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INGENIERIA AMBIENTAL

CAPITULO 6

Ingeniera de la Calidad del Agua

6.1. Naturaleza de los Problemas de

Calidad del agua

Tendencias preocupantes:

Aumento de la poblacin

Aumento del consumo per cpita de agua

Deterioro de la calidad de fuentes de agua

Se requieren nuevas estrategias para conservar y reusar agua:

Expandir nuestro conocimiento acerca de los impactos toxicolgicos y

ambientales de contaminantes.

Desarrollar capacidades eficientes y econmicas para repurificar agua

previamente usada.

Desarrollar y aplicar tcnicas de conservacin de agua mejoradas para

disminuir el uso de agua agrcola, industrial y domstico.

Anticipar problemas de calidad del agua.

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Principales causas de contaminacin del agua:

Clase de

Contaminante

Fuentes puntuales Fuentes difusas

Aguas residuales

municipales

Aguas residuales

industriales

Escorrenta

agrcola

Escorrenta

urbana

DBO

Nutrientes

Patgenos

Slidos suspendidos

Sales

Metales txicos

Orgnicos txicos

Calor

6.1.1 Rios

Los efectos de las descargas contaminantes dependen de las caractersticas de los ros:

Volumen de agua y flujo, profundidad

Tipo de sedimento

Vegetacin aledaa y uso del suelo

Clima

Problemas de calidad del agua ms prevalentes en ros:

Slidos suspendidos (sofocan huevos de peces, destruccin de hbitat para insectos acuticos, menor penetracin de luz).

Nutrientes (crecimiento excesivo de algas y plantas, disminucin de especies de peces)

Patgenos (problemas de salud en humanos)

Sustancias agotadoras de oxgeno (problemas para vida acutica)

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Curva de agotamiento de oxgeno

disuelto (OD)

La concentracin de OD aguas abajo de una descarga de

aguas residuales est controlada por los procesos:

Consumo de oxgeno por biodegradacin de contaminantes orgnicos.

Incorporacin de oxgeno por aireacin en la superficie.

Streeter y Phelps (1925) desarrollaron un modelo para

predecir la evolucin del contenido de OD de un rio:

Xc

ODmin

OD0

ODs

Dc

Descarga de aguas

residuales (x=0)

Rio abajo de descarga

El consumo de oxgeno es proporcional a la demanda bioqumica de oxgeno

(DBO):

= =

Asumiendo mezcla completa en el punto de descarga:

OD 0 =

DBO 0 =

La DBO decae exponencialmente hacia aguas abajo:

= 0 !"

donde la variable t, puede ser reemplazada por el tiempo de trnsito del flujo

t = $ % , U es la velocidad del flujo aguas debajo de la descarga (' + '))/A,

y A es el area de la seccin transversal del rio:

= = 0

!"* +

Los subndices r y w se

refieren al ro y descarga

respectivamente.

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La tasa de reaireacin es expresada usando el modelo de doble pelcula:

,-. = -. /

donde / es la concentracin de saturacin de oxgeno disuelto en agua expuesta a

aire.

Asumiendo que el rio acta como un RFP ideal, puede escribirse el balance de masa

estacionario de oxgeno disuelto en una seccin de rio:

%0 $ %0 $ + $ + ,-.3$ + 0$ = 0

Dividiendo por Ax y reordenado: % * (**)*

+ ,-.)

6+ = 0

Tomando el lmite cuando $ 0: %()

*= ,-.

)

6+

x xw

Area vertical = AArea horizontal = wx

U

Jgl

Reemplazando las expresiones para Jgl y rO2, se obtiene:

%()

*= -.

)

6/ 0

!"* +

Definiendo como nueva varible el dficit de oxgeno = / , entonces

: = :, y la constante de reaireacin = -. 3 0:

%

*= + 0

!"* +

Dada la condicin de borde que para x=0, el dficit es ; = / (0), la solucin

es:

La concentracin mnima de oxgeno puede calcularse igualando la derivada del dficit

: :$ = 0 en la ecuacin diferencial:

A su vez, la distancia crtica Xc, se obtiene de la diferenciacin de D(x) respecto de x,

igualando el resultado a cero, y resolviendo para x=Xc:

$ =(0)

!"* + ! +

? =%

@A

1

;

(0)

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Ejemplo: Proteccin de la poblacin de truchas aguas abajo de la descarga de una

planta de tratamiento de aguas servidas.

La ciudad de Manzanar est ubicada a lo largo del ro Frio. La ciudad est buscando un

permiso de la SISS para permitirle descargar sus aguas servidas parcialmente tratadas

al rio Frio. Las autoridades permitirn la descarga si la ciudad puede demostrar que la

poblacin de truchas en el rio no ser afectada. Las truchas requieren una

concentracin mnima de 3 mg/L de oxgeno disuelto para sobrevivir. Dada la

siguiente informacin sobre la descarga de aguas servidas y el rio, estime la

concentracin mnima de oxgeno en el rio para determinar si la ciudad debe o no

aumentar la capacidad de tratamiento de la planta.

Qw= 0.5 m3/s ODs= 9 mg/L

Qr = 9 m3/s DBOw= 80 mg/L

A = 20 m2 DBOr= 0.1 mg/L

ODw= 0.2 mg/L Constante de decaimiento de DBO: k1 = 0.2 d-1

ODr= 8 mg/L Constante de reaireacin para el rio: k2= 0.4 d-1

Primero, se requiere calcular la concentracin de OD y DBO en la mezcla de agua de

rio y agua residual:

OD 0 =CDE

FH

DI

J;.

DE

F;.L

DI

J

HMI/N";.LMI/N"= 7,6mg/L

DBO 0 =;.

DE

FH

DI

JC;

DE

F;.L

DI

J

HVIWN";.LVIWN"= 4,3mg/L

Eldficitdeoxgenoenelpuntodedescargaes

; = / = 9Vl

m 7,6

Vl

m= 1,4mg/L

y lavelocidaddelrioaguasdebajodeladescarga,U,puedecalcularsecomo

% =

6= 9,5mt/s 20m = 0,48ms =41kmd

Entoncespuedecalcularseladistanciacrticayeldficitcrtico:

? =xyVzN"

;.xN" ;.N"@A

;.xN"

;.N"1

,xVl/m ;.xN" ;.N"

;.N"x.tVl/m= 61km

=;.N"

;.xN"4.3

Vl

mexp 0.2: 61km 41kmd = 3.9mg/L

Aslaconcentracinmnimadeoxgenosera/ = 9 3.9 = 5.1mg/L

La ciudad debera poder descargar sin necesidad de ampliar la planta.

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6.1.2 Lagos y Embalses

La calidad del agua de lagos est controlada por:

Caractersticas fsicas (morfolga, geologa, luz, temperatura y viento)

Productividad biolgica (lagos eutrficos versus oligotrficos)

En particular, la estratificacin trmica es un factor que puede

afectar significativamente la calidad del agua:

5 1510 20Temperatura (oC)

2

4

6

8

10

12

Pro

fun

did

ad

(m

)

Epilimnion

Termoclina

Hipolimnion

5 1510 20Temperatura (oC)

2

4

6

8

10

12

Pro

fun

did

ad

(m

)

0

(a) Condiciones de verano (b) Condiciones de invierno

Mezcla inducida por el viento:

En lagos estratificados trmicamente pueden resultar condiciones anaerbicas en el hipolimnion:

Reduccin de especies de peces y vida acutica

Acumulacin de productos de degradacin txicos (H2S, CH4, NH3)

Liberacin de nutrientes asociados a los sedimentos.

Problemas de calidad ms comunes en paises desarrollados: nutrientes, Hg, slidos suspendidos.

(a) Lago estratificado

trmicamente

(b) Lago no estratificado

Termoclina

Viento Viento

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6.1.3 Aguas Subterrneas

Esquema de un acufero:

98% del agua dulce (no congelada) est en el subsuelo.

50% del abastecimiento de agua potable es desde fuentes

subterrneas (sectores rurales mayoritariamente).

Acuitardo

Franja capilar

Zona saturada

(acufero)

Zona vadosaSuperficie fretica

Problemas relacionados con el recurso aguas subterrnea:

Sobreexplotacin

Subsidencia del terreno

Intrusin salina

Contaminacin

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Fuentes comunes de contaminacin de agua subterrnea:

Fuente de contaminacin Ranking

Fuentes diseadas para descargar sustancias:

Fosas spticas 4

Aplicacin sobre el suelo de aguas residuales y lodos

Descargas no planificadas de tratamiento, almacenamiento, y disposicin:

Rellenos de residuos peligrosos 1

Rellenos sanitarios 2

Estanques de almacenamiento y tuberas 5

Descargas que resultan como consecuencia de otras actividades:

Aplicaciones de pesticidas y fertilizantes 3

Disposicin de residuos animales 6

Drenaje de minas 7

Perforacin de petrleo 8

Intrusin salina 9

Escorrenta urbana

Deposicin atmosfrica

Fuentes diseadas para transportar sustancias:

Camiones, trenes, oleoductos

Patrones de migracin de descargas de LNAPL y DNAPL:

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6.1.4 Ocanos y Estuarios

Los ocanos cubren el 75% de la superficie del planeta y

contienen agua que es demasiado salina para su consumo.

Las aguas costeras menos salinas que se encuentran donde los

rios desembocan en los ocanos se llaman aguas estuariales

(estuarios):

Estn sujetas a la accin de las mareas

Son generalmente muy productivas

Sostienen grandes poblaciones de peces, mariscos, y vida salvaje.

En los ocanos, las variaciones de temperatura son mayores

que las de salinidad similitud con lagos.

En los estuarios, los perfiles de salinidad, ms que los de

temperatura, influencian la estratificacin (1000~1025 kg m-3).

Estratificacin en un estuario causada por salinidad variable:

El principal problema de calidad del agua de los estuarios es la eutrofizacin.

Emisarios submarinos: su funcin es minimizar el riesgo de contaminancin de playas por descarga de agua residual parcialmente tratada.

Por la menor densidad, el agua residual tiende a flotar (promover mezcla para minimizar ascenso).

Acumulacin de slidos suspendidos puede provocar daos al ecosistema acutico (toxicidad de partculas).

Ocano RioFlujo de agua dulce

Cua salina

Estuario totalmente

estratificado

Ocano Rio

Estuario casi totalmente

mezclado

Ocano Rio

Estuario parcialmente

estratificado

S SSS

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6.2. Normas de Calidad del Agua y

Sistemas de Tratamiento. Generalidades.

Normas ambientales que regulan la calidad del agua:

Normas de emisin:

DS90 Descarga a Aguas Marinas y Continentales Superficiales

DS609 Descarga a Sistemas de Alcantarillado

DS46 Descarga a Aguas Subterrneas

Normas de calidad

Primaria: Calidad del agua potable NCh409Of2005Parte 1: Requisitos

Secundarias: Calidad de cuerpos receptores actualmente en elaboracin.

6.2.2 Sistemas de Tratamiento

Cloro y flor

Carbn activado

Estanque de sedimentacin FiltracinFloculacin

Adicin coagulante y mezcla rpida

(Olores, sabores y colores)Sulfato de Aluminio

(desinfeccin y establecimiento de cloro libre residual en el sistema de distribucin)

(remocin de flculos no sedimentados)

Estanque de sedimentacin

Cal ceniza de soda

Aireador Mezclador FloculacinFiltro

Cloro Flor

CO2Recarbonatacin

Remocin de dureza precipitada no sedimentada

Tratamiento de Agua: Agua Superficial

Tratamiento de Agua: Agua Subterrnea

La Mochita

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CloracinSedimentacin

secundariaLodos

activados

Sedimentacin

primaria

Cmara de

contacto

Espesamiento

de lodos

Digestin de

lodos

Retorno de lodos activados

Rejas Desarenador

Tratamiento de Aguas Servidas : Planta Tpica

6.3. Mtodos de Tratamiento Fsico

6.3.1 Sedimentacin

En los estanques de sedimentacin o clarificadores, se utiliza

la fuerza de gravedad para separar partculas suspendidas del

agua.

La sedimentacin se aplica tanto al tratamiento de agua como

al de aguas residuales.

Seccin vertical de un estanque de

sedimentacin rectangular ideal:

EntradaSalidaZona de lodos

H

L

U U

v

Zona de

sedimentacin

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Trayectorias de partculas en estanques de sedimentacin rectangulares

ideales:

Eficiencia de remocin, : fraccin de partculas entrantes que son removidas del agua.

Si }

+

entonces = 100%

Si }

+