Saneamiento un viaje con NEMO

Transcripción

1 Saneamiento un viaje con NEMO El objetivo de los sistemas de saneamiento es recoger el agua contaminada, 1

2 , conducirla fuera de los núcleos urbanos, de forma que no suponga ningún peligro para la salud humana,, reducir su nivel de contaminación, 2

3 y devolverla de forma adecuada al medio acuático natural. Qué transportamos en las redes de saneamiento? Cuánto y Cómo? 3

4 Qué vimos en el viaje de NEMO? Flujo en lámina libre El agua fluye con alta velocidad (altas pendientes de las alcantarillas) Composición del agua: materia orgánica (sólidos) Red ramificada (alcantarillas colector) Entronque de las alcantarillas con los colectores, en altura Estructuras de alivio (no todo el agua llega a la EDAR) Red subterránea Redes de saneamiento (I): Composición del agua residual y criterios de diseño 4

5 Objetivos del tema - Conocer cuáles los parámetros de indicadores de contaminación más característicos del agua residual urbana, y los órdenes de magnitud de éstos. - Entender cómo cuantificamos la materia orgánica y los sólidos en suspensión en el agua residual urbana. - Derivar algunos criterios utilizados en el diseño de redes de saneamiento, que resultan de considerar las características del fluido que se transporta - Conocer los tipos de agua residuales urbanas, según su procedencia, y los tipos de redes, según el tipo de agua que lleven. Referencias [1] Chapra, Surface Water Quality Modelling. McGraw-Hill [2] Ingeniería de las aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Ed. McGraw-Hill. [3] Delleur, J. W Sediment movement in drainage systems. In Mays, L. Stormwater collection systems design handbook. Chapter 14. [4] Orozco y otros Contaminación Ambiental. Una visión desde la Química. Ed. Thompson. [5] Butler and Davis, Urban Drainage. Second Edition. [6] Erosion and Sedimentation Manual. Edited by the United States Department of Interior, Bureau of Reclamation

6 Parámetros indicadores de contaminación Físicos Características organolépticas (color, olor y sabor), turbidez y sólidos totales, temperatura y conductividad Químicos Indicadores de materia orgánica (DBO, DQO, COT); salinidad, dureza y cloruros; ph (acidez y alcalinidad); nutrientes vegetales (N y P), metales pesados y contaminantes prioritarios; oxígeno disuelto y otros gases (sulfuro de hidrógeno); Biológicos Bacterias, virus, hongos, algas coliformes Parámetros indicadores de contaminación Físicos Características organolépticas (color, olor y sabor), turbidez y sólidos totales, temperatura y conductividad Químicos Indicadores de materia orgánica (DBO, DQO, COT); salinidad, dureza y cloruros; ph (acidez y alcalinidad); nutrientes vegetales (N y P), metales pesados y contaminantes prioritarios; oxígeno disuelto y otros gases (sulfuro de hidrógeno); Biológicos Bacterias, virus, hongos, algas coliformes 6

7 Tipo de Parámetro parámetro Físicos Parámetro Químicos Contaminación ligera S.S. volátiles S.S. fijos Sol totales S.T. volátiles S.T. fijos S. disueltos S. D. Volátiles S.D. fijos ºC Color Gris-negro Gris-negro Gris-negro Olor SH2 SH2 100 SH2 D.B.O.5 MgO2/l D.Q.O. MgO2/l ph. BiológicosBiológicos Contaminación fuerte Contaminación media Temperatura Químicos Unidades Sol. Suspensión N. total N. orgánico NH4+ NO3- NO2- P total Indicadores de contaminación fecal ,4 0,2 0,1 Patógenos!!! 0,05 RED0,1SUBTERRÁNEA BAJO LA RED DE 175 ABASTECIMIENTO Cl- Grasas Coli totales NMP/l x Coli fecales NMP/l x Virus totales Ui/l Sólidos en el agua 7

8 Definiciones Sólidos totales (mg/l) - residuo después de someter al agua a un proceso de evaporación a o C. Sólidos sedimentables (ml/l) volumen de sólidos que sedimentan el fondo de un cono Imhoff en 60 min. Sólidos totales* = filtrables disueltos y coloidales + no-filtrables suspensión * según pase o no por un filtro de fibra de vidrio de 1.2 µm (Whatman GF/C) SF y SS = Fracción volátil fracción orgánica + Fracción fija fracción inorgánica * según se volatilice o no a 550 ± 5 o C 8

9 Problemas derivados de la presencia de sólidos 9

10 Problemas derivados de la presencia de sólidos - Los sólidos tienden a depositarse, disminuyendo la sección útil de la conducción - Si la deposición es continuada y los sólidos llegan a consolidarse, pueden obturar e inutilizar colectores y alcantarillas - El agua residual, en vez de circular por gravedad circularía en carga, con el consiguiente peligro de rebose y afloramiento en superficie Cómo evitar que sedimenten los sólidos? 10

11 10 bedload and suspended load transport 2 p u * Rgd = τ c τ bf 50 b = p Rgd τ ρ τ negligible suspension τ u b = = w 0 ρ bedload transport suspension motion no motion silt sand gravel E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 ( grd Re p ) d p Re p = ν Diagrama de Shields, con criterio de suspensión Velocidad de fricción u * = gr h S 0 2 * u = R h = Radio hidráulico S 0 = pendiente de la conducción 14.8 f = factor de fricción (Darcy) = 2 log U = velocidad media ε ε = Rugosidad (2.5x10-3 m para el cemento) R h f 8 U

12 Velocidad de sedimentación F g = m x g = ρ s V g d p V = 1/6 π d p 3 A p = 1/4πd p 2 F f = C D A p ρ w w 02 /2 F e = ρ w V g En equilibrio w 2 0 = 4 ρ d s ρ w g 3 ρw C R p D Régimen laminar Transición Régimen turbulento C D Re = ( w0d p ) / µ 12

13 C D 24 (Re < 1, régimen laminar) = Re (1< Re < 10000) Re Re C D Re = ( w0d p ) / µ Velocidad de sedimentación F g = m x g = ρ s V g d p V = 1/6 π d p 3 A = 1/4πd p 2 F f = C D Aρ w w 02 /2 F e = ρ w V g Ley de Stokes (régimen laminar) w 0 g = Rd p 18µ 2 Ley de Newton (régimen turbulento) w 0 g Rd p

14 Ejemplo 1 Una suspensión de partículas de arena circula por una alcantarilla de hormigón circular de 300 mm, que fluye completamente llena. La densidad del sílice es ca kg/m 3, y el diámetro característico de la arena de tamaño medio es de µm (usa 300 µm). Encuentra la velocidad mínima y la pendiente mínima en la alcantarilla para que no se produzca deposición 14

15 Pendientes mínimas para alcantarillas * u = grhs0 = f / 8) U ( w m/m 0 Criterios de diseño y elementos en redes Velocidades mínimas Diámetros mínimos Pendientes mínimas Objetivo: auto-limpieza Los valores mínimos depende del tipo de sedimentos que transporte, del tipo de red, del tipo de conducción (ej. sifones). - Pozos de registro, para facilitar el mantenimiento - Bombeos en zonas con poca pendiente 15

16 Adaptaciones de la red a la topografía (pendiente insuficiente) h Desagüe h Estaciones de bombeo Criterios de diseño y elementos en redes Velocidades máximas Pendientes máximas Objetivo: conservación i.e. evitar la abrasión de los materiales por el poder erosivo del agua. -Diseño de rápidos en zonas con mucha pendiente. - Protecciones especiales en el fondo 16

17 Adaptaciones de la red a la topografía (pendiente excesiva) Desagüe Rápidos 2. Materia orgánica, oxígeno y otros gases 17

18 Materia orgánica en el agua residual - Casi un 75% de sólidos en suspensión y un 40% de los sólidos filtrables son compuestos orgánicos! - Formados por combinaciones de C, H, O, N y P + otros elementos (S, Fe) - Proteinas (40-60%) + hidratos de carbono (25-50%) + grasas (10%) + otras moléculas orgánicas (agentes tensioactivos, contaminantes orgánicos prioritarios, COV y pesticidas) Grupo complejo de sustancias Cómo cuantificamos el contenido orgánico? g g 0 C 6 H 12 O 6 +6O 2 6CO 2 + 6H 2 O 180 g 192 g 18

19 Cómo cuantificamos el contenido orgánico? L L 0 Materia orgánica, en equivalentes de oxígeno Balances de masa en un recipiente cerrado Materia orgánica d( VL) dt = kvl L( t) = L0 exp( kt) Oxígeno o( t) = o0 ( L0 L0e kt ) Demanda ejercida bioquímica de oxígeno, DBO = f(tiempo)!!! 19

20 DBO y materia orgánica Concentración (mgo / l) L 0 e -kt L 0 - L 0 e -kt Materia orgánica L 0 Tiempo (días) DBO y materia orgánica Concentración (mgo / l) L 0 e -kt DBO = L 0 (1 - e -kt ) Materia orgánica L 0 Tiempo (días) 20

21 DBO 5 vs. DBO u? Recordad que definimos DBO como i.e. es una función del tiempo. DBO 5 es la DBO para 5 días, i.e. k 5 y5 y5 = L0 ( 1 e ) L0 = k 5 (1 e ) y = L0(1 e k t ) DBO 5 Valores guía Aguas muy puras DBO 5 < 3 mg/l O 2 Pureza intermedia 3<DBO 5 < 5 Agua contaminada DBO 5 > 5 Agua residual urbana DBO Industria agroalimentaria DBO 5 < 1000 Inconvenientes del método - Larga duración de la determinación - Su valor puede verse afectado por la presencia de sustancias tóxicas para las bacterias - No detecta sustancias poco degradables - Difícil de aplicar a aguas residuales industriales 21

22 DBO Microorganismos oxidantes DQO Agentes químicos oxidantes (dicromato/permanganato) DQO - Se valoran todos los compuestos orgánicos (biodegradables o no), y otras especies químicas (ej. Fe ++, Mn ++, etc) oxidables, es rápido (3h), y se expresa en mg O 2 /l DBO/DQO indicador del tipo de contaminación - DBO 5 /DQO < 0.2 contaminantes no biodegradables - DBO 5 /DQO > 0.6 contaminación orgánica Ejemplo 2 Determinar la DBO de 1 día y la DBO última de un agua residual cuya DBO a los 5 días a 20 o C es de 200 mg/l. La constante de reacción k = 0.23 d -1 22

23 Ejemplo 3 Suponed agua residual, con 200 mg/l de DBO u (= L 0!!) y que inicialmente tiene 10 mg/l de oxígeno. En cuanto tiempo desaparece el oxígeno del agua? Si el agua se mueve a 0.6 m/s, qué distancia recorre antes de que se consuma todo el oxígeno? La constante de reacción k = 0.23 d -1 23

24 Problemas derivados de la ausencia de oxígeno CORROSIÓN de alcantarillas de hormigón (H 2 SO 4 reacciona con el cemento y el hierro) (Thiobacillus) Peligro potencial para los operarios 24

25 Criterios de diseño y elementos en redes Ventilación (pozos de registro, chimeneas, ) Diseño pendientes y velocidades mínimas que minimicen el tiempo de transporte, y faciliten la autolimpieza Limpieza periódica mecánica y química pozos de registro (acceso a la red) Selección adecuada de materiales (recubrimiento de las armaduras, utilización de áridos calizos o dolomíticos, conductos de gres o material plástico ), que depende de la composición del agua residual Agua residual urbana Doméstica o sanitaria (zonas residenciales, comerciales y públicas) Industrial Infiltraciones y aportaciones incontroladas Escorrentía urbana (pluviales) - Contaminación orgánica (+sales disueltas y S.S. inorgánicos). - Biodegradables (DBO 5 /DQO 0,5) - Nutrientes (N y P) - Sin productos tóxicos -Contaminación según el tipo de industria -Solamente se podrán verter a la red aguas industriales que sean asimilables a urbanas -Contaminación por S.S., óxidos de S y N, metales pesados, papel, vidrio, desgaste de neumáticos, derrames de combustibles, aceites y grasas -Composición = f (duración de eventos de lluvia y del tiempo entre eventos) 25

26 Agua residual urbana Doméstica o sanitaria (zonas residenciales, comerciales y públicas) Industrial Infiltraciones y aportaciones incontroladas Escorrentía urbana (pluviales) Aguas negras Caudales estables Aguas blancas Caudales más altos y variables, que ocurren de forma episódica Agua residual urbana Doméstica o sanitaria (zonas residenciales, comerciales y públicas) Industrial Infiltraciones y aportaciones incontroladas Escorrentía urbana (pluviales) Red separativa sanitaria (por gravedad o a presión) y de aguas pluviales (por gravedad) Red (o sistema) unitaria (por gravedad) 26

27 Sistema unitario Sistema separativo 27

28 Ejercicio propuesto Suponed agua residual, con 400 mg/l de DBO u (= L 0!!) y que inicialmente tiene 8 mg/l de oxígeno. Si el agua se mueve a 1 m/s, en las alcantarillas, desaparecerá el oxígeno antes de llegar a la EDAR, situada a unos 10 km de la ciudad? La constante de reacción k = 0.23 d -1 28