puede recurrir a una serie de pruebas no específicas.

Estas pruebas n o h acen di stinción entre l os c ompuestos orgánicos, per o da n l a evidencia q ue ellos e xisten o es tán presentes e n el ag ua. Entre l os pr incipales parámetros que caracterizan la materia orgánica presente en un agua están:

 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO): Mide l a c apacidad de l as bacterias comunes p ara di gerir l a m ateria or gánica bi odegradable. S e expresa como ppm de 02.

 Extraíbles de Carbón - Cloroformo (CCE): Determina l os pr oductos orgánicos absorbidos en c artuchos de c arbón ac tivado q ue s on extraídos con cloroformo.

 Extraíbles de Carbón - Alcohol (CAE): Determina los productos orgánicos absorbidos en cartuchos de carbón activado que son extraídos con alcohol etílico. Esta extracción se realiza después de la de cloroformo.

 Demanda Química de Oxígeno (DQO): Mide la capacidad en disoluciones calientes de ác ido c rómico para ox idar l a m ateria or gánica. A naliza l a materia or gánica biodegradable y l a no biodegradable o r efractaria. S e expresa en ppm de O2.

 Oxígeno Disuelto (OD): Determina la presencia de sustancias fuertemente reductoras en l as aguas r esiduales, que pueden di sminuir r ápidamente el nivel de ox ígeno en las c orrientes r eceptoras. S e d etermina midiendo l a

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34 pérdida de oxígeno, 1 5 m inutos des pués d e di luir un a muestra c on ag ua saturada en oxígeno. Se expresa en ppm de O2.

 Oxígeno consumido por el permanganato (O2): Mide l a s usceptibilidad

de la materia orgánica de una muestra a la oxidación por el permanganato potásico. Se expresa como ppm de O2.

 Extraíbles en disolvente: Determina l a materia or gánica q ue s e pu ede extraer directamente del ag ua. C omo ag ente par a l a ex tracción se ut iliza hexano, tetracloruro de carbono o cloroformo.

 Carbón Orgánico Total (TOC): Mide el CO2 producido por los compuestos

orgánicos cuando s e introduce una muestra de ag ua e n una c ámara d e combustión. S e de be eliminar pr eviamente el C O2 de l a al calinidad o s e

resta del CO2 total para así determinar el carbón orgánico. Se expresa en

ppm como C.

El c omponente or gánico de l as m uestras de ag uas r esiduales es es timado generalmente en términos de l as demandas de ox ígeno ut ilizando l a D emanda Bioquímica de O xígeno (DBO), l a D emanda Q uímica de Oxígeno ( DQO) y l a Demanda Total de O xígeno ( DTO) o en t érminos d el C arbono O rgánico T otal (COT), dos de los principales parámetros, se describen a continuación:

Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)

La DBO5 es la cantidad de oxígeno empleado por los microorganismos a l o largo

de un período de cinco días, para descomponer la materia orgánica de las aguas residuales a una temperatura de 20 °C.

La D BO5 suele e mplearse para c omprobar l a c arga or gánica de l as ag uas

residuales municipales e i ndustriales bi odegradables, s in t ratar y t ratadas. La DBO5, la cual es un estimativo de la cantidad de oxígeno requerido para estabilizar

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microorganismos, es un par ámetro no bi en de finido q ue ha s ido ut ilizado po r muchos años, al asignar una demanda de oxígeno a las aguas residuales.

La pr ueba d e l aboratorio es tá i nfluenciada por muchas v ariables y l imitaciones como son:

a) Aclimatación de la semilla. b) La temperatura y el pH.

c) La presencia de compuestos tóxicos. d) El tiempo de incubación.

e) Nitrificación.

a) Aclimatación de la Semilla: El us o d e u na s emilla bi ológica q ue no es té aclimatada al agua residual es un factor muy común responsable de resultados erróneos de DBO5. La semilla a utilizar en esta prueba debe ser preparada en

un r eactor c ontinuo a es cala de l aboratorio, al imentado c on di soluciones d el desecho. La composición del desecho puede ser incrementada y se considera la semilla como aclimatada una vez que la remoción de orgánicos y el oxígeno alcanzan un nivel máximo y llegan a estabilizarse.

b) Temperatura y pH: Los resultados de la DBO5 pueden ser afectados sí el pH

de la muestra es menor de 6. 5 o mayor de 8. 3 unidades. Aunque la DBO5 se

lleva a c abo a una temperatura estándar de 20 °C, las condiciones del campo necesitan la incubación a otras temperaturas. Se requiere entonces un factor de corrección para compensar la diferencia de temperatura.

c) Toxicidad: La pr esencia de s ustancias t óxicas en una muestra de ag ua residual p uede t ener un e fecto bi otóxico o bi oestático s obre l a s emilla d e microorganismos. Este efecto se manifiesta por disminución de los valores de DBO5 donde, el resultado de la DBO5 aumenta con el aumento de la dilución

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36 tomar m edidas par a i dentificarlos y r emoverlos o us ar diluciones don de l os resultados de la DBO5 den valores consistentes.

d) Tiempo de incubación: La importancia de la variable tiempo de incubación es indicada en la ecuación básica de la DBO5. El tiempo de incubación usual es

de 5 dí as, a unque el tiempo us ual r equerido par a l a c ompleta e stabilización ocurre (DBO5 última) dependiendo de l a biodegradabilidad de l os compuestos

presentes y la capacidad depuradora de los microorganismos.

e) Nitrificación: Aunque al go de ni trificación oc urre a t ravés del per íodo d e incubación, un efecto de dos etapas es generalmente observado. Esto resulta del hecho de que las constantes de velocidad de nitrificación son mucho más bajas que las de la demanda carbonácea y la demanda nitrificante; no se inicia hasta que la demanda carbonácea esté completamente satisfecha. La medida de l a demanda de ox ígeno ej ercida p or l a fracción c arbonácea d el des echo puede s er medida, r etardando el pr oceso de ni trificación e n l a bot ella, adicionando inhibidores de la nitrificación o dejando que ella ocurra y sustraerla de la demanda total.

Demanda Química de Oxígeno (DQO)

La D QO m ide el ox ígeno eq uivalente d e s ustancias or gánicas e i norgánicas en una muestra acuosa que, es susceptible a l a oxidación por dicromato de p otasio en una solución de ácido sulfúrico. Este parámetro ha s ido usado por más de u n cuarto de s iglo par a es timar el c ontenido d e orgánicos e n aguas y ag uas residuales. Sin embargo, la correcta interpretación de los valores de D QO puede presentar pr oblemas por l o c ual s e d ebe e ntender l as v ariables que a fectan l os resultados de este parámetro.

El valor de la DQO es siempre superior al de la DBO5 porque muchas sustancias

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Generalmente, s e po dría es perar q ue l a D BO5 última d el ag ua r esidual s e

aproximara a l a D QO. S in e mbargo, ex isten m uchos factores q ue a fectan estos resultados especialmente en desechos industriales complejos. Estos factores son los siguientes:

1. Muchos compuestos orgánicos que son oxidables por el dicromato no s on bioquímicamente oxidables.

2. Ciertas s ustancias i norgánicas, t ales c omo s ulfuros, s ulfatos, t iosulfatos, nitritos y el i on f erroso, s on oxidados por el di cromato c reando una D QO inorgánica, l o c ual entorpece l os d atos c uando l a D QO s e m ide como e l contenido de materia orgánica en un agua residual.

3. Los resultados de la DBO5 pueden ser afectados por pérdida de semilla por

aclimatación, d ando resultados er róneos. Los r esultados de DQO s on independientes de esta variable.

4. Los cloruros interfieren en el análisis de la DQO. Se puede obtener lecturas más altas resultantes de la oxidación de cloruros por dicromato.

En l a c aracterización de l as ag uas residuales, de ac uerdo c on l a i ndustria, es necesario el análisis de otros compuestos orgánicos, como son ácidos orgánicos, alcoholes, al dehídos, f enoles y ac eites específicamente e n l a i ndustria petroquímica.

En un agua residual de concentración media, un 75% de los sólidos suspendidos y un 40% de l os s ólidos f iltrables s on de naturaleza or gánica pr ocedentes de l os reinos animal y vegetal y de las actividades humanas relacionadas con la síntesis de c ompuestos or gánicos. Los c ompuestos or gánicos es tán formados generalmente por un a c ombinación de c arbono, hidrógeno y ox ígeno, j unto con nitrógeno en al gunos c asos. O tros el ementos i mportantes t ales c omo az ufre, fósforo y hierro pueden también estar presentes.

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38 Los s ólidos i norgánicos es tán formados p rincipalmente por nitrógeno, fósforo, cloruros, sulfatos, carbonatos, bicarbonatos y al gunas s ustancias tóxicas como arsénico, cianuro, cadmio, cromo, cobre, mercurio, plomo y zinc.

Los sólidos orgánicos se pueden clasificar en nitrogenados y no nitrogenados. Los nitrogenados, es decir, los que contienen nitrógeno en su molécula, son proteínas, ureas, aminas y aminoácidos. Los no ni trogenados s on pr incipalmente celulosa, grasas y jabones. La concentración de orgánicos en el agua se determina a través de la DBO5, la cual mide m aterial orgánico carbonaceo principalmente, mientras

que la DBO20 mide material orgánico carbonaceo y nitrogenado.

Las pr opiedades q uímicas de l as ag uas r esiduales s on pr oporcionadas p or componentes q ue se pue den agrupar en t res categorías, según s u naturaleza: materia or gánica, c ompuestos i norgánicos y c omponentes g aseosos. Tanto el grupo de s uspensión como di solución, pr esenta un a c omposición m ás o menos homogénea, en la que se encuentran, en forma predominante, las proteínas, los hidratos de carbono y algunos aceites y grasas.

El nitrógeno orgánico puede aparecer como amonio, en los nitratos orgánicos y en los nitritos, siendo las dos primeras formas mayoritarias. La pr esencia de ni tratos es muy importante cuando se aplican sistemas de vertidos a suelos. Y además, por l a c apacidad de eut roficación q ue d esarrollan es tos c ompuestos c uando aparecen en concentraciones elevadas en la parte superficial de los suelos.

Otros el ementos c omo el z inc el c obre y el ní quel s on l os metales que m ás contribuyen a acrecentar las cifras de elementos pesados, siendo el zinc el metal usado como referencia de toxicidad.

El boro es el otro elemento que puede afectar mucho a los sistemas biológicos de tratamientos de aguas. E s esencial en la micronutrición vegetal, pero puede s er tóxico para muchos sistemas de fauna y flora que están presentes en los procesos de las aguas residuales. En los siguientes cuadros se resumen algunos de es tos parámetros y su procedencia.

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Materia Orgánica Combinación d e CHO N (Algunos casos) CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS Gases Medida de contenido orgánico • Moléculas s intéticas orgánicas ((2)_plaguicidas, Fenoles, ag entes tensoactivos). • Proteínas ( P .Maltos 20000- 20 E6) • Se forman a partir de los aminoácidos. • Su or igen l as pl antas y tejidos grasos de la carne Materia Inorgánica • Carbohidratos (azucares, al midón, celulosa…) • G y A ( Mantequilla) G y A vegetales (semillas, nueces…) • Urea Contaminantes peligrosos en aguas superficiales Plaguicidas Tierras abandonadas. Método: Cromatografía de gases con captura de e -Causan: Muerte de peces, intoxicación Se reportan en ppb Tóxicos G y A Método: Cromatografía de gases con captura de e -Causan: Muerte de peces, intoxicación Agentes tensoactivos * • Moléculas grandes orgánicas • Ligeramente solubles en agua • Causan espumas en PTAR • Presentes en detergentes

Método: SAAM

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Azufre q ue s e l ibera de l a síntesis de proteínas

MATERIA INORGÁNICA

Proceden de l a disolución de suelos y r ocas , intrusión de agua s alada, descargas de ARD y A RI, a grícolas, He ces humanas ( 6g de C l-_/día personas) Compuestos tóxicos: • Muerte de microorganismos • Y por lo tanto se detiene la PTAR Nitrógeno: Causa c recimiento de plantas. Y Eutroficación de cuerpos de agua.

Aniones CN, CrO4, F) proceden del ARI

Metales pesados: • Ni , Cr, Cu • Mn, Cd, Fe • Pb, Zn, Hg Cloruros Crecimiento de algas (Fosforo) Gases comunes en la atmosfera CO2, O2,N2 Gases O3 Desinfección y control de olor. CH4 Descomposici

ón anaerobia Cl2 para desinfección

SOx y N2 procesos de combustión Descomposición d e l a materia orgánica. ( H2S, NH3 )

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• Determina t amaño d e i nstalación de PTAR.

• 20 días oxida del 95-99% • 5 días oxida del 60-70% • M.O (5 días a 20°C) • Bacterias saprófitas

• Bacterias au tótrofas –Materia n o carbonosa

• Cantidad d e ox ígeno par a estabilizar biológicamente la materia Orgánica. MEDIDA DEL

CONTENIDO ORGÁNICO DTeO:

Determina principalmente m aterial de origen animal o vegetal en A.R

COT:

Para peq ueñas concentraciones Mat.Org. A naliza c on I.R, E spectro infrarojo. DTO Combustión c atalizada con platino DQO:

Utiliza q uímico f uertemente oxidante e n medio acido K2CrO7(H2SO4)

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42 Características Biológicas.

Es c laro q ue el c omponente or gánico de l as ag uas r esiduales es un m edio de cultivo q ue per mite el des arrollo de l os m icroorganismos q ue c ierran l os c iclos biogeoquímicos de elementos como el azufre, el carbono, el nitrógeno o el fósforo, entrando frecuentemente en c onsecuencia y el iminando l os elementos q ue s on fundamentales par a los s istemas bi ológicos de t ratamientos de l as ag uas residuales.

Este componente biológico se manifiesta fundamentalmente en 5 áreas diferentes: a. Descomposición d e l os c ompuestos or gánicos c ontenidos e n l as ag uas

residuales.

b. Eliminación de determinados compuestos orgánicos que sean tóxicos para los vegetales y microorganismos del suelo.

c. Desaparición de microorganismos patógenos.

d. Participación de l os c iclos bi ogeoquímicos del ni trógeno, del fósforo y del azufre.

e. Reacciones de l a materia or gánica t ransformada y del c omponente microorgánico frente a los constituyentes minerales del suelo.

Un úl timo aspecto del c omponente bi ológico de l as aguas r esiduales, es l a presencia de d eterminados v irus, c omo p ueden s er el ad enovirus, en terovirus, hepatitis A , etc. Q uienes a ún e n muy baj a pr oporción r especto a bac terias y microorganismos en general, manifiestan enorme peligrosidad desde el punto de vista s anitario. Una de l as r azones más i mportantes para t ratar l as ag uas residuales es l a el iminación d e t odos l os a gentes pat ógenos de origen hum ano presentes en l as excretas c on el pr opósito de c ortar el c iclo epi demiológico d e transmisión. Estos son, entre otros:

a. Coliformes totales b. Coliformes fecales c. Salmonella

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Microoganismos

Los g rupos pr incipales d e or ganismos que s e encuentran en l as ag uas superficiales se clasifican en pr otistas, vegetales y animales. La categoría de l os protistas i ncluyen l as bac terias, hongos, protozoos y al gas. Los v egetales s e clasifican en plantas de semilla, helechos, musgos y hepáticas. Como animales se clasifican los vertebrados e invertebrados. Los virus que también se encuentran en el agua residual se clasifican según el sujeto infectado.

Protistas. Dado el a mplio y fundamental papel j ugado p or l as bac terias en l a descomposición y es tabilización de l a m ateria or gánica, t anto e n l a nat uraleza como en l as pl antas de t ratamiento, de ben c onocerse bien s us características, funciones, metabolismo y síntesis, las bacterias coliformes se utilizan como un indicador de contaminación y es pr oducida por v ertidos d e or igen hu mano. Las algas pueden presentar un serio inconveniente en las aguas superficiales, ya que cuando las condiciones son favorables pueden reproducirse rápidamente y cubrir ríos, lagos y embalses con grandes colonias flotantes.

Virus. Los v irus ex cretados por l os h umanos pu eden l legar a s er un pel igro importante par a l a s alud p ública, s e s abe c on c erteza q ue al gunos v irus viven hasta 41 días en el agua residual a 20 °C y durante 6 días en un rió normal. Cierto número de br otes de hepatitis infecciosa han sido atribuidos a la transmisión del virus a través del suministro normal de agua.

Plantas y ani males. El c onocimiento de es tos or ganismos es út il par a valorar el estado de las corrientes y lagos, al determinar la toxicidad de las aguas residuales evacuadas al ambiente y al o bservar l a e fectividad de l a v ida b iológica en l os procesos secundarios de tratamiento.

Organismos Patógenos

Los organismos patógenos encontrados en el agua residual pueden proceder de desechos hu manos que es tén i nfectados, o q ue s ean por tadores de u na enfermedad determinada. Los or ganismos pat ógenos b acterianos us uales, q ue

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44 pueden s er excretados p or el hombre, causan e nfermedades del aparato gastrointestinal, tales c omo f iebre tifoidea o par atifoideas, disentería, di arreas y cólera. D ado q ue estos or ganismos s on al tamente i nfecciosos, s on l os responsables de m uchas miles de m uertes cada año en zonas con escasa sanidad, especialmente en los trópicos. A pesar de que los organismos patógenos bacterianos son los más numerosos, no son en ningún modo los únicos patógenos presentes en el agua residual.

Bacterias. Son l os organismos más i mportantes e n l a des composición y estabilización d e l a materia or gánica. A sí m ismo, l os organismos bac teriales patógenos q ue pu edan ac ompañar l as excretas h umanas or iginan u no de l os problemas sanitarios m ás g raves. Los i ndividuos i nfectados c on al gún t ipo d e enfermedad ex cretan en s us h eces b acterias pat ógenas, c ontaminando así l as aguas residuales domésticas.

Huevos de H elminto. Los parásitos h elminto más i mportantes q ue p ueden encontrarse en aguas residuales son las lombrices intestinales que causan anemia debido a l a perdida sanguínea (200 ml/día) que ocasiona aproximadamente 1000 gusanos d e Necator americanus. E l t érmino hel minto se apl ica a parásitos en forma de lombriz.