Una planta depuradora de aguas residuales con una producción de., descarga el efluente líquido con una Demanda Bioquímica de Oxígeno

Transcripción

1 C A P Í T U L O 1 En el capítulo se an seleccionado ejercicios relacionados con el tratamiento de aguas residuales, por ser este tema de importancia presente y futura en la depuración y saneamiento de las ciudades, así como en los programas de aorro de agua. Se introducen algunos conceptos y definiciones muy específicos que el lector deberá consultar en la literatura especializada. No se sigue un orden estricto en la complejidad de las soluciones, porque éste varía de acuerdo a los antecedentes o preferencias del lector. 9

2 Problema 1.1 Una planta depuradora de aguas residuales con una producción de, descarga el efluente líquido con una Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) de en un río. Si la DBO del río aguas arriba del punto de descarga es, a caudal mínimo de, calcular la DBO del río aguas abajo de la descarga, suponiendo mezclado perfecto. Q d DBO m s mg L Q R DBO m s mg L Volumen de control Q R Q d DBO? mg L m s Figura Esquema para el problema 1.1. Solución Sea un intervalo de tiempo de un segundo. El balance de materia de componentes (flujo), ya que se supone que no ay acumulación en el volumen de control, es: 10

3 Mientras que el balance de carga de contaminantes es: donde [ ] de carga de contaminantes aguas arriba. Por lo tanto Problema 1.2 Los lodos primarios (PSS) y secundarios (SSS) de agua residual se separan en un espesador. Si los lodos PSS se producen a con 1% de sólidos secos (DS) y los SSS a a por 100 DS. Determinar el porcentaje de DS en el producto final. PSS Kg a %DS SSS Kg a %DS Proceso Salida Kg a? %DS Figura Esquena para el problema

4 Solución % % % Porcentaje de sólidos secos % Problema 1. Cada día se tratan municipal. El efluente contiene de agua residual en una planta depuradora de sólidos en suspension. El agua clarificada tiene una concentración de sólidos en suspensión de Determinar la masa de lodos producidos diariamente en el clarificador. 12

5 Figura 1..- Vista parcial de una planta depuradora de aguas residuales. Kg d a Clarificador Lodo? Kg d a Efluente 9 Kg d a Figura Esquema del problema 1.. Realizaremos un balance de materia alrededor del clarificador 1

6 Por tanto 9 Proponga un plan de manejo de estos lodos. Problema 1.4 Considere dos sistemas de tratamiento de efluentes: Lodos activados Filtro percolador Y dos tipos de efluentes: Domésticos: con una concentracion de DBO de Industrial:con una concentracion de DBO de Las condiciones de operación vienen dadas como: SSLM: sólidos suspendidos en el licor mezclado. 14

7 Determinar las concentraciones del efluente de salida de cada reactor utilizando tanto un modelo de primer orden como modelos cinéticos reales. Solución 1. Lodos activados para efluente doméstico. a) Considerar el modelo de primer orden y determinar k. donde concetración en masa Por lo tanto La ecuación de primer orden para el reactor de lodos activados es: donde 15

8 Para, la concentracion del efluente es 9 b) Considere la cinética real: Ya que Tanto esta concentración como la anterior deben compararse con la permitida por la norma correspondiente. Así que el modelo de primer orden y la cinética real son compatibles para el efluente doméstico. 2. Lodos activados, efluente industrial. a) Considérese el modelo de primer orden: 16

9 9 b) Considérese la cinética real caso. El modelo de primer orden y la cinética real no son compatibles en este. Filtro percolador-residual doméstico. 1. Considérese el modelo de primer orden (discontinuo o flujo en pistón) como antes Sustituyendo 17

10 2. Considérese la cinética real: En un proceso discontinuio,, por tanto V=constante, ya que en la ecuación del balance de materia se convierte en Para el filtro percolador Para 18

11 4. Filtro percolador, efluente industrial. 1. Modelo de primer orden, con un tiempo de retención idráulica de 2. Cinética real Para Para 19

12 Resumen de resultados Tabla Resumen de resultados del problema 1.4. Sistema de tratamiento Tipo de residuos DBO afluente Modelo DBO efluente Lodos activados Doméstico 200 Primer orden 14.9 Cinética real 17.1 Industrial 4,000 Primer orden 296 Cinética real 2,488 Filtro percolador Doméstico 200 Primer orden 16.4 Cinética real 64 Industrial 4,000 Primer orden 27 Cinética real,200 De lo anterior se deduce que existan varias anomalías: Para efluentes domésticos en el reactor de lodos activados es suficiente un modelo de primer orden, ya que la concentración de reactivo es igual en todo punto a la concentración de salida. El modelo de primer orden es erróneo para efluentes domésticos al usar el reactor de flujo pistón, ya que el tipo de reacción tiene un perfil de concentración. La concentración es máxima en el extremo de entrada y mínima en el extremo de salida. Para efluentes de alta DBO, el supuesto de primer orden es notariamente insatisfactorio. 20

13 Problema 1.5 Determinar el tiempo requerido para reducir a la mitad la concentración inicial de tolueno y dieldrín arrojados a una laguna poco profunda utilizada en el tratamiento de agua residual. Supóngase que los coeficientes cinéticos de remoción de primer orden para tolueno y dieldrin son y, respectivamente. Solución Empleando la información del enunciado, determine el tiempo requerido para que las concentraciones en la laguna de tratamiento sean iguales a la mitad de la concentración inicial. Para el tolueno 9 9 Para Dieldrín 9 El tiempo requerido para que la concentración de dieldrin sea igual a la mitad del valor inicial puede ser argumento para el desarrollo y utilización de agroquímicos que sean de rápida degradación ambiental. 21

14 Problema 1.6 Considerar un lago con área superficial de y profundidad media de. Supóngase que el lago se encuentra ubicado en la zona con precipitación y evaporación media anual de y, respectivamente. El lago es alimentado por un caudal cuyo afluente promedio es de. El aporte de la escorrentía superficial al lago se puede omitir. El efluente del lago se maneja de tal forma que la elevación de la superficie del mismo permanece constante y no existen viviendas alrededor de éste. Si la concentración de fósforo en el afluente y en el agua de lluvia son y, respectivamente, calcular la concentración de fósforo del lago bajo condiciones de estado estable. Supóngase que el aporte del agua subterránea es cero, que el fósforo se precipita con una velocidad de primer orden y que su coeficiente cinético de precipitación es. Se planea ubicar sobre el perímetro del lago unidades de vivienda familiar. El agua del lago servirá como fuente de abastecimiento y después de ser sometida a filtración será distribuida a las viviendas del proyecto. El agua residual generada por las viviendas será tratada en sistemas individuales de tanque séptico y campos de infiltración y el efluente será vertido indirectamente al lago. Si la concentración de fósforo en el efluente vertido al lago es de, determine la concentración en el lago bajo condiciones de estado estable En qué porcentaje se incrementa la concentración de fósforo en el lago con respecto a la condición de antes del proyecto? Supóngase que el número promedio de personas por vivienda es y que el uso de agua es. Solución Primera parte, concentración de fósforo antes de proyecto 22

15 Convierta todos los caudales a y calcule su caudal efluente a. Precipitación de lluvia: b. Evaporación: 99 c. Calcule el efluente: 99 d. Calcule M: ( ) ( ) ( ) e. Calcule : 2

16 ( ) f. Calcule la concentración del fósforo en el lago: ( ) g. Prepare un balance de masa para el fósforo: Una vez conocida la concentración de fósforo en el lago, se puede calcular el flujo másico de fósforo en el efluente y la cantidad de fósforo en solución que abandonó el sistema. Estos valores se pueden emplear junto con las cargas importantes de fósforo para completar el balance de masa. a. Flujo másico en la corriente efluente: ( ) b. Flujo másico de fósforo debido a la precipitación química: 24

17 c. Flujo másico de fósforo en la corriente afluente: ( ) d. Flujo másico de fósforo debido a la precipitación de agua de lluvia: ( ) 9 Si la concentración de fósforo se calculó correctamente, la suma de las corrientes de fósforo de entrada debe ser igual a la suma de las corrientes de fósforo de salida, es decir: [ ] [ ] [ ] [ ] 9 balanceada. Se puede observar que la ecuación de flujo másico de fósforo está Segunda parte, concentración de fósforo después del proyecto. Convierta los caudales en y calcule el caudal efluente. a. Agua para abastecimiento: 25

18 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) b. Agua residual: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) c. Calcule el caudal efluente: 99 i. Calcule, y la concentración de fósforo: ( ) ( ) ( ) ( ) j. Determine el incremento porcentual en la concentración de fósforo respecto a la condición antes del proyecto. 26

19 % % Como consecuencia de la realización de un proyecto sobre aguas residuales, se puede esperar que la concentración de fósforo en el lago aumente 1 por ciento. Generalmente, antes de la ejecución de un proyecto como éste, se debe investigar el impacto ambiental que ocasiona la descarga de nutrientes como nitrógeno y potasio sobre la vegetación acuática. Además, si los residentes emplean fertilizantes comerciales para sus prados y jardines, debe considerarse también el impacto adicional que ocasiona esta práctica. Problema 1.7 Una ciudad vierte de agua residual tratada a en un río cercano. La promedio del efluente de la planta de tratamiento es de 0 a El valor de a es 0.0. El efluente después de la aireación contiene cerca de de oxígeno disuelto. Las características de la fuente receptora, aguas arriba del punto de descarga, son las siguientes: caudal mínimo, profundidad promedio, velocidad promedio del río, temperatura del río, del río a y el porcentaje de saturación de oxígeno disuelto 9 % Determinar el déficit crítico de oxígeno y su ubicación. Calcular también la DBO 5 a 20 C de una muestra de agua tomada en el punto crítico. Emplear como coeficientes de corrección por temperatura para y para. Representar gráficamente la curva de disminución de oxígeno disuelto. 27

20 Solución 1. Defina las relaciones que se van a emplear para determinar el caudal,, déficit de oxígeno disuelto (OD) y temperatura, justo aguas abajo del punto de descarga, suponiendo que el agua residual vertida se mezcla completamente con el agua del río. Tabla Balance para el problema Determine el oxígeno disuelto en el río antes de la descarga : 9 (de tablas) Determine temperatura, oxígeno disuelto, DBO 5 y DBO U de mezcla 28

21 4. Determine el valor de k Fórmula usual en Ingeniería Ambiental para corrientes de aguas. 5. Corrija los coeficientes cinéticos a 18 C 6. Determine y a. La concentración de saturación de OD a 18 C es: a = 9 (de tablas) b. El déficit inicial de OD es:

22 c. El tiempo crítico se obtiene con la siguiente fórmula usual de la Ingeniería Ambiental. [ ( )] [ ( )] d. La distancia crítica es: 7. Determine el déficit crítico, 9 8. Determine la de una muestra tomada en 0

23 9. La curva de disminución de oxígeno disuelto se representa gráficamente en la siguiente figura. Figura Tiempo contra oxígeno disuelto, para el problema 1.7 Aunque el análisis de disminución de oxígeno presenta un buen número de limitaciones, el ejercicio de aplicación es útil porque su fortaleza radica en la consideración de las transformaciones que ocurren en la corriente y sus interrelaciones. Para vencer las evidentes limitaciones del análisis de disminución de oxígeno, se an desarrollado modelos por tramos en los que se consideran un buen número de variables. Problema 1.8 El efluente de una planta de tratamiento de aguas residuales municipales tiene un gasto de 1, y es de mala calidad pues contiene de compuestos de fósforo (presentados como ). La descarga va al río con un gasto aguas arriba de y una concentración en fondo de fosforo en ). Cuál 1

24 es la concentración resultante de fósforo (en ) del río después de la descarga de la planta? Q u Q d C u C d Q e Descarga de una planta de tratamiento por medio de tuberías. C e Figura Esquema para el problema 1.8. Solución Para resolver este problema, se aplican dos balances de materia para determinar, primero, el gasto volumétrico corriente abajo y, segundo, la concentración de fósforo aguas abajo. Primero debe escogerse un volumen de control. Para tener la certeza de que los flujos de entrada y de salida crucen los límites del volumen de control, éste debe atravesar el río aguas arriba y aguas abajo del desagüe y debe atravesar también el tubo de descarga. El volumen de control seleccionado se indica en la figura anterior con la línea discontinua. Para extenderse río abajo lo suficiente se supone que el agua residual descargada y el agua del río se mezclan bien antes de que salga del volumen de control. Mientras la suposición se cumpla, no es importante para el análisis qué tan lejos aguas abajo se extienda el volumen de control. Antes de empezar el análisis, debe determinarse si se trata de un problema en estado estable o no, y si el término de la reacción química no será cero. Puesto que el planteamiento del problema no menciona en absoluto el tiempo, y es 2

25 razonable suponer que el río y la descarga de agua residual an estado fluyendo por algún tiempo y continuarán aciéndolo, se trata de un problema de estado estable. Además, este problema se refiere a la concentración que resulta de la mezcla rápida del río con el flujo de salida. Por lo tanto, es posible definir que el volumen de control será lo suficientemente pequeño para suponer que la degradación química o biológica es insignificante durante el tiempo que la mezcla pasa en el volumen de control y así poder tratar este problema como uno de estado estable. Primero, debemos determinar el gasto de aguas abajo,. Este se encuentra por medio de un balance de masa sobre la masa total del río. En este caso, la concentración del río en unidades de, es simplemente la densidad del agua, : Donde el término conservativo se a fijado como cero porque la masa de aguas se conserva. Puesto que este es un problema de estado estable,. Por lo tanto, mientras la densidad sea constante,, o. Después, se determina la concentración de fósforo aguas abajo del tubo de descarga,. Ésta se encuentra utilizando la ecuación estándar de balance de materia en condiciones de estado estable y sin formación o decaimiento químico:

26 ( ) Problema 1.9 Un reactor de flujo completamente mezclado (RFCM) se utiliza para tratar un deseco industrial, empleando una reacción que disminuye el contaminante de a cuerdo con una cinética de primer orden con. El volumen del reactor es de, el gasto volumétrico de la única entrada y salida, es de, y la concentración de entrada del contaminante es de Cuál es la concentración de salida después del tratamiento? Q en C en Q C Solución Figura Esquema para el problema 1.9. El volumen de control obvio es el mismo tanque, el problema pregunta la concentración constante de salida, y todas las condiciones del problema son constantes, por lo tanto, se trata de un problema en estado estable ( ). La ecuación de balance de materia con un término de decaimiento de primer orden es 4

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