Contaminación de aguas

Contaminación de aguas

Uso del agua en lagos, ríos, estanques esta influenciado por la calidad del agua que encontramos

Actividades tales como: pesca, natación, paseos y disposición de residuos – diferentes requerimientos para la calidad de agua.

Introducción

Agua de muy alta calidad se necesita para suplir necesidades por agua potable.

En muchas partes del mundo – introducción de contaminantes – degradado cuerpos de agua de excelente calidad – alcantarillas – pocas formas de vida y pocos usos benéficos.

Introducción

Manejo – calidad del agua – control de la contaminación por actividades humanas de manera que el agua no se degrade hasta el punto que no sea útil para los usos originales

Una familia que vive junto a un cuerpo de agua puede realizar sus descargas sin alterar la capacidad de recuperación del río, pero una ciudad como Quito, no puede hacerlo sin causar graves daños.

Introducción

Conocer - cantidad de residuos – tolerados (asimilados) por un cuerpo de agua – conocer – el tipo de contaminantes y de que manera afectan al cuerpo de agua

Conocer también que el agua se ve afectada por factores naturales – material parental del cauce, geometría del terreno y el clima de la regiòn.

Introducción

Entendiendo el impacto de los contaminantes sobre la calidad de agua, es posible diseñar las facilidades para el tratamiento para remover los contaminantes a niveles aceptables.

Ya revisamos diferentes tipos de contaminantes y sus fuentes – es necesario revisar también contaminación en ríos, lagos, y agua subterránea. Es necesario conocer un poco el comportamiento de las actividades humanas.

Introducción

Tipo / efectos Ejemplos Principales FuentesAgentes infecciosos (patógenos)Causan enfermedades

Bacterias, virus, parásitos

Desechos animales y humanos

Residuos con alta demanda de oxígeno Disminuye la cantidad de O2 disuelto en el agua

Desechos animales biodegradables y desechos de plantas

Industria del papel, fábricas de alimentos, alcantarillado

Nutrientes Producen el crecimiento excesivos de algas y otras especies

Nitratos y Fosfatos Alcantarillado, residuos animales, fertilizantes inorgánicos

Químicos orgánicosAñade toxinas a los sistemas acuáticos

Aceite, gasolina, plástico, pesticidas, fertilizantes

Industria, agricultura, minería

Químicos InorgánicosAñade toxinas a los sistemas acuáticos

Ácidos, bases, sales, compuestos metálicos

Industria, agricultura, minería

SedimentosInterrumpe la fotosíntesis, cadenas alimenticias, etc.

Suelo, arena, arcilla Erosión del suelo de la agricultura y la construcción, minería

Metales pesadosCausan cáncer, afecta sistema inmunológico

Pb, Hg, Ar Relleno sin protección, desechos de la minería, descargas industriales

CalorAlgunas especies se vuelven vulnerables a enfermedades

Calor Plantas hidroeléctricas e industrias

Contaminación del agua

Aguas de origen doméstico y aguas industriales – fuente puntual – recolectada – red de tuberías y/o canales – en un solo punto de descarga

Doméstico – casas, escuelas, oficinas, tiendas (descargas municipales)

Reducidas o eliminadas – minimización de residuos y tratamientos adecuados – previo a la descarga

Fuentes Puntuales

Escorrentía – urbano y agricultura – múltiples puntos de descarga

A menudo – agua contaminada – corre sobre la superficie – cuerpo de agua más cercano – incluso recolectado – difícil realizar tratamiento

Contaminación aumenta con las lluvias – volúmenes difíciles de tratar.

Fuentes No Puntuales

Contaminación de Ríos

Esta dependerá de la naturaleza de los contaminantes y las características propias del río

Dos de las características principales incluyen el volumen y la velocidad de agua corriendo en río, la profundidad del río, las características del cauce, y la vegetación que le rodea .

Otros factores incluyen: clima de la región, patrones de uso del suelo, tipo de vida acuática-

Contaminación del agua de ríos

De origen orgánico o inorgánico – disminuye niveles de OD – amenaza a los peces y otras formas de vida – niveles de Oxígeno – bajo un punto crítico.

Grado de disminución de OD – conocer cuanto se esta descargando y cuanto O2 se requiere para degradarlo

OD en ríos – atmósfera y fotosíntesis – consumido por organismos.

Demanda De Oxígeno Disuelto

La cantidad de O2 requerido para oxidar una sustancia a CO2 y H2O – puede ser realizado usando estequiometria si se conoce la fórmula de la sustancia

Demanda Teórica de Oxígeno

Demanda Bioquímica de Oxígeno

Calcular la demanda teórica de Oxígeno de 108.75 mg/L de glucosa (C6H12O6)

Ejemplo 1

A diferencia de la Demanda Teórica – DQO – no necesita el conocimiento de la composición química - de las sustancias en el agua.

En una prueba de DQO – un oxidante químico fuerte (ácido crómico) – se mezcla con una muestra de agua y luego se pone a hervir el agua

Diferencia entre la cantidad del ácido crómico al inicio y al final de la prueba es usado para calcularlo.

Demanda Bioquímica de Oxígeno

Oxidación de un compuesto orgánico – microorganismos usando materia orgánica como alimento – oxígeno consumido DBO.

DBO real – menor a la Demanda Teórica – debido a la incorporación de carbono en las células bacterianas

Prueba – bioensayo – utiliza microorganismos – condiciones similares a la naturales – medir indirectamente la cantidad de materia orgánica biodegradable presente.

DBO

Una muestra de agua – inoculada con bacterias que consumen la materia orgánica biodegradable para obtener energía para sus procesos.

Los organismos utilizan oxígeno en el proceso de consumir los residuos – descomposición aeróbica. Esta cantidad de O2 es fácil de medir - mientras mayor sea la cantidad de materia orgánica presente – mayor será la cantidad de oxigeno utilizado.

DBO

La prueba de DBO es una medida indirecta de la materia orgánica porque lo que se mide es únicamente es el cambio en la cantidad de OD en el agua.

A pesar de no ser exacto – esta prueba sigue siendo el método más utilizado para mediar la cantidad de materia orgánica – debido a la relación entre DBO y la disminución de O2.

DBO

Solo bajo raras circunstancias – Demanda Teórica, DQO y DBO son iguales. Si la demanda química de todas las sustancias en el agua es conocidas y estas son capaces de ser oxidadas completamente – las tres medidas de la demanda Química serán la misma

Cuando una muestra de agua que contiene materia orgánica degradable se coloca en un contenedor cerrado y es inoculado con bacterias – el consumo de oxígeno *

DBO

DBO

Durante los primeros días – disminución de OD rápido – alta concentración de materia orgánica – disminuye – también el consumo de O2.

La ultima parte de la curva de DBO – consumo de O2 – asociado con la muerte de las bacterias que crecieron durante la etapa inicial de la prueba.

Asume que índice al cual se consume el O2 – directamente proporcional a la concentración de materia orgánica

DBO

Si la DBO3 de un residuo es 75mg/l y K es 0.15 d. ¿Cuál es la DBO final?

Ejemplo 2

DBO final – expresa la cantidad de materia orgánica degradable, no indica que tan rápido el oxigeno disminuirá en el agua.

La disminución de O2 – relacionada con DBO final y la constante de velocidad (k). Mientras que DBO final incrementa en proporción directa a la concentración de materia orgánica, el valor de la constante – dependerá de:La naturaleza del residuoLa habilidad de los organismos en el sistema para

utilizar el residuoLa temperatura

DBO

Hay miles de compuestos orgánicos – no todos pueden degradarse fácilmente.

Azúcares y almidones - degradan rápidamente – constantes grandes

Celulosa (papel higiénico) – mucho mas lento – uñas y cabello – casi no se degradan.

Compuestos complejos – depende – proporciones relativas de varios componentes

DBO – Naturaleza del residuo

DBO – Naturaleza del Residuo

Muestra K (20 ºC) / díaAgua residual 0.35 – 0.70Agua residual tratada

0.12 – 0.23

Agua de río contaminada

0.12 – 0.23

Valores bajos para agua tratada – compuestos altamente degradables – removidos durante el proceso de tratamiento.

Microorganismos – habilidad limitada para utilizar agua residual

Consecuencia – compuestos orgánicos – degradados – pequeño grupo de organismos. Ambientes naturales – continuo ingreso de residuos – predominará la población de organismos que utiliza la materia orgánica residual de manera más eficiente

DBO – Habilidad para utilizar residuos

Problema común – aguas industriales – constantes mas bajas en laboratorio que en ambiente natural – resultado indeseable

Las pruebas – usando microorganismos que ya están aclimatados a los componentes de las aguas residuales que se quiere analizar el tratamiento.

DBO – Habilidad para utilizar los residuos

La mayoría de los procesos biológicos – aceleran – temperatura.

Oxígeno – utilizado para el metabolismo de los microorganismos, el índice de utilización es similarmente afectado por la temperatura

Idealmente, la constante del DBO – determinado experimentalmente para la temperatura del cuerpo receptor

DBO - Temperatura

Dificultades – cambios en la temperatura del cuerpo receptor – varias pruebas para definir k –

Dificultad adicional – comparar datos de varios lugares a diferentes temperatura – pruebas de laboratorio – 20ºC y k se ajusta a la temperatura del cuerpo receptor a través de la siguiente ecuación. **

DBO - Temperatura

Se descarga un residuo al río que tiene una temperatura de 10ºC. ¿Qué fracción del consumo máximo de oxígeno ha ocurrido en cuatro días, si el índice de velocidad de la DBO determinada en el laboratorio bajo condiciones estándar es 0.115 d-1(base e)

Ejemplo 3

Botellas especiales – 300mL – llenas con una muestra de agua – apropiadamente diluidas e inoculadas con microorganismos - eliminan burbujas

Dilución requerida – porque O2 disponible – disuelto en H2O – mayor cantidad – es 9 mg/l – muestras diluidas entre 2 y 6 mg/L

Agua – contiene todos los nutrientes – metabolismo -

DBO – Pruebas de Laboratorio

Radio - muestras diluidas y no diluidas – tamaño de muestra – expresado en porcentaje – relación inversa – factor de dilución.

Matemáticamente ***

Tamaño de muestra apropiado – determinado – dividiendo 4mg/l (el punto medio del intervalo de DBO diluido) para la concentración estimada en la muestra que se esta analizando.


El DBO de una muestra de agua residual esta estimada en 180 mg/l. ¿Qué volumen de muestra sin diluir deben añadirse a una botella de 300 ml? Además, ¿Cuál es el tamaño de muestra y el factor de dilución usando este volumen?. Se asume que 4mg/l pueden se consumirán en las botellas de DBO.

Ejemplo 4

Blancos – con agua diluida – requeridos para medir la cantidad de O2 consumido

Todas las muestras se incuban a 20ºC – por número de días acordados – mayoría de los casos 5 días – oscuridad para evitar fotosíntesis

Determinaciones finales de DBO y velocidad de reacción – tiempos adicionales


Luego del número de días - las muestras y los blancos se remueven – incubadora y se mide OD en cada botella.

DBO – muestra no diluida se mide de la siguiente manera****


¿Cuál es el DBO5 de la muestra de agua residual del ejemplo anterior, si los valores de DO para el blanco y la muestra diluida después de 5 días fueron 8.7 y 4.2 mg/l respectivamente?

Ejemplo 5

Se ha analizado únicamente la oxidación del carbono.

Muchos componentes orgánicos – como las proteínas, contienen nitrógeno que puede ser oxidado con el consumo de oxígeno molecular - diferentes a los del carbono – considerarlos de manera separados. CDBO NDBO

Oxidación del Nitrógeno

Organismos que oxidan el carbono en compuestos inorgánicos, no pueden oxidar el nitrógeno en estos compuestos

Nitrógeno – amoníaco (NH3) pH normales – se lo encuentra como catión amonio (NH4+).

Amoníaco liberado al agua – compuesto orgánicos y otras fuentes (fertilizantes) – oxidan a nitrato (NO3-) – bacterias nitrificadora – nitrificación. *****

Oxidación del nitrógeno

Calcular el valor teórico de NDBO de una agua residual que contiene 30mg/L de nitrógeno en forma de amoníaco (NH3-N) Si el análisis de agua reporta 30mg/l de amoníaco (NH3)¿Cuál será el valor teórico de NDBO?

Ejemplo 6

La velocidad a la que se realiza la NDBO, dependerá de número de organismos nitrificantes.

En descargas sin tratar, hay pocos organismos, pero en aguas con tratamientos eficientes, existen altas concentraciones.

Oxidación de Nitrógeno

Cuando comparamos agua sin tratar y agua tratada, se observa que los dos parámetros tienen diferentes comportamiento y que NDBO aparece luego que CDBO ha tenido lugar.

El retraso se debe al tiempo que les toma a las bacterias nitrificantes alcanzar poblaciones adecuadas, para que la NDBO se vuelva significativa.



Presencia de OD – define calidad de un cuerpo de agua (río). Todos tienen una capacidad de auto-purificación. (descargas líquidas)

Cuando la DO – cae bajo 4 a 5 mg/l – ya no existen peces de interés comercial – DO – removida completamente – los animales mueren – agua de color oscuro y mal olor – descomposición de animales muertos.

Modelo de Streeter - Phelps

Una de las mejores herramientas de manejo de la calidad del agua en ríos – habilidad para evaluar la capacidad de este para absorber – descargas contaminadas (diapositiva siguiente)

Esto se realiza – determinando la concentración de OD aguas abajo del lugar donde se realizo la descarga. Esta se conoce como la curva de hundimiento de DO, ya que la concentración de DO cae cuando se oxidan los materiales que requieren O2 y luego se recupera aguas abajo, cuando se repone desde la atmósfera.



Para desarrollar un modelo matemático para la curva de hundimiento de DO es necesario identificar y cuantificar las fuentes de O2 y los factores que afectan la disminución de O2.

Fuentes de oxigenación significativa son aireación y fotosíntesis de las plantas acuáticas

Disminución de OD – varios factores – más importantes DBO del material descargado – presente en el río


Segundo factor es que el OD en las descargas es menor al del río, por lo tanto OD disminuye en el río, tan pronto como ingresa la descarga, incluso antes de que empiece a llevarse a cabo la DBO

Otros factores – contaminación no puntal, respiración de organismos viviendo en los sedimentos (demanda béntica) y respiración de plantas acuáticas.


Balance de Masa – simplificado – nos ayuda entender y resolver el problema de la curva.

Se utiliza 3 balances de masa – mezcla del efluente contaminado y el río. DO CDBOTemperatura

Factores que cambian durante el mezclado Se obtiene lo siguiente+


Quito descarga 17360m3/d de agua tratada en el Río Machángara. El efluente tratado tiene una DBO5 de 12mg/l y una k de 0.12d-1 a 20ºC. El río Machángara tiene una velocidad de flujo de 0.43 m3/s y la DBO final de 5.0 mg/l. La concentración de OD en el río es de 6.5mg/l y en efluente es de 1.0mg/l. La temperatura del río es 10ºC y la del efluente 10ºC. Determinar la concentración de OD y la DBO final luego del mezclado.

Ejemplo 7

Para Temperatura – considerar balance de calor en lugar de masa.

Pérdida de calor (caliente) = ganancia de calor (frío)

Este cambio en la entalpía, o “contenido de calor” de la masa de una sustancia se define de la siguiente manera: ++


La curva de hundimiento – utiliza el déficit de oxígeno en lugar de la concentración de OD, de esta manera es más fácil resolver la ecuación que resulta de la descripción matemática del balance de masa.

Déficit de oxígeno es la cantidad por la cual la concentración de oxígeno es menor a la saturación con respecto al oxígeno en el aire.

Déficit de Oxígeno

D = DOS – DO

D = déficit de oxígeno mg/lDOs = concentración de saturación del OD a la temperatura del río, luego del mezclado. mg/lDO = concentración real de oxígeno disuelto. mg/l

El valor de saturación del oxígeno disuelto esta relacionado con la temperatura del agua – disminuye, mientras aumenta la temperatura.

Déficit de Oxigeno

El inicio de la curva, se encuentra en un punto donde la descarga residual se mezcla con el agua del río.

El déficit inicial se calcula como la diferencia entre OD saturado y la concentración de OD luego del mezclado +++

Déficit Inicial

Calcular el déficit inicial del río Machángara luego del mezclado con las aguas residuales de Quito (ejemplo anterior para los datos). La temperatura del río es 10°C y la de las descargas líquidas 10°C.

Ejemplo 8

Valores de saturación de OD en agua dulce en atmósfera saturada con 20.9% oxígeno bajo presión de 101.325 Kpa

Debido a que las aguas residuales generalmente tienen una temperatura más alta que la de los ríos.

Temperatura aguas arriba es mas baja – temperatura aguas abajo.

Es importante usar la temperatura aguas abajo, cuando se esta realizan un análisis de este tipo.

Déficit Inicial

Se parte de un diagrama de balance de masa *

Ecuación de OD

Esta constante difiere de la constante de velocidad del DBO debido a las diferencias físicas y biológicas en un río y en una botella de DBO.

DBO se lleva a cabo más rápidamente en un río que en una botella; debido a los microorganismos, turbulencias

k - rara vez, valores mayores a 0,7 d / kd tan grande como 7 días.

Se lo representa con la siguiente fórmula**

Constante de velocidad de desoxigenación

Determinar la velocidad constante de desoxigenación para el río Machángara, luego del lugar de emisión de las aguas residuales. La velocidad promedio del río es 0,03 m/s. La profundidad es 5,0 m y el coeficiente de actividad es 0,35

Ejemplo 9

Kr – depende del grado de mezclado – relacionado con la velocidad del río y con la cantidad de agua que esta relacionada con la atmósfera comparado con el volumen de agua en el río.

kr – será mas bajo en un río angosto y profundo.

Se puede representar como***:

Reaireación

Con la velocidad de flujo de un río y la distancia río abajo; es posible estimar el tiempo con base a una fórmula básica que relaciona tiempo, distancia y velocidad. **

Tiempo

Este punto donde existe la menor concentración de OD – indica la peor condición en el río. Es posible obtener este dato a partir de la siguiente ecuación***:

Punto crítico

Determinar la concentración de OD en un punto 5 km aguas abajo de donde la ciudad de Quito descarga sus aguas residuales en el Machángara. Además determinar el OD crítico y la distancia aguas abajo al cual ocurre.

Ejemplo 10

Contaminación de aguas

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